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Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum umfänglichen Positionieren einer Mehrzahl an Kupferstäben um eine Mittelachse M, die eine Axialrichtung A beschreibt, wobei die Kupferstäbe im Wesentlichen U-förmig mit einem ersten Schenkelabschnitt und einem zweiten Schenkelabschnitt ausgeformt sind.
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Bei der Herstellung von elektrischen Maschinen, beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren, geht es darum, den Montageprozess zu vereinfachen und gleichzeitig die Qualitätsparameter während des Montageprozesses zu verbessern. Hierbei ist zwischen in Wicklungs-Technologie hergestellten oder in Hair-Pin-Technologie hergestellten Statorelementen bzw. Rotorelementen zu unterscheiden. Die Hair-Pin-Technologie bietet die Möglichkeit die Leistungsdichte von Elektromotoren, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen sollen, zu erhöhen. Bei der Hair-Pin-Technologie werden speziell gebogene Kupferstäbe, die wegen ihrer Form auch als Hair-Pins bezeichnet werden, in axial verlaufende und innenumfänglich oder außenumfänglich angeordnete Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt.
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Im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff Kupferstab verwendet und auf den englischen Begriff Hair-Pin verzichtet. Kupferstäbe können unterschiedlich geformt sein. Zunächst ist zu unterscheiden zwischen U-förmig gebogenen Kupferstäben, die zwei im Wesentlichen parallele Schenkelabschnitte aufweisen, die von einem Querabschnitt miteinander verbunden werden. Die beiden Schenkelabschnitte sind im montierten Zustand der Kupferstäbe in die Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt. Neben den U-förmigen gibt es I-förmige Kupferstäbe, die also lediglich einen Schenkelabschnitt ausbilden und oberhalb des geraden Schenkelabschnitts eine irgendwie geartete Biegung aufweisen können. Ein I-förmiger Kupferstab ist in einer Nut des Statorelements bzw. Rotorelements gesteckt und steht nach oben frei heraus, um dort entsprechend des Schaltungsbildes angeschlossen zu werden.
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Die U-förmigen Kupferstäben können ihrerseits unterschieden werden in eine Variante, deren Schenkelabschnitte in gestecktem Zustand auf gleichen Radien bzw. Durchmessern bezogen auf die Mittelachse bzw. Drehachse des Statorelements bzw. Rotorelements liegen und in eine Variante, deren Schenkelschnitte in gestecktem Zustand auf unterschiedlichen Radien bzw. Durchmessern des Statorelements bzw. Rotorelements liegen. Die Kupferstäbe, die auf unterschiedlichen Radien gesteckt sind, können wiederum unterschieden werden in eine Variante, die auf benachbarten Layern bzw. innerhalb eines Levels gesteckt werden und in eine Variante, die auf nicht benachbarten Layern, als von einem Level zu einem anderen Level, gesteckt werden.
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Der Begriff Level ist am besten zu erklären aus Sicht von der Kupferstab-Variante, die U-förmig gebogen sind und auf unterschiedlichen und unmittelbar benachbarten Radien in dem Statorelement bzw. Rotorelement gesteckt sind. Hierbei wird der Radius, auf dem jeweils einer der Schenkelabschnitte gesteckt ist, als Layer bezeichnet. Auf dem benachbarten Radius in dem Statorelement bzw. Rotorelement befindet sich folglich der andere der beiden Schenkelabschnitte eines U-förmigen Kupferstabes, so dass dieser benachbarte Durchmesser einen anderen „Layer“ bildet. Zusammen werden diese beiden „Layer“ als „Level“ bzw. Stator-„Level“ bezeichnet. Die zuvor bereits erwähnten U-förmigen Kupferstäbe, die auf gleichen Radien gesteckt werden, werden folglich innerhalb eines Layer gesteckt.
