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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen einer Statorwicklung in einem Stator einer elektrischen Maschine.
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Es ist schon ein Verfahren zum Herstellen einer Statorwicklung in einem Stator einer elektrischen Maschine aus der
US 2014/035404 A1 bekannt, wobei der Stator Nuten und in den Nuten angeordnete Leiterelemente einer elektrischen Steckwicklung aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a. Anordnen der Leiterelemente in den Nuten des Stators,
- b. Umformen durch sogenanntes Schränken der aus den Nuten vorstehenden Leiterenden der Leiterelemente derart, dass auf einer der beiden Stirnseiten des Stators Paare von zu verbindenden Leiterenden zur Bildung der elektrischen Wicklung gebildet sind, wobei die Leiterelemente jeweils zumindest einen Verbindungsabschnitt zum Verschweißen mit dem Verbindungsabschnitt des zugeordneten Leiterendes aufweisen,
- c. Greifen und Aneinanderdrücken einer radialen Anordnung von zwei in radialer Richtung gesehen hintereinander angeordneten Verbindungsabschnitten mittels eines Werkzeuges,
- d. Widerstandsschweißen der zwei mittels des Werkzeugs zusammengedrückten Verbindungsabschnitte an den Seitenflächen unter Bildung zumindest eines Paares von verschweißten Verbindungsabschnitten,
- e. Einstellen des elektrischen Isolationsabstandes zwischen den Leiterenden durch Abwinkeln der Paare von Leiterenden.
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Steckwicklungen haben im Vergleich zu Einzugswicklungen den Vorteil eines höheren elektrischen Nutfüllfaktors und einer höheren elektrischen Leistungsdichte. Die Leiterelemente der Steckwicklungen haben häufig jedoch einen vergleichsweise großen Leiterquerschnitt, so dass es durch den sogenannten Skin-Effekt zu höheren elektrischen Verlusten kommt. Dies kann durch eine Aufteilung des Leiterquerschnitts auf mehrere Leiterelemente mit entsprechend kleinerem Leiterquerschnitt vermieden werden. Allerdings wird dadurch der Aufwand zur Herstellung der Steckwicklung erhöht, da sich insgesamt eine höhere Anzahl an Schweißverbindungen ergibt, die auf engstem Raum präzise hergestellt werden müssen. Außerdem sind die Leiterelemente mit kleinerem Leiterquerschnitt bei der Herstellung in den einzelnen Prozessschritten, insbesondere beim Greifen, Positionieren und Schweißen, schwerer zu handhaben.
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Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen das Einstellen des elektrischen Isolationsabstandes zwischen den Leiterenden zeitlich vor dem Umformen, beispielsweise Schränken, der Leiterenden erfolgt. Bei diesen Verfahren wird zunächst der elektrische Isolationsabstand zwischen den Leiterenden eingestellt. Anschließend werden die Leiterenden durch sogenanntes Schränken umgeformt und danach paarweise verschweißt. Nachteilig ist, dass die Leiterenden beim Einstellen des elektrischen Isolationsabstandes durch unterschiedliche Biegung unterschiedlich stark tordiert werden, so dass die einander zugeordneten Leiterenden beim Verschweißen ungünstig zueinander ausgerichtet sind und keine prozesssichere Verschweißung gewährleistet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung der Steckwicklung vereinfacht wird, indem
- - im Schritt c) die radiale Anordnung von Verbindungsabschnitten nicht nur durch ein Paar von Verbindungsabschnitten, sondern jeweils durch alle radial hintereinander angeordneten Verbindungsabschnitte gebildet wird und
- - im Schritt d) mehrere Schweißverbindungen durch Laserschweißen auf den Stirnflächen der jeweiligen radialen Anordnung von Verbindungsabschnitten hergestellt werden, derart, dass jeweils mehrere Gruppen, insbesondere Paare, von verschweißten Verbindungsabschnitten hergestellt werden und dass jeweils zwei benachbarte, nicht verschweißte Verbindungsabschnitte zweier benachbarter Gruppen nicht aufgeschmolzene und einander zugewandte Randbereiche aufweisen.
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Mit anderen Worten werden also mit einem Werkzeug nicht nur in vielen einzelnen Schritten jeweils zwei Verbindungsabschnitte gegriffen und dann verschweißt, sondern es werden jeweils alle radial hintereinander angeordneten Verbindungsabschnitte gegriffen und dann in dieser gegriffenen, zusammengedrückten Anordnung mehrere separate Schweißverbindungen hergestellt. Dadurch entfallen eine Vielzahl von Greifschritten für das Greifwerkzeug, so dass die Herstellung der Statorwicklung vereinfacht, zeitlich verkürzt und damit kostengünstiger wird. Außerdem ist es aufgrund des engen Raumes für eine Greifvorrichtung einfacher, alle Verbindungsabschnitte einer radialen Anordnung zu greifen als lediglich zwei Verbindungsabschnitte. Bei einem Verzicht auf das Zusammendrücken der Verbindungsabschnitte durch die Greifvorrichtung würde das Risiko bestehen, dass beim erfindungsgemäßen Laserschweißen die Laserstrahlen Material von Leiterelementen an undefinierten Stellen aufschmilzt und die Statorwicklung dadurch zerstört oder beschädigt.
