DE102020106430A1

DE102020106430A1 - Verteilte Wicklung für einen Elektromotor mit nach außen und zurückgebogenen freien Enden, Elektromotor, Werkzeug zum Herstellen und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102020106430A1
Application number: DE102020106430.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Friedmann; Jürgen Feist; Stefan Wörner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verteilte Wicklung (1) für einen Elektromotor, mit einer aus einer Vielzahl von Drähten (2) aufgebauten hohlzylindrischen Wickelmatte (5), wobei jeder Draht (2) ein in Axialrichtung abstehendes erstes freies Ende (3) besitzt, das mit einem anderen / zweiten in Axialrichtung abstehenden freien Ende (4) eines/des Drahtes (2) zu verbinden ist, wobei die Wickelmatte (5) mehrlagig aufgebaut ist, und wobei das erste freie Ende (3) zur Kontaktierung mit dem anderen / zweiten Ende (4) radial außerhalb dieses anderen / zweiten Endes (4) und entgegen der Wickelrichtung der Wickelmatte (5) rückgebogen positioniert ist. Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor mit einer solchen Wicklung (1). Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug (7) zum Herstellen einer verteilten Wicklung (1) für einen Elektromotor, wobei eine erste Kulisse (8) zum Angreifen an wenigstens einem ersten freien Ende (3) des Drahtes (2) einer Wickelmatte (5) der verteilten Wicklung (1) ausgelegt ist, wobei das Werkzeug (7) eine Verfahrkurve (12) nach radial außen und entgegen der Wickelrichtung der Wickelmatte (5) vorgibt, um das erste Ende (3) des Drahtes (2) mit einem anderen / zweiten Ende (4) eines/des Drahtes (2) zu kontaktieren. Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen verteilten Wicklung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine verteilte Wicklung, wie eine Wellenwicklung, eine Hairpin-Wicklung oder eine I-Pin-Wicklung, für einen Elektromotor, mit einer aus einer Vielzahl von im Querschnitt rechteckigen Drähten aufgebauten hohlzylindrischen Wickelmatte, wobei jeder Draht ein in Axialrichtung abstehendes erstes freies Ende besitzt, das mit einem anderen / zweiten in Axialrichtung abstehenden freien Ende eines/des Drahtes zu verbinden ist, wobei die Wickelmatte mehrlagig aufgebaut ist.
Aus dem Stand der Technik gibt es bereits zahlreiche Wicklungen, auch Wellenwicklungen, für Elektromotoren. Diese sind jedoch immer aufwändig herzustellen, was zu hohe Kosten nach sich zieht. Es soll eine Verbesserung diesbezüglich erreicht werden und die bekannten Nachteile abgestellt oder wenigstens gemildert werden.
Bei einer gattungsgemäßen verteilten Wicklung wird dies im Sinne der Erfindung dadurch gelöst, dass das erste freie Ende radial außerhalb des anderen / zweiten (freien) Endes und entgegen der Wickelrichtung der Wickelmatte rückgebogen zur Kontaktierung mit dem anderen / zweiten Ende positioniert ist.
Eine vollautomatisch fertigbare Wicklung, bei geeignetem Werkzeug und daran angepasstem Verfahren, ist dann effizient herstellbar. Dies reduziert die Kosten radikal und ermöglicht eine Serienfertigung mit effizienten Mitteln, sogar eine Großserienfertigung bei dann geringen Kosten.
Im Kern der Erfindung steht also ein einlagiges Twisten / Verschränken von elektrischen Leitern in einem Stator. Es wird also auf das bewährte Erzeugen einer Drahtmatte beim (Wellen-)Wickeln gesetzt, wobei die darin enthaltenen Anfangs- und Enddrähte verarbeitet werden. Diese Drähte werden entsprechend eines gewünschten elektromechanischen Designs verschalten.
Jedenfalls wir nun immer ein Drahtpaar zusammengetwistet, z. B. ein radial weiter außenstehender Draht im Uhrzeigersinn, wobei ein radial weiter innen stehender Draht im Gegenuhrzeigersinn getwistet wird, bis die beiden Drahtenden zur Kontaktierung nebeneinanderstehen.
Durch die Erfindung wird es möglich, dass dem Umstand Rechnung getragen wird, dass bei der (Wellen-)Wicklung alle Drahtenden in einer Lage aus dem Stator herausstehen. Spezielle Typen an Schaltungen sind realisierbar, bei der die Hälfte der Drähte zu den anderen Hälften der Drähte getwistet werden. Es wird immer nur ein Draht im oder gegen den Uhrzeigersinn verschränkt, um das Drahtpaar anschließend zu kontaktieren.
Die Drahtenden, die verschränkt werden, werden aus der Lage radial nach außen gebogen und anschließend verschränkt. Diese Vorgehensweise funktioniert im Übrigen auch, wenn die Drahtenden ähnlich einer Haarpin-Anordnung aus zwei Lagen herausstehen.
Bedeutsam ist, dass hier Wert darauf gelegt wird, dass nur einer der beiden Drähte verschränkt wird. Die Wickelmatte ist im Stator gefügt. Am Ende der Wickelmatte zeigen ein oder mehrere Drahtenden nach oben. Für die Verschaltung kann ein oder mehrere Leiter in Wickelrichtung zurückgetwistet werden. Dies erfolgt:

1. Der Stator ist mit einer Drahtmatte bestückt, die Drahtenden zeigen axial aus dem Stator heraus. Die Drahtenden sind in Umfangsrichtung angeordnet.
2. Im Ausgangszustand werden die entsprechenden Leiter radial nach außen gebogen.
3. Die nach außen gebogenen Leiter werden entgegen der Wickelrichtung zum entsprechenden Gegenpart zurückgetwistet. Die entsprechend erzeugten Drahtpaare können kontaktiert werden.

Der Prozess selber erklärt sich dadurch, dass der Draht an einem unteren Ende, an dem er aus dem Stator herausragt, fixiert ist. Das dazu nötige Werkzeug weist die erforderlichen Biegeradien auf, die nach dem Twisten erforderlich sind. Am oberen Ende wird der Draht in eine Maske / Kulisse eingeführt.
Dabei gibt es zwei Möglichkeiten / Ausführungsformen, nämlich erstens, dass die Kulisse den Draht eben gerade nicht klemmt. Die Kulisse führt dabei eine Bewegung rein in Umfangsrichtung aus. Der Draht schiebt sich während der Bewegung in die Kulisse hinein, bis er seinen Hochpunkt erreicht. Anschließend zieht es ihn wieder heraus, bis die Biegung an der Endposition verbracht ist. Die Kulisse weist ebenfalls die Biegeradien auf, die der Draht nach der Biegung erhalten soll.
In einer zweiten Ausführungsform / Möglichkeit, wird der Draht jedoch am Statoraustritt durch die Kulisse geklemmt. Mit anderen Worten klemmt die obere Kulisse den Draht. Die Kulisse führt eine Bewegung in Umfangsrichtung und gleichzeitig eine Bewegung in axialer Richtung durch. Der Draht bewegt sich dabei eben gerade nicht relativ zur Kulisse. Auf den Draht wirken keine Zug- oder Druckkräfte, was von Vorteil ist. Die Biegung und Bewegung endet an der Endposition.
Mit Ausnahme der angesprochenen Abwandlungen, sind die beiden Varianten jedoch ähnlich bis identisch. Ein zweilagiges oder sogar davon sich unterscheidendes mehrlagiges Elektromotoren-Design lässt sich dann einfach realisieren. Das Herstellverfahren wird verbessert. Mit anderen Worten steht im Kern der Erfindung, dass die Drahtenden einer Wickelmatte, die in einem Stator zu verbauen ist oder verbaut ist, radial nach außen gebogen werden und getwistet / gefalten / gebogen werden, um interkonnektiert zu werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es bei einer erfindungsgemäßen verteilten Wicklung, wie Wellenwicklung, von Vorteil, wenn sich die beiden Enden in Radialrichtung überlappen und vorzugsweise miteinander fluchten. Der Interkonnektiervorgang ist dann verlässlicher und einfacher durchzuführen.
Auch hat es sich bewährt, wenn das erste freie Ende über zwei Radien rückgebogen ist. Dies ist unerwartet, da das Rückbiegen über zwei Radien erwartungsgemäß eher zu einer Schwächung des Drahtes hätte führen müssen, was jedoch nicht maßgeblich der Fall ist.
Um die (Wellen-)Wicklung noch effizienter herstellen zu können, ist es von Vorteil, wenn 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr erste freie Enden auf eine korrespondierende Anzahl von zweiten freien Enden rückgebogen sind.
Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen (Wellen-)Wicklung.
Auch betrifft die Erfindung ein Werkzeug zum Herstellen einer (Wellen-)Wicklung, (vorzugsweise) der erfindungsgemäßen Art, wobei eine erste Kulisse / Maske zum Angreifen an wenigstens einem ersten freien Ende des Drahtes einer Wickelmatte der (Wellen-)Wicklung ausgelegt ist, wobei das Werkzeug eine Verfahrkurve nach radial außen und entgegen der Wickelrichtung der Wickelmatte vorgibt, um das erste Ende des Drahtes mit einem anderen / zweiten Ende eines/des Drahtes zu kontaktieren.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die erste Kulisse Backen zum Halten des Drahtes derart besitzt, dass eine Längsverschiebung des Drahtes relativ zu den Backen ermöglicht bleibt oder (alternativ dazu) die erste Kulisse Backen besitzt, um den Draht zu klemmen, wobei in diesem Fall eine Längsverschieblichkeit der Backen relativ zum Draht ermöglicht ist. Theoretisch denkbar, aber wahrscheinlich impraktikabel, ist es, dass einige Backen nach der einen Art und andere Backen nach der anderen Art ausgelegt sind.
Es ist von Vorteil, wenn das Werkzeug eine solche Verfahrkurve vorgibt, die vollständig in einer senkrecht zur Axialrichtung der Wickelmatte verlaufenden Ebene verläuft oder zusätzlich bogenförmig aus dieser Ebene in Richtung der Verlängerung des Endes des Drahtes austritt und wieder in diese eintritt. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kulisse zum gleichzeitigen Angreifen an 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr freien Enden von Drähten vorbereitet ist. Eine besonders schnelle Herstellung wird dann ermöglicht.
Der Präzision ist es zuträglich, wenn ein Gegenhalter mit einer zweiten Kulisse vorhanden ist, der zum axial versetzten Angreifen an den von der ersten Kulisse kontaktierten Draht vorbereitet ist, wobei die zweite Kulisse Backen besitzt, die der Kontur in Richtung des freien Endes des Drahtes so angepasst sind, dass sie bei Verlagerung des Drahtes diese dem Draht aufzwingen.
Letztlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer (Wellen-)Wicklung, (vorzugsweise) der erfindungsgemäßen Art, für einen Elektromotor, wobei ein freies Ende eines Drahtes radial nach außen gebogen wird und entgegen der Wickelrichtung einer von der (Wellen-)Wicklung gebildeten Wickelmatte.
Dabei ist eine Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass zwei freie Enden miteinander verdrillt, verdreht, vertwistet, verschränkt und/oder verschweißt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung erläutert, wobei in den 1 bis 6 eine erste Ausführungsform einer (Wellen-)Wicklung im Vordergrund steht und in den 7 sowie 8 zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Werkzeuges angedeutet sind.
Es zeigen:

1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen (Wellen-)Wicklung in einem Stator für einen Elektromotor,
2 eine teilweise dargestellte Ansicht von oben auf die (Wellen-)Wicklung aus 1,
3 und 4 eine zu den 1 und 2 vergleichbare Darstellung der (Wellen-)Wicklung der 1 und 2 zu einem Zeitpunkt der dem in den 1 und 2 dargestellten Zustand nachgelagert ist,
5 und 6 eine weitere zeitlich nachgelagerte Zustandsdarstellung vergleichbar zu den 1 und 2 bzw. 3 und 4,
7 eine erste Ausführungsform einer in einem erfindungsgemäßen Werkzeug zum Herstellen der erfindungsgemäßen (Wellen-)Wicklung vorhandenen ersten Kulisse, und
8 eine zweite Ausführungsform eines Werkzeuges mit zu der Kulisse der 7 veränderten Kulisse und vorgegebenen Verfahrkurve.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen lassen sich untereinander austauschen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verteilten Wicklung 1 dargestellt. Die verteilte Wicklung 1 ist zum Einsatz in einem Elektromotor vorgesehen. Sie ist zum Einsatz in einem Stator vorgesehen und als Wellenwicklung ausgebildet. Sie besitzt eine Vielzahl von Drähten 2. Jeder Draht 2 besitzt ein erstes freies Ende 3. Es gibt ein zweites / weiteres freies Ende 4.
In der vorliegenden Ausführungsform werden letztlich sechs erste freie Enden 3 auf sechs zweite / weitere freie Enden 4 verlagert, wie in der Abfolge der 3 und 4 einerseits sowie der 5 und 6 andererseits offensichtlich wird:

In den 3 und 4 ist das radiale nach außen Biegen der freien Enden 3 zu erkennen. In den 5 und 6 ist das Rückbiegen entgegen der Wickelrichtung der durch die Drähte 2 gebildeten Wickelmatte 5 zu erkennen.

Es sei ergänzt, dass die Wickelmatte 5 in einem Halter 6 eingesetzt ist.
In den 7 und 8 ist ein Teil eines Werkzeugs 7 mit einer ersten Kulisse 8 und einer zweiten Kulisse 9 dargestellt. Die erste Kulisse 8 besitzt Backen 10, wobei die drei Backen 10 zu unterschiedlichen, