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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Biegeverdrehen von Kupferstäben.
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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. Der Querabschnitt hat hierbei eine Länge derart, dass er die beiden Schenkelabschnitte auf einen parallelen Abstand zueinander hält, der einem Vielfachen der Breite bzw. Dicke der Schenkelabschnitte entspricht. 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, bei der die Kupferstäbe 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 beschreibt. Weiterhin ist in der
US 1 661 344 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.
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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. Hierzu sei auf die noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung
10 2019 218 599.1 des Anmelders verwiesen, mit der U-förmige Kupferstäbe eingedreht werden können, die nicht lediglich in benachbarte Layer eines Levels gesteckt werden, sondern so gesteckt werden, dass sie ein oder mehrere Layer überspringen, also von einem Level in ein anderes Level springen.
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Allerdings werden neuerdings auch Schaltungsbilder für ein fertig bestücktes Statorelement bzw. Rotorelement gefordert, die einen Drahtkorb bzw. Rotationskorb verlangen, bei dem die endgültige Position der Kupferstäbe nicht durch ein Eindrehen aus einer aufgefächerten Stellung erzeugt werden kann, da es beim Eindrehen unweigerlich zu einer Kollision von Kupferstäben untereinander kommen würde.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein fertiger Drahtkorb erzeugt werden kann, der ohne Eindrehen aus einer aufgefächerten Stellung seine fertige Konfiguration erhält.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Biegeverdrehen von Kupferstäben, mit den Schritten
- - Bereitstellen einer Biegeverdrehvorrichtung mit einer Mittelachse M und einer Mehrzahl um die Mittelachse M umfänglich angeordnete und in radialer und in axialer Richtung sich erstreckende Aufnahmenuten;
- - Einstecken von mehreren Kupferstäben in jeweils eine der Aufnahmenuten derart, dass Schenkelabschnitte unterschiedlicher Kupferstäbe in der Aufnahmenut in radialer Richtung abwechselnd benachbart zueinander gesteckt sind;
- - gegenläufiges und synchrones Verdrehen um die Mittelachse M von unmittelbar in radialer Richtung benachbarten und konzentrisch um die Mittelachse M liegenden Steckbereichen der Kupferstäbe in den Aufnahmenuten.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Kupferstäbe in einem Ausgangszustand, das heißt für den Schritt des Einsteckens, einen schmalen Querabschnitt haben können. Ein schmaler Querabschnitt bedeutet, dass dieser im Wesentlichen U-förmig geformt ist und die Schenkelabschnitt mit einem geringen Abstand parallel zueinander verlaufen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich die eingangs beschriebene breite bzw. weite Form des Querabschnitts ausgehend von der schmalen U-Form, in der die Kupferstäbe in die Biegeverdrehvorrichtung eingesteckt wurden, herzustellen und zwar synchron für alle eingesteckten Kupferstäbe. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert kein Eindrehen von Kupferstäben aus einer aufgefächerten Stellung. Die breite bzw. weite Form des Querabschnitts wird über die Biegeverdrehvorrichtung letztlich durch ein paralleles Auseinanderziehen der beiden Schenkelabschnitte jedes Kupferstabs erreicht, so dass sich das die beiden Schenkelabschnitte verbindende Drahtstück zu dem endgültigen Querabschnitt ausbildet bzw. ausformt. Der Begriff Steckbereich meint den Querschnittsbereich innerhalb der Aufnahmenuten, durch den die gesteckten Schenkelabschnitte der Kupferstäbe hindurchgehen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass ein Steckbereich lediglich die Maße zum Stecken eines Schenkelabschnitts ausbildet oder alternativ die Maße zum Stecken mehrerer Schenkelabschnitte unmittelbar nebeneinander.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ein Einstecken von mindestens der Hälfte der axialen Länge eines jeden Schenkelabschnitts der Kupferstäbe in die Aufnahmenuten vor. Durch die axiale Länge der eingesteckten Schenkelabschnitte lässt sich die Breite bzw. Weite des Querabschnitts bestimmen. Bevorzugt ist ein geeignetes Klemmen der Schenkelabschnitte in den Aufnahmenuten der Biegeverdrehvorrichtung vorgesehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass Kupferstäbe in vier benachbarte und konzentrisch um die Mittelachse M liegende Steckbereich gesteckt werden. Hierdurch kann der einzelne Schritt des Einsteckens verhältnismäßig einfach gestaltet werden, beispielsweise mit einem einfachen Handhabungsgerät oder auch händisch.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ein Einstecken von vorgeformten Kupferstäben mit zwei weitestgehend parallel zueinander verlaufenden Schenkelabschnitten und einen die beiden Schenkelabschnitte miteinander verbindenden U-förmigen Querabschnitt vor.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ein Einstecken von zwei Kupferstäben eines ersten Typs und eines Kupferstabes eines zweiten Typs in jeweils jede der Aufnahmenuten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ein Vorformen des zweiten Typs der Kupferstäbe derart, dass in dem Übergang von den in die Aufnahmenut eingesteckten Schenkelabschnitten zu dem über die Aufnahmenut frei herausragenden Abschnitt eine Abwinkelung in Umfangsrichtung bezogen auf die Mittelachse M eingebracht wird. Die leichte Abwinkelung sorgt dafür, dass sich die U-förmigen Querabschnitte der Kupferstäbe nach dem Einstecken in die Biegeverdrehvorrichtung gegenseitig nicht behindern.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Schenkelabschnitte des zweiten Typs der Kupferstäbe zwei unmittelbar benachbarte Schenkelabschnitte der Kupferstäbe des ersten Typs in radialer Richtung überspannend eingesteckt werden.