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In jüngster Zeit werden verstärkt Anstrengungen unternommen die Hair-Pin-Technologie von einer überwiegend händischen oder auch halbautomatischen Fertigung hin zu einer weitestgehend automatisierten Fertigung zu entwickeln. Diese Montagemethoden sind sehr zeitaufwändig. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit der Bauteile verbunden mit geringen Bauteiltoleranzen führt eine händisch bzw. halbautomatische Fertigung zu hohen Taktzeiten und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu Beschädigungen der Bauteile, was eine hohe Ausschussrate zur Folge hat. Rotorelemente in Hair-Pin-Technologie herzustellen ist bereits seit geraumer Zeit bekannt, wie dies beispielsweise die
US 1 555 931 A beschreibt. Weiterhin ist in der
US 1 661 344 A eine Montagevorrichtung beschrieben, um Rotorelemente in Hair-Pin-Technologie herzustellen, wobei hiermit höchstens eine halbautomatische Montage durchgeführt werden kann. Strukturell betrachtet kann der Montageprozess unterteilt werden in
- 1. eine Vorpositionierung, bei der es zunächst gilt, die einzelnen Kupferstäbe sowohl relativ zueinander als auch insgesamt umfänglich anzuordnen. Hierbei haben die Kupferstäbe nach erfolgter Vorpositionierung noch nicht die zuvor beschriebene überlappende Position zueinander, die sie später in dem Statorelement bzw. Rotorelement haben müssen;
- 2. eine Positionierung mittels einer Positioniervorrichtung, der die Kupferstäbe in der vorpositionierten Anordnung übergeben werden und über die die Kupferstäbe in die überlappende Position gebracht werden und
- 3. den eigentlichen Montagevorgang, in dem die Kupferstäbe mittels einer weiteren Montagevorrichtung in das zu bestückende Statorelement bzw. Rotorelement eingeführt werden.
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Da es bei dem Montageprozess dann zu einer kurzen Taktzeit kommt, wenn möglichst viele Kupferstäbe gleichzeitig in die entsprechenden Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt werden, wäre es wünschenswert bereits bei der Vorpositionierung eine möglichst einfache Handhabung der Kupferstäbe sicherzustellen und die Gesamtheit der für die Bestückung eines Statorelements bzw. Rotorelements bereits zusammenzustellen. Eine hierfür verwendete Vorrichtung muss demnach ein einfaches und beschädigungsfreies Anordnen der Kupferstäbe ermöglichen, wobei die Kupferstäbe in dieser Anordnung sich zweckmäßigerweise noch nicht überlappen, sondern die Schenkelabschnitte jedes Kupferstabes in radialer Richtung zueinander bezogen auf eine Mittelachse
M angeordnet sind, wobei die Kupferstäbe in ihrer Gesamtheit um diese Mittelachse
M umfänglich angeordnet sind. Die Anordnung kann als aufgefächerte Anordnung bezeichnet werden. Erst mit der für die Positionierung vorgesehene Positioniervorrichtung werden die Kupferstäbe derart zueinander positioniert, dass sich benachbarte Kupferstäbe überlappen und der Gesamtheit der Kupferstäbe zu einem Korb zusammengestellt ist. Bezüglich der Positioniervorrichtung wird auf die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2016 221 355 A1 des gleichen Anmelders verwiesen. Weiterhin kann im Hinblick auf bereits bekannte Positioniervorrichtungen auf Stand der Technik verwiesen werden, der in den Dokumenten
AT 520 312 A4 ,
US 2019 / 0 103 792 A1 und
US 2018 / 0 183 307 A1 beschrieben wird.
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Mit dieser Positionierungsvorrichtung ist es problemlos möglich U-förmige Kupferstäbe, die im Statorelement bzw. Rotorelement in zwei benachbarten Layern zu einem Level gesteckt werden, zu einem Rotationskorb bzw. Drahtkorb in eine überlappende Stellung zu überführen, was auch als Eindrehen bezeichnet werden kann. Diese Vorrichtung ist aber dann nicht geeignet, wenn zusätzlich zu dieser Kupferstab-Variante noch die zuvor beschriebenen Sondervarianten der Kupferstäbe hinzugefügt werden müssen, um einen Rotationskorb für bestimmte Schaltungsbilder herzustellen, und wenn U-förmige Kupferstäbe nicht in benachbarte Layer eines Levels gesteckt werden sollen, sondern so gesteckt werden sollen, dass sie ein oder mehrere Layer überspringen, also von einem Level in ein anderes Level springen.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung bereit zu stellen, die sowohl Sondervarianten der Kupferstäbe, also auch Kupferstäbe, die beim Stecken Layer überspringen, in einem Arbeitsgang stecken und eindrehen kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Positioniervorrichtung zum umfänglichen Positionieren einer Mehrzahl an Kupferstäben um eine Mittelachse M, die eine Axialrichtung A beschreibt, wobei die Kupferstäbe im Wesentlichen U-förmig mit einem ersten Schenkelabschnitt und einem zweiten Schenkelabschnitt ausgeformt sind, umfassend
eine Grundplatte und eine auf der Grundplatte um die Mittelachse drehbare Kulissenscheibe und Übertragungselemente, die die Grundplatte und die Kulissenscheibe derart miteinander verbinden, dass sie jeweils in die Grundplatte um zur Mittelachse parallele Schwenkachsen schwenkbar eingesteckt sind und in der Kulissenscheibe in radiale Führungskulissen eingreifen, um bei einer Drehung der Kulissenscheibe in den Führungskulissen radial zu verfahren und gegenüber der Grundplatte um die jeweilige Schwenkachse zu verschwenken,
wobei die Übertragungselemente entlang der jeweiligen Schwenkachse ausgerichtete Aufnahmeräume zur Aufnahme eines der Schenkelabschnitte der Kupferstäbe aufweisen und umfänglich abwechselnd aus entgegengesetzter axialer Richtung in die Kulissenscheibe eingreifen.
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Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung ist in der Lage Kupferstäbe beispielsweise in drei Level, d.h. auf sechs unterschiedlichen Radien, in einen Arbeitsschritt zu stecken und einzudrehen. Hierzu werden die freien Enden dreier Kupferstäbe in jeweils einem Übertragungselement positioniert bzw. gesteckt, so dass die Schweckbewegung der Übertragungselemente bei Drehung der Kulissenscheibe auf die gesteckten Schenkelabschnitte der Kupferstäbe übertragen wird und diese sich eindrehen. Hierbei bedeutet Eindrehen, dass die nicht gesteckten freien Enden der Kupferstäbe, sich von einer radial äußeren Position bzw. einem größeren Umfang auf die radial innere Position der jeweils in dem Übertragungselement gesteckten freien Enden der Kupferstäbe verschwenken. Die gilt zumindest für U-förmige Kupferstäbe. I-förmige Kupferstäbe haben naturgemäße nur ein freies Ende und müssen folglich immer radial innen in einem Übertragungselement gesteckt sein. Allerdings ist die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung bei den I-förmigen Kupferstäbe insofern von Vorteil, da diese Kupferstäbe die U-förmigen Stäbe immer in axialer Richtung überragen, so dass die I-förmigen Kupferstäbe vor dem Eindrehen der U-förmigen Stäbe gesteckt werden müssen, da die Steckplätze der I-förmigen Stäbe nach dem Eindrehen in axialer Richtung verdeckt sind. Dadurch, dass die Übertragungselemente umfänglich abwechselnd aus entgegengesetzter axialer Richtung in die Kulissenscheibe eingreifen, werden die grundsätzlich vorhandenen Platzprobleme, durch die in Umfangsrichtung enge Platzierung der Kupferstäbe im eingedrehten Zustand, gelöst.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Übertagungselemente jeweils in kreisförmig um die Mittelachse M in der Grundplatte angeordneten Bohrungen eingesteckt sind. Die Position dieser Bohrungen entspricht letzten Endes der Position des Stator- und oder Rotorelements, in das der fertig eingedrehte Korb aus Kupferstäben, im weiteren Verlauf als Drahtkorb bezeichnet, eingesteckt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Übertragungselemente einen in der jeweiligen Schwenkachse angeordneten zylindrischen Abschnitt und einen von diesem auskragenden Schwenkarm aufweisen. Die zylindrischen Abschnitte bilden strukturell den Grundkörper der Übertragungselemente und weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Schwenkarme einstückig oder alternativ voneinander lösbar mit dem jeweiligen zylindrischen Abschnitt verbunden sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahmeräume in dem zylindrischen Abschnitt der Übertragungselemente ausgebildet sind. Hierdurch ist ein ausreichend stabiler und sicherer Halt der gesteckten freien Enden der Kupferstäbe fluchtend zu der Schwenkachse der Übertragungselemente gewährleistet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zylindrische Abschnitt zur einen Axialseite einen Haltestift trägt. Über diese Haltestifte können die Übertragungselemente sicher in den kreisförmig um die Mittelachse M angeordnete Bohrungen in der Grundplatte eingesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schwenkarm der Übertragungselemente entsprechend ihrer wechselseitigen Anordnung bezüglich der Kulissenscheibe endseitig einen weiteren Haltestift trägt, der dem ersten Haltestift gleichgerichtet ist oder dem ersten Haltestift entgegen gerichtet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1 eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung in einer möglichen Ausgestaltung;
- 2a), 2b) zwei Varianten von Übertragungselemente der Positioniervorrichtung gemäß 1;
- 3 eine Einzelheit eines Übertragungselements mit gesteckten Kupferstäben und
- 4a) bis 5b) eine Abfolge des Eindrehens von Kupferstäben mittels der Positioniervorrichtung gemäß 1.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 10 in einer möglichen Ausgestaltung. Die Positioniervorrichtung 10 ist zunächst ohne eingesteckte Kupferstäbe dargestellt. Die Positioniervorrichtung 10 umfasst eine Grundplatte 12, welche auch rahmenartig oder gehäuseartig ausgebildet sein kann. Auf der Grundplatte 12 ist eine um eine Mittelachse M drehbare Kulissenscheibe 14 gehalten. Hierzu können beispielsweise auf der Grundplatte 12 vertikale Führungsrollen 30 umfänglich unter einem jeweiligen Winkel von 120° angeordnet sein, so dass die Kulissenscheibe 14 innerhalb dieser Führungsrollen 30 bei einer Drehung geführt wird. Weiterhin können drei ebenfalls umfänglich und gleichmäßig versetzt zu den Führungsrollen 30 auf der Grundplatte angeordnete Auflager 32 vorgesehen sein, die die Kulissenscheibe 14 gegenüber der Grundplatte 12 halten. Als Drehantrieb, welcher vorliegend nicht dargestellt ist, kann ein pneumatisch oder elektrisch angetriebener Stellaktuator vorgesehen sein, der an einem äußeren Umfang der Kulissenscheibe 14 weitestgehend tangential angreift.
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Die Kulissenscheibe 14 bildet mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete und radial bezogen auf die Mittelachse M verlaufende Führungskulissen 18 aus. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verlaufsrichtung der Führungskulissen 18 unter einem gewissen Anstellwinkel bezogen auf die radiale Richtung steht. Die Führungskulissen 18 können, wie vorliegend dargestellt, als Durchbrüche in der Kulissenscheibe 18 ausgebildet sein. Alternativ ist aber auch denkbar die Führungskulissen als Nuten auszuführen.
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Weiterhin umfasst die Positioniervorrichtung 10 umfänglich angeordnete Übertragungselemente 16, die die Grundplatte 12 und die Kulissenscheibe 14 formschlüssig miteinander verbinden, so dass bei Drehung der Kulissenscheibe 14 eine Schwenkkinematik auf die Übertragungselemente 16 aufgeprägt werden kann. Die Übertragungselemente 16 greifen umfänglich abwechselnd aus entgegengesetzter axialer Richtung in die Kulissenscheibe 14 ein. Die Ausgestaltung der Übertragungselemente 16, insbesondere deren zwei zum Einsatz kommenden Varianten, welchen nachfolgend anhand der 2 erläutert. Die Übertagungselemente 16 sind jeweils in kreisförmig um die Mittelachse M in der Grundplatte 12 angeordneten Bohrungen 22 eingesteckt. Die Übertragungselemente 16 können in die Bohrungen 22 eingesteckt um jeweils eine Schwenkachse S verschwenkt werden.
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Die 2a) und 2b) zeigen in perspektivischer Darstellung jeweils das Übertragungselement 16 in den beiden vorgesehenen Varianten. Die 2a) zeigt die Variante des Übertragungselements 16 zum Einsetzen von oben in die Grundplatte 12 und die Kulissenscheibe 14. Die 2b) zeigt die Variante des Übertragungselements 16 zum Einsetzen von oben in die Grundplatte 12 und von unten in die Kulissenscheibe 14. In ihrem grundsätzlichen Aufbau entsprechen sind beide Varianten. Das Übertragungselement 16 weist einen zylindrischen Abschnitt 24 und einen von diesem auskragenden Schwenkarm 26 auf. Der zylindrische Abschnitt 24 liegt im montierten Zustand in der Schwenkachse S, um die das Übertragungselement 16 gegenüber der Grundplatte 12 verschwenken kann. Von dem zylindrischen Abschnitt 24 kragt in einem rechten Winkel der Schwenkarm 26 aus, der bei der Variante der 2a) überwiegen mittig und bei der Variante der 2b) überwiegend unten an dem zylindrischen Abschnitt 24 angreift. Die zylindrischen Abschnitte 24 beider Varianten weisen am axial unteren Ende einen ersten Haltestift 28 auf, über den das jeweilige Übertragungselement 16 schwenkbar in der Bohrung 22 der Grundplatte 12 gehalten ist. An dem Schwenkarm 26 ist endseitig ein zweiter Haltestift 34 angeordnet, wobei in der ersten Variante der 2a) der Haltestift 34 dem ersten Haltestift 28 gleichgerichtet ist und in der zweiten Varianten der 2b) der Haltestift 34 dem ersten Haltestift 28 entgegengerichtet ist.
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Außerdem ist in den 2a) und 2b) zu erkennen, dass der zylindrische Abschnitt 24 beider Varianten des Übertragungselements 16 einen nach oben hin offenen Aufnahmeraum 20 zur Aufnahme eines der freien Enden eines Kupferstabes 2 ausbildet, wie dies anhand weiterer Figuren noch näher erläutert wird.
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Die 3 zeigt eine der beiden Varianten des Übertragungselements 16, in dessen Aufnahmeraum 20 die jeweiligen Schenkelabschnitte 4 von drei Kupferstäben 2 gesteckt sind. Die Weite bzw. die Form jedes Aufnahmeraums 20 eines Übertragungselements 16 ist so ausgelegt, dass drei Schenkelabschnitt 2 mit einem geringen Spiel eingesteckt werden können und dann formschlüssig in dem Aufnahmeraum 20 derart einsetzen, dass ein Schwenken des zylindrischen Abschnitts 24 um die Schenkachse S zur Mitnahme der Schenkelabschnitte 2 führt, so dass auch die nicht gesteckten Schenkelabschnitte 4 entsprechend verschwenken. Denkbar ist es aber durchaus auch, dass eine von drei abweichende Zahl an Schenkelabschnitten 4 in den Aufnahmeraum 20 eingesetzt werden, so dass dann eine entsprechend geänderte Geometrie zur formschlüssigen Halterung um die Schwenkachse S vorgesehen ist.
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Die Abfolge der 4a) bis 4b) zeigt das Eindrehen von Kupferstäben 2, die zunächst mit ihren Schenkenabschnitten 4 und 6 in radialer Richtung in die Positioniervorrichtung 10 gesteckt sind, zu einem Drahtkorb 8, in dem die Schenkelabschnitte im Wesentlichen auf unmittelbar benachbarten Umfängen liegen und die Querabschnitte, die die Schenkelabschnitte miteinander verbinden, zumindest teilweise sich gegenseitig überlappen. In der 3a) ist dargestellt, wie die radial inneren Schenkelabschnitte 4 in die Aufnahmeräume 20 der Übertragungselemente 16 eingesteckt sind. Vorliegend sind die jeweiligen Schenkelabschnitte 4 von drei Kupferstäben 2 in einem Aufnahmeraum 20 aufgenommen.
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Die vorliegende gezeigte Anordnung von drei Schenkelabschnitte 2, die in einem Aufnahmeraum gesteckt sind, führt bezüglich aller gesteckten und zunächst noch aufgefächerten Kupferstäbe 2 dazu, dass jeweils drei Kupferstäbe 2 unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und die jeweils nächsten drei Kupferstäbe unter einer gewissen umfänglichen Lücke angeordnet sind.
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Das Eindrehen der Kupferstäbe 2 von der aufgefächerten Stellung, gezeigt in 3a), hin zu dem fertigen Drahtkorb 8, gezeigt in der 4b), wird bewirkt durch ein Verdrehen der Kulissenscheibe 14 um die Mittelachse M. Diese Drehung wird über die zweiten Haltestifte 34, die jeweils in den Führungskulissen 18 der Kulissenscheibe 14 eingreifen, und über den jeweiligen Schwenkarm 26 als ein Verschwenken auf die zylindrischen Abschnitte 24 der Übertragungselemente 16 um die jeweilige Schwenkachse S übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kupferstab
- 4
- Schenkelabschnitt
- 6
- Schenkelabschnitt
- 8
- Drahtkorb
- 10
- Positioniervorrichtung
- 12
- Grundplatte
- 14
- Kulissenscheibe
- 16
- Übertragungselement
- 18
- Führungskulisse
- 20
- Aufnahmeraum
- 22
- Bohrung
- 24
- zylindrischer Abschnitt
- 26
- Schwenkarm
- 28
- Haltestift
- 30
- Führungsrolle
- 32
- Auflager
- 34
- Haltestift
- M
- Mittelachse
- S
- Schwenkachse