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Durch die Prozessreihenfolge „Umformen-Verschweißen-Einstellen des elektrischen Isolationsabstandes“ wird die ungewollte Torsion der Leiterenden verhindert, so dass die Leiterenden prozesssicherer verschweißt werden können.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn im Schritt 1c) nach dem Aneinanderdrücken der Verbindungsabschnitte die Stirnfläche der jeweiligen radialen Anordnung von Verbindungsabschnitten derart bearbeitet wird, dass eine bündige, über die jeweilige radiale Anordnung von Verbindungsabschnitten verlaufende Fläche entsteht. Auf diese Weise kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Schweißung sichergestellt werden, da keine axialen Höhenunterschiede zwischen den Verbindungsabschnitten bestehen, die sich negativ auf die Fokussierung des Lasers auswirken könnten.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Schweißverbindungen jeweils eine Schweißstelle mit einer Symmetrieachse umfassen, wobei die Symmetrieachse der Schweißstelle entsprechend der Abwinklung der Leiterenden abgewinkelt oder gekippt ist. Auf diese Weise sind gleiche Festigkeiten über alle Schweißverbindungen sichergestellt.
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Die Abwinklung der Leiterenden kann von der innersten radialen Lage zur äußersten radialen Lage oder von der äußersten radialen Lage zur innersten radialen Lage entweder konstant sein oder alternativ zunehmen.
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Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die Leiterenden im Bereich zwischen 3 Grad und 30 Grad bezüglich der Achse des Stators abgewinkelt werden.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schritt a) zur Herstellung einer Statorwicklung in einem Stator einer elektrischen Maschine,
- 2 einen erfindungsgemäßen weiteren Schritt b) zur Herstellung des Stators,
- 3 einen erfindungsgemäßen weiteren Schritt c) zur Herstellung des Stators,
- 4 einen erfindungsgemäßen weiteren Schritt d) zur Herstellung des Stators,
- 5 einen erfindungsgemäßen weiteren Schritt e) zur Herstellung des Stators und
- 6 eine Ansicht eines Stators mit einer Statorwicklung, bei der beispielhaft vier Paare von Verbindungsabschnitten in einer radialen Anordnung vorgesehen sind.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine Teilansicht eines Stators 1 einer elektrischen Maschine nach einem erfindungsgemäßen ersten Schritt zur Herstellung einer Statorwicklung 4 in dem Stator 1.
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Der Stator 1 weist Nuten 2 und in den Nuten 2 angeordnete Leiterelemente 3 der elektrischen Statorwicklung 4, insbesondere einer Steckwicklung, auf. Der Querschnitt der Leiterelemente 3 ist beispielsweise rechteckförmig. Jedes Leiterelement 3 weist eine nicht dargestellte elektrische Lackisolierung auf. Die Leiterelemente 3 können jeweils einen elektrischen Leiter umfassen. Alternativ können die Leiterelemente 3 jeweils mehrere elektrische Leiter haben, die zu einer Leiterelementeinheit zusammengefasst sind.
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Ein Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Anordnen der Leiterelemente 3 in den Nuten 2 des Stators 1. In 1 sind zur Veranschaulichung der Erfindung beispielhaft nur zwei der dargestellten Nuten 2 mit Leiterelementen 3 befüllt. Die übrigen Nuten 2 des Stators 1 werden selbstverständlich in analoger Weise mit Leiterelementen 3 befüllt und gemäß den erfindungsgemäßen Schritten behandelt. Die Leiterelemente 3, die in den folgenden Verfahrensschritten gemäß der Erfindung weiter bearbeitet werden, sind in den zwei beispielhaften Nuten 2 mit einer Volllinie und die übrigen Leiterelemente 3 gestrichelt dargestellt.
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Nach dem Schritt a) erfolgt in einem weiteren Schritt b) nach 2 ein Umformen, insbesondere ein sogenanntes Schränken, der aus den Nuten 2 vorstehenden Leiterenden 3.1 der Leiterelemente 3 derart, dass auf einer der beiden Stirnseiten des Stators 1 Gruppen 5, beispielsweise eines Paares 5, von zu verbindenden Leiterenden 3.1 zur Bildung der elektrischen Wicklung 4 gebildet sind. Die Leiterelemente 3 haben jeweils zumindest einen Verbindungsabschnitt 3.2 zum Verschweißen mit dem zumindest einen Verbindungsabschnitt 3.2 des zugeordneten Leiterendes 3.1 der jeweiligen Gruppe 5. Nach dem Umformen aller Leiterenden 3.1 des Stators 1 ist auf einer der beiden Stirnseiten des Stators 1 über den Umfang des Stators 1 gesehen eine Vielzahl von radialen Anordnungen 8 von in radialer Richtung bezüglich einer Achse 9 des Stators 1 gesehen hintereinander angeordneten Verbindungsabschnitten 3.2 gebildet.