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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
- 1a) eine Darstellung eines fertig zusammengesteckten Drahtkorbs;
- 1a) eine simulierte Darstellung eines kollisionsbehafteten Eindrehens des Drahtkorbs nach 1a);
- 2a), 2b) Darstellungen einer Biegeverdrehvorrichtung mit eingesteckten Kupferstäben;
- 3 Draufsicht der Biegeverdrehvorrichtung nach 2a), 2b);
- 4, 5 Ausgangsposition und Endposition der Biegeverdrehvorrichtung mit eingesteckten Kupferstäben.
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Die 1a) und 1b) zeigen zunächst einen Ausschnitt eines Drahtkorbs 2, bestehend aus Kupferstäben 4, die in drei Level bzw. in sechs Layer angeordnet sind. Nicht dargestellt ist ein Rotorelement bzw. Statorelement, in dem der fertige Drahtkorb 2 schlussendlich aufgenommen ist. Die 1a) zeigt die sich gegenseitig überlappende Anordnung der Kupferstäbe 4 untereinander. Insbesondere ist zu erkennen, dass die mittig gesteckten Kupferstäbe 4 sowohl nach radial außen als auch nach radial innen jeweils zwischen die Schenkelabschnitte 6 der äußeren Reihe Kupferstäbe 4 und die innere Reihe Kupferstäbe 4 greifen. Dieses besondere Schaltbild der Kupferstäbe 4 führt unter anderem dazu, dass die Kupferstäbe 4 nicht aus einer aufgefächerten Position zu einem fertigen Drahtkorb 2 eingedreht werden können. Ein Eindrehen würde dann nämlich zur Kollision der oder gewisser Kupferstäbe 4 untereinander führen, wie dies in der 2b) aufgrund einer Simulation dargestellt ist. Die Kollisionen würden sich in erster Linie im Bereich der Querabschnitte 8, die die beiden Schenkabschnitte 6 eines Kupferstabs 4 jeweils miteinander verbinden, ergeben.
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Die 2a) und 2b) zeigen ausschnittsweise eine Biegeverdrehvorrichtung 10, wobei in der 2a) exemplarisch lediglich drei Kupferstäbe 4 eingesteckt sind und in der 2b) über den Umfang der Biegedrehvorrichtung 10 weitere 3er-Gruppen von Kupferstäben 4 eingesteckt wurden. Die Kupferstäbe 4 werden in Aufnahmenuten 12 der Biegeverdrehvorrichtung 10 gesteckt. Die Aufnahmenuten 12 sind um eine Mittelachse M der Biegeverdrehvorrichtung 10 umfänglich angeordnet und erstrecken sich in radialer und in axialer Richtung. Die Aufnahmenuten 12 können ihrerseits unterteilt werden in Steckbereiche 14 bzw. Steckplätze für jeden der gesteckten Schenkelabschnitte 6. Letztlich handelt es sich also bei dem Begriff Steckbereich 14 um eine positionsbezogene Unterteilung der gesamten Aufnahmenut 12 in radialer Richtung. Bezüglich der Steckbereiche 14 kann einerseits vorgesehen sein, dass benachbarte Steckplätze 14 über eine Wandung 16 voneinander getrennt sind oder andererseits vorgesehen sein, dass zwei benachbarte Steckplätze ohne eine Wandung ineinander übergehen. Bei der vorliegend beschriebenen Biegeverdrehvorrichtung 10 sind sechs in der Aufnahmenut 12 angeordnete Steckplätze 14 angeordnet. In Abhängigkeit des Schaltungsbildes, welches der fertige Drahtkorb 2 realisiert, kann auch eine andere Anzahl Steckplätze 14 in jeder der Aufnahmenuten 12 vorgesehen sein.
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Anhand der 2a) ist zu erkennen, dass die Schenkelabschnitte 6 der drei Kupferstäbe 4 jeweils abwechselnd benachbart in die Aufnahmenut 12 eingesteckt sind. Konkret bedeutet dies vorliegend, dass der erste und der zweite Kupferstab 4 mit zwei Schenkelabschnitt unmittelbar benachbart gesteckt sind und der dritte Kupferstab mit einem Schenkelabschnitt zwischen die Schenkelabschnitte des ersten Kupferstabes und mit dem anderen Schenkelabschnitt zwischen die Schenkelabschnitte des zweiten Kupferstabes gesteckt ist. Zu Vermeidung von Platzproblemen bildet vorliegend der dritte Kupferstab 4, also der intermittierend zwischen den beiden ersten Kupferstäben gesteckte, eine Abwinkelung in Umfangsrichtung bezogen auf die Mittelachse M aus, die in dem Übergang von den in die Aufnahmenut 12 eingesteckten Schenkelabschnitten 6 zu dem über die Aufnahmenut 12 frei herausragenden Abschnitt angebracht ist.
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Die 3 zeigt in einer Draufsicht einen Ausschnitt der Biegeverdrehvorrichtung 10 mit mehreren Aufnahmenuten 12 und in diesen befindliche Steckbereiche 14. Die Steckplätze 14 in den Aufnahmenuten 12 sind verschiedentlich um die Mittelachse M drehbar und zwar immer derart, dass auf einem Umfang um die Mittelachse M angeordnete Steckbereiche 14 immer gemeinsam drehbar sind, also eine Einheit bilden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass sie gemeinsam auf einem geeignet ausgebildeten Drehring der Biegedrehvorrichtung 10 ausgebildet sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun ein gegenläufiges und synchrones Verdrehen um die Mittelachse M von unmittelbar in radialer Richtung benachbarten und konzentrisch um die Mittelachse M liegenden Steckbereichen 16 vorgesehen. Die jeweilige Drehorientierung ist in der 3 durch jeweilige Pfeile symbolisiert. Vorliegend ist vorgesehen, dass die beiden radial äußeren Steckbereiche 14 gemeinsam in eine Richtung drehbar sind. Der dritte Steckbereich 14 von radial außen betrachtet ist entgegengesetzt gerichtet drehbar und demgegenüber ist der radial nächst innere Steckbereich 14 abermals entgegengesetzt gerichtet drehbar. Schließlich sind die beiden radial inneren Steckbereiche 14 wiederum gemeinsam drehbar und zwar entgegengesetzt gerichtet bezüglich dem radial nächst äußeren Steckbereich 14.
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Die 4 zeigt eine Ausgestaltung der Biegeverdrehvorrichtung 10 und eine Mehrzahl von Kupferstäben 4, die aus einer axialer Richtung in die Aufnahmenuten 12 eingesteckt wurden. Indem nun ausgehend von Ausgangsposition, in der die Kupferstäbe 4 in die Aufnahmenuten 12 eingesteckt wurden, eine Verdrehung der Biegeverdrehvorrichtung 10, wie sie zu der 3 beschrieben wurde, ausgeführt wird, werden die beiden Schenkelabschnitte jedes Kupferstabes 4 entlang der Bahn des jeweiligen Steckbereichs 14 auseinandergezogen, so dass sich die frei nach oben herausragenden Abschnitte der Schenkelabschnitte 6 umbiegen und hieraus der endgültige Querabschnitt 8 gebildet wird.
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Die 5 zeigt schließlich die Biegeverdrehvorrichtung 10 nach ausgeführter Verdrehbewegung, so dass in dieser Endposition die Querabschnitte 6 aller Kupferstäbe endgültige ausgeformt sind und sich nach einem bestimmten Muster gegenseitig überlappen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun möglich fertige Drahtkörbe 2 herzustellen, die ein derartigen Schaltbild realisieren, bei dem es im Drahtkorb 2 zu solchen Überlappungen der Querabschnitt 8 der Kupferstäbe 6 kommt, die ein herkömmliches Eindrehen der Kupferstäbe 4 aus einer aufgefächerten Stellung nicht erlauben, da es sonst zu Kollisionen der Kupferstäbe 4 bzw. deren Querabschnitte 6 untereinander kommen würde.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Drahtkorb
- 4
- Kupferstab
- 6
- Schenkelabschnitt
- 8
- Querabschnitt
- 10
- Biegeverdrehvorrichtung
- 12
- Aufnahmenuten
- 14
- Steckbereich
- 16
- Wandung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1555931 [0006]
- US 1661344 [0006]
- DE 102016221355 A1 [0007]
- DE 102019218599 [0008]
