DE102019207865A1 - Winding needle, winding system for wire windings and method for producing a wire winding - Google Patents
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Abstract
Gemäß Ausführungsformen betrifft die Erfindung eine Wickelnadel (100) zur Zuführung eines zu wickelnden Drahtes (110) während eines Wickelprozesses zur Herstellung einer Drahtwicklung. Die Wickelnadel (100) ist als Hohlnadel ausgeführt, und der zu wickelnde Draht (110) wird durch die Wickelnadel (100) geführt. Die Wickelnadel umfasst einen Dehnungssensor (107) zur Erfassung einer Biegung der Wickelnadel (100).According to embodiments, the invention relates to a winding needle (100) for feeding a wire (110) to be wound during a winding process for producing a wire winding. The winding needle (100) is designed as a hollow needle, and the wire (110) to be wound is guided through the winding needle (100). The winding needle comprises a strain sensor (107) for detecting a bending of the winding needle (100).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wickelnadel zur Zuführung eines zu wickelnden Drahtes während eines Wickelprozesses zur Herstellung einer Drahtwicklung, ein Wickelsystem sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Drahtwicklung.The present invention relates to a winding needle for feeding in a wire to be wound during a winding process for producing a wire winding, a winding system and a method for producing a wire winding.
In der Elektrotechnik sind Spulen ein essentielles Element in einer Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise Elektromotoren, Transformatoren, Relais und anderen. Spulen können beispielsweise als eine Wicklung eines Stromleiters beispielsweise aus isoliertem Kupferdraht ausgeführt sein.In electrical engineering, coils are an essential element in a variety of applications such as electric motors, transformers, relays, and others. Coils can be designed, for example, as a winding of a current conductor, for example made of insulated copper wire.
Beispielsweise weist eine Drehstrom-Elektromaschine einen Rotor und einen Stator auf. Der Stator ist dabei üblicherweise aus einem Statorblechpaket und einer Drehstromwicklung aufgebaut.
Statoren mit unterschiedlichen Typen von Wicklungen, beispielsweise konzentrierten oder verteilten Wicklungen, können beispielsweise mit der Nadelwickeltechnologie hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird der Draht mit einer Wickelnadel, die als Hohlnadel ausgeführt ist, unter Drahtzug direkt in die Nuten des Stators gewickelt, wie in
Allgemeines Ziel bei einer Bewicklung ist das Erreichen eines möglichst gleichmäßigen Wicklungsaufbaus. Im besten Falle wird ein orthozyklischer Wicklungsaufbau erreicht, bei dem die Mittelpunkte der Drahtwindungen benachbarter Windungen jeweils an Positionen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. In diesem Fall kann ein hoher elektrischer Füllfaktor (Kupferfüllfaktor) erreicht werden. Dieser bewirkt eine Reduzierung der Leitungsverluste und damit eine Steigerung des Wirkungsgrads und eine Erhöhung der Leistungsdichte.The general aim of a winding is to achieve a winding structure that is as uniform as possible. In the best case, an orthocyclic winding structure is achieved in which the center points of the wire windings of adjacent windings are each arranged at positions of an equilateral triangle. In this case, a high electrical fill factor (copper fill factor) can be achieved. This brings about a reduction in line losses and thus an increase in efficiency and an increase in power density.
Allgemeine Nadelwickelverfahren werden beispielsweise in
Obwohl die Beschreibung sich im Wesentlichen auf die Herstellung von Drahtwicklungen an einem Stator bezieht, ist selbstverständlich, dass das beschriebene Verfahren und die beschriebenen Elemente auch auf die Herstellung von anderen Wicklungen, insbesondere von Wicklungen bei Rotoren aber auch auf Wicklungen bei anderen elektrischen Bauelementen anwendbar ist.Although the description essentially relates to the production of wire windings on a stator, it goes without saying that the described method and the described elements can also be used for the production of other windings, in particular windings for rotors but also for windings for other electrical components .
Der elektrische Füllfaktor ist ein wesentlicher Parameter, der über Leistungsdichte und Wirkungsgrad elektrischer Maschinen und Transformatoren bestimmt. Der elektrische Füllfaktor beschreibt das Verhältnis des Querschnitts aller Leiter zur Fläche des für die Drahtablage vorgesehenen Raums (z.B. Nut einer elektrischen Maschine). Eine Maximierung des elektrischen Füllfaktors ist für die Anwendung des Elektromotors als Traktionsantrieb in einem Elektroauto von entscheidender Bedeutung.The electrical fill factor is an essential parameter that determines the power density and efficiency of electrical machines and transformers. The electrical fill factor describes the ratio of the cross-section of all conductors to the area of the space provided for wire storage (e.g. the groove of an electrical machine). Maximizing the electrical fill factor is of crucial importance for the use of the electric motor as a traction drive in an electric car.
Um den elektrischen Füllfaktor zu maximieren, wird in automatisierten Wickelverfahren versucht, eine möglichst optimale Drahtablage zu erreichen. Dies kann beispielsweise unter Verwendung der Nadelwickeltechnik erreicht werden, bei der mit einer geführten Hohlnadel der Draht direkt in die Nut abgelegt wird. Dadurch ist eine exakte Drahtablage möglich. Durch die geschickte Ablage der Drähte in der Nut ist es möglich, den elektrischen Füllfaktor in der Nut zu optimieren.In order to maximize the electrical fill factor, an attempt is made in automated winding processes to achieve the best possible wire storage. This can be achieved, for example, using the needle winding technique, in which the wire is deposited directly into the groove with a guided hollow needle. This enables exact wire storage. By cleverly storing the wires in the slot, it is possible to optimize the electrical fill factor in the slot.
Entscheidend für das Wickelergebnis ist die während des Produktionsprozesses am Nadelaustritt wirkende Drahtzugkraft. Diese hat zum einen Einfluss auf den Drahtdurchmesser (plastische Deformation) und damit auf den Wicklungswiderstand. Weiterhin ist auch die für die genaue Drahtablage wichtige Drahtausrichtung entscheidend von der Drahtzugkraft abhängig.The wire tensile force at the needle outlet during the production process is decisive for the winding result. On the one hand, this has an influence on the wire diameter (plastic deformation) and thus on the winding resistance. Furthermore, that is important for the exact wire placement Wire alignment depends crucially on the wire tension.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wickelnadel, ein verbessertes Wickelsystem sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Drahtwicklung zur Verfügung zu stellen.The present invention is based on the object of providing an improved winding needle, an improved winding system and an improved method for producing a wire winding.
Gemäß Ausführungsform wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.According to an embodiment, the object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous refinements with expedient developments are specified in the dependent claims.
Gemäß Ausführungsformen wird eine Wickelnadel zur Zuführung eines zu wickelnden Drahtes während eines Wickelprozesses zur Herstellung einer Drahtwicklung zur Verfügung gestellt, wobei die Wickelnadel als Hohlnadel ausgeführt ist und der zu wickelnde Draht durch die Wickelnadel geführt wird. die Wickelnadel umfasst einen Dehnungssensor zur Erfassung einer Biegung der Nadel.According to embodiments, a winding needle for supplying a wire to be wound during a winding process for producing a wire winding is provided, the winding needle being designed as a hollow needle and the wire to be wound being guided through the winding needle. the winding needle comprises a strain sensor for detecting a bending of the needle.
Gemäß Ausführungsformen umfasst der Dehnungssensor einen oder mehrere, beispielsweise 2, 3 oder 4 Dehnmessstreifen.According to embodiments, the strain sensor comprises one or more, for example 2, 3 or 4, strain gauges.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Wickelsystem für Drahtwicklungen eine Wickelnadel zur Zuführung eines zu wickelnden Drahtes während eines Wickelprozesses zur Herstellung einer Drahtwicklung an einem Werkstück, wobei die Wickelnadel als Hohlnadel ausgeführt ist und der zu wickelnde Draht durch die Wickelnadel geführt wird. Das Wickelsystem umfasst weiterhin eine Einrichtung zur Messung einer Drahtzugspannung des zu wickelnden Drahts an dem Werkstück sowie eine Vorrichtung zur Einstellung einer Drahtzugspannung beim Wickelvorgang. Gemäß Ausführungsformen ist die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung unter Verwendung eines Messergebnisses, das von der Einrichtung zur Messung der Drahtzugspannung ermittelt wird, regelbar. Beispielsweise ist die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung derart regelbar, dass eine maximale Drahtzugspannung des zu wickelnden Drahts an dem Werkstück nicht überschritten wird.According to embodiments, a winding system for wire windings comprises a winding needle for feeding a wire to be wound during a winding process for producing a wire winding on a workpiece, the winding needle being designed as a hollow needle and the wire to be wound being guided through the winding needle. The winding system further comprises a device for measuring a wire tension of the wire to be wound on the workpiece and a device for setting a wire tension during the winding process. According to embodiments, the device for setting the wire tension can be regulated using a measurement result that is determined by the device for measuring the wire tension. For example, the device for setting the wire tension can be regulated in such a way that a maximum wire tension of the wire to be wound on the workpiece is not exceeded.
Beispielsweise ist die Wickelnadel als Hohlnadel ausgeführt, bei der der zu wickelnde Draht durch die Wickelnadel geführt wird. Die Einrichtung zur Messung der Drahtzugspannung weist einen Dehnungssensor zur Erfassung einer Biegung der Nadel auf. Die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung ist derart regelbar, dass eine maximal vorgegebene Biegekraft nicht überschritten wird.For example, the winding needle is designed as a hollow needle in which the wire to be wound is passed through the winding needle. The device for measuring the wire tension has a strain sensor for detecting a bending of the needle. The device for setting the wire tension can be regulated in such a way that a maximum predetermined bending force is not exceeded.
Der Dehnungssensor kann beispielsweise einen oder mehrere Dehnmessstreifen umfassen.The strain sensor can comprise one or more strain gauges, for example.
Gemäß Ausführungsformen kann die Vorrichtung zur Einstellung derart regelbar sein, dass ein vorgegebenes Biegekraftintervall eingehalten wird. Das Biegekraftintervall kann fest sein oder aber auch variieren.According to embodiments, the device for setting can be regulated in such a way that a predefined bending force interval is maintained. The bending force interval can be fixed or it can also vary.
Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung durch eine Regelvorrichtung regelbar sein. Die Regelvorrichtung kann die Regelung anhand einer auf die Wickelnadel wirkenden Biegekraft vornehmen, die unter Verwendung von Messergebnissen der Einrichtung zur Drahtzugspannung bestimmbar ist.For example, the device for setting the wire tension can be regulated by a control device. The control device can perform the control based on a bending force acting on the winding needle, which can be determined using measurement results from the device for wire tension.
Gemäß Ausführungsformen umfasst das Wickelsystem die Regelvorrichtung.According to embodiments, the winding system comprises the regulating device.
Gemäß Ausführungsformen kann der Dehnungssensor geeignet sein, die während des Wickelvorgangs auf die Wickelnadel durch die Drahtzugspannung wirkende Biegekraft zu bestimmen.According to embodiments, the strain sensor can be suitable for determining the bending force acting on the winding needle due to the wire tension during the winding process.
Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung eine Drahtzugbremse sein.For example, the device for setting the wire tension can be a wire brake.
Gemäß Ausführungsformen erfolgt ein Verfahren zur Herstellung einer Drahtwicklung an einem Werkstück unter Verwendung eines Nadelwickelverfahrens. Bei dem Verfahren wird eine Drahtzugspannung eines zu wickelnden Drahts an dem Werkstück erfasst. Die Drahtzugspannung beim Wickelvorgang wird unter Verwendung der gemessenen Drahtzugspannung geregelt. Beispielsweise wird die Drahtzugspannung derart geregelt, dass eine maximale Drahtzugspannung des zu wickelnden Drahts an dem Werkstück nicht überschritten wird.According to embodiments, a method for producing a wire winding on a workpiece is carried out using a needle winding method. In the method, a wire tension of a wire to be wound on the workpiece is detected. The wire tension during the winding process is controlled using the measured wire tension. For example, the wire tension is regulated in such a way that a maximum wire tension of the wire to be wound on the workpiece is not exceeded.
Gemäß Ausführungsformen ist eine Wickelnadel als Hohlnadel ausgeführt, und der zu wickelnde Draht wird durch die Wickelnadel geführt. Die Wickelnadel umfasst einen Dehnungssensor zur Erfassung einer Biegung der Nadel. Die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung ist derart regelbar, dass eine maximal vorgegebene Biegekraft nicht überschritten wird.According to embodiments, a winding needle is designed as a hollow needle, and the wire to be wound is guided through the winding needle. The winding needle includes a strain sensor for detecting a bending of the needle. The device for setting the wire tension can be regulated in such a way that a maximum predetermined bending force is not exceeded.
Beispielsweise wird durch das Verfahren eine Statorwicklung oder eine Rotorwicklung hergestellt. Zum Beispiel wird eine Statorwicklung für eine fremderregte Synchronmaschine hergestellt.For example, a stator winding or a rotor winding is produced by the method. For example, a stator winding is produced for a separately excited synchronous machine.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1A eine schematische Ansicht eines Stators bei Herstellung einer Wicklung; -
1B zeigt eine Querschnittsansicht des Stators bei Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wicklung; -
2A veranschaulicht eine Wickelnadel gemäß Ausführungsformen; -
2B zeigt eine perspektivische Ansicht der Wickelnadel; -
3 zeigt ein Wickelsystem gemäß Ausführungsformen.
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1A a schematic view of a stator in the manufacture of a winding; -
1B shows a cross-sectional view of the stator when performing a method of manufacturing a winding; -
2A illustrates a winding needle in accordance with embodiments; -
2 B Figure 3 shows a perspective view of the winding needle; -
3 shows a winding system according to embodiments.
Der Dehnungssensor
Der Dehnungssensor kann jedoch auch in beliebig anderer Form ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Dehnungssensor ein beliebiger Kraftsensor sein. Der Dehnungssensor kann beispielsweise auf piezoelektrischen, optischen, induktiven oder kapazitiven Messverfahren beruhen.The strain sensor can, however, also be designed in any other form. For example, the strain sensor can be any force sensor. The strain sensor can for example be based on piezoelectric, optical, inductive or capacitive measuring methods.
Bei der in den
Die Zugrichtung (αw, βw) enthält einerseits eine horizontale Komponente, den Horitzontal- oder Azimuthalwinkel αw, der in Bezug auf eine Achse
Die Drahtzugkraft Fw wirkt auf die Nadel
Gemäß Ausführungsformen ist es möglich, die Drahtzugkraft Fw und die Zugrichtung αw aus den Messsignalen δsg zu identifizieren. Simulationen der Wickelnadel unter Verwendung des Finite Elemente-Verfahrens zeigen ein lineares und symmetrisches Biege-Verhalten des Bauteils. Die Drahtzugkraft Fw und die Bauteildehnung δsg sind nach dem Hookeschen Gesetz direkt proportional. Beispielsweise lässt sich die Tragzugkraft aus den Dehnungssignalen wie folgt bestimmen:
Der Skalierungsfaktor κ wird durch jeden Dehnmessstreifen durch die Querschnittsfläche A des Bauteils und des Elastizitätsmoduls festgelegt. Abweichungen in der Beklebeposition werden durch den Faktor ξ korrigiert. Die Faktoren κ und ξ werden über eine Kalibrierung erlernt, da diese vorab nicht exakt bestimmt werden können. Abweichungen, beispielsweise in den Widerständen der Dehnmesstreifen, können so ausgeglichen werden.The scaling factor κ is determined by the cross-sectional area A for each strain gauge of the component and the modulus of elasticity. Deviations in the sticker position are corrected by the factor ξ. The factors κ and ξ are learned through a calibration, since they cannot be exactly determined in advance. Deviations, for example in the resistance of the strain gauges, can be compensated for.
Gemäß Ausführungsformen können zur Kalibrierung zuvor Referenz-Daten aufgenommen werden. Beispielsweise misst ein externer Kraftsensor die Zugkraft Fw für diskrete Kombinationen von αw und βw. Beispielsweise können die Parameter κ und ξ optimal angepasst werden, indem eine nichtlineare Optimierung auf Basis des Verfahrens der kleinsten quadratischen Abweichung angewendet wird und das globale Minimum einer Kostenfunktion wie folgt berechnet wird:
Wenn der Winkel βw aus den Messsignalen δsg nicht bestimmbar ist, kann dieser über ein geometrisches Simulationsmodell berechnet werden, beispielsweise unter Verwendung der Bauteilgeometrie und der Trajektorie der Wickelnadel im Raum.If the angle β w cannot be determined from the measurement signals δ sg , it can be calculated using a geometric simulation model, for example using the component geometry and the trajectory of the winding needle in space.
Gemäß Ausführungsformen ist die Vorrichtung
Das Werkstück kann beispielsweise der in den
In
Die Vorrichtung
Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Einstellung der Drahtzugspannung durch eine Regelvorrichtung
Gemäß Ausführungsformen kann der Dehnungssensor beispielsweise in der Lage sein, einen gemessenen Widerstand in eine Biegekraft oder Drahtzugspannung umzurechnen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch die Regelvorrichtung
Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Herstellung einer Drahtwicklung an einem Werkstück unter Verwendung eines Nadelwickelverfahrens, bei dem eine Drahtzugspannung eines zu wickelnden Drahts an dem Werkstück erfasst wird. Weiterhin wird die Drahtzugspannung beim Wickelvorgang unter Verwendung der gemessenen Drahtzugspannung geregelt. Beispielsweise kann die Drahtzugspannung derart geregelt werden, dass eine maximale Drahtzugspannung des zu wickelnden Drahts an dem Werkstück nicht überschritten wird. Beispielsweise kann die Wickelnadel beim Nadelwickelverfahren wie in den
Gemäß Ausführungsformen wird bei dem Verfahren eine Wickelnadel
Gemäß Ausführungsformen kann durch das Verfahren eine Statorwicklung oder eine Rotorwicklung hergestellt werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können jedoch auch beliebige Wicklungen für beliebige elektrotechnische Anwendungen hergestellt werden. Das Verfahren kann derart durchgeführt werden, dass die Drahtzugspannung entsprechend der Drahtzugkraft, die durch die Dehnungssensoren ermittelt wird, geregelt wird.According to embodiments, a stator winding or a rotor winding can be produced by the method. According to further embodiments, however, any desired windings can also be produced for any desired electrical engineering applications. The method can be carried out in such a way that the wire tension is regulated in accordance with the wire tension that is determined by the strain sensors.
Wie beschrieben worden ist, kann bei der beschriebenen Wickelnadel bzw. dem Wickelsystem oder dem Verfahren die Drahtzugkraft direkt vor dem Werkstück gemessen werden. Als Folge kann das Drahtzugkraftsignal dann für die Regelung der Drahtzugkraft eingesetzt werden. Beispielsweise kann durch gezielte Regeleingriffe an der Drahtzugbremse eine Verbesserung der Drahtzugkraft in Bauteilnähe vorgenommen werden. Als Folge wird die Produktqualität, insbesondere der elektrische Füllfaktor erhöht. Durch einen geregelten Drahtzug kann darüber hinaus eine plastische Deformation der Drähte kontrolliert und eine Widerstandserhöhung vermieden werden. Weiterhin kann durch eine positionsgenaue Ablage des Wickeldrahtes eine Erhöhung des elektrischen Füllfaktors erfolgen.As has been described, the wire tensile force can be measured directly in front of the workpiece with the winding needle or the winding system or the method described. As a result, the wire tension signal can then be used to regulate the wire tension. For example, targeted control interventions on the wire tensioning brake can improve the wire tension in the vicinity of the component. As a result, the product quality, in particular the electrical fill factor, is increased. A regulated wire tension can also control plastic deformation of the wires and avoid an increase in resistance. Furthermore, the electrical filling factor can be increased by placing the winding wire in a precisely positioned position.
Dies ist insbesondere bei einer fremderregten Synchronmaschine vorteilhaft, bei der der Rotor nadelgewickelte konzentrierte Wicklungen enthält. Eine genaue Drahtablage ist hier sowohl aus Gründen der Leistungsdichte als auch aus Gründen der mechanischen Festigkeit der Wicklungen sehr vorteilhaft. Als Ergebnis können elektrische Magneten mit Spulen im Rotor bereitgestellt werden, wodurch es möglich wird, Permanentmagnete, die auf seltenen Erdmaterialien basieren, durch Spulen zu ersetzen.This is particularly advantageous in a separately excited synchronous machine in which the rotor contains needle-wound concentrated windings. Precise wire storage is very advantageous here both for reasons of power density and for reasons of the mechanical strength of the windings. As a result, electric magnets with coils in the rotor can be provided, making it possible to replace permanent magnets based on rare earth materials with coils.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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R016 | Response to examination communication |