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Nachfolgend erfolgt in einem weiteren Schritt c) nach 3 ein Aneinanderdrücken einer der radialen Anordnungen 8 von Verbindungsabschnitten 3.2 mittels eines Werkzeuges 10, insbesondere einer Greifvorrichtung 10.
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Weiter nachfolgend erfolgt in einem Schritt d) nach 4 ein Verschweißen von Verbindungsabschnitten 3.2 innerhalb der mittels des Werkzeugs 10 zusammengedrückten radialen Anordnung 8 unter Bildung einer Gruppe 5, nach dem Ausführungsbeispiel eines Paares 5, von verschweißten Verbindungsabschnitten 3.2. Die Gruppe 5 von Verbindungsabschnitten 3.2 ist durch eine Schweißstelle 11 miteinander verbunden.
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Alle auf einer der beiden Stirnseiten des Stators 1 liegenden Gruppen 5 bilden beispielsweise mehrere kreisförmige Anordnungen, wobei jede dieser Gruppen 5 auf einem der konzentrischen Kreise der kreisförmigen Anordnung angeordnet sind.
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Nach dem Schritt d) findet in einem Schritt e) nach 5 ein Einstellen des elektrischen Isolationsabstandes 12 zwischen den Gruppen 5 von Leiterenden 3.1 statt. Dies erfolgt, wie beispielhaft in 6 für eine radiale Anordnung 8 mit vier Gruppen 5 gezeigt, bezogen auf eine einzelne radiale Anordnung 8 durch Abwinkeln zumindest einer Gruppe 5 von Leiterenden 3.1, beispielsweise aller Gruppen 5 bis auf eine Gruppe, die innerhalb der radialen Anordnung 8 nicht abgewinkelt wird. Die nicht abgewinkelte Gruppe 5 von Leiterenden 3.1 kann innerhalb der einzelnen radialen Anordnung 8 in der radial innersten Lage, der radial äußersten Lage oder -sofern vorhanden- in einer der Lagen dazwischen liegen. Nach dem Ausführungsbeispiel in 5 gibt es zwei Lagen von Gruppen 5, wobei die radial innerste Lage nicht gekippt ist. Die Abwinklung der zumindest einen Gruppe 5 von Leiterenden 3 um einen Winkel α erfolgt in radialer Richtung, beispielsweise zu einem Joch 13 des Stators 1 hin. Der Winkel α der Abwinklung der Gruppen 5 kann von der Gruppe 5 in der innersten radialen Lage zur Gruppe in der äußersten radialen Lage oder umgekehrt zunehmen oder konstant sein.
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Der Isolationsabstand 12 entspricht jeweils wenigstens einem Mindestwert zur Erreichung einer ausreichenden elektrischen Durchschlagfestigkeit.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Schritt c) die radiale Anordnung 8 von Verbindungsabschnitten 3.1 jeweils durch alle radial hintereinander angeordneten Verbindungsabschnitte 3.1 gebildet ist. Weiterhin werden erfindungsgemäß im Schritt d) bezogen auf eine einzelne radiale Anordnung 8 mehrere Schweißverbindungen 11 durch Laserschweißen auf den Stirnflächen SF der jeweiligen radialen Anordnung 8 hergestellt, derart, dass jeweils mehrere Gruppen 5, insbesondere Paare 5, von verschweißten Verbindungsabschnitten 3.2 hergestellt werden und dass jeweils zwei benachbarte, nicht verschweißte Verbindungsabschnitte 3.2 zweier benachbarter Gruppen 5 nicht aufgeschmolzene und einander zugewandte Randbereiche 3.3 aufweisen. Durch die Randbereiche 3.3 wird sichergestellt, dass nicht zu verbindende Leiterelemente 3 einer radialen Anordnung 8 nicht unbeabsichtigt verschweißt werden.
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Im Schritt 1c) kann nach dem Aneinanderdrücken der Verbindungsabschnitte 3.2 die Stirnfläche der jeweiligen radialen Anordnung 8 derart bearbeitet werden, dass eine bündige, über die jeweilige radiale Anordnung 8 verlaufende Fläche entsteht.
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6 zeigt eine Ansicht eines Stators mit einer Statorwicklung, bei der beispielhaft vier Paare von Verbindungsabschnitten in einer radialen Anordnung vorgesehen sind.
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Die Schweißstellen 11 der gekippten Gruppen 5 von Leiterelementen 3 haben jeweils eine Symmetrieachse 15, die beispielsweise entsprechend der Abwinklung der Gruppen 5 von Leiterenden 3 abgewinkelt oder gekippt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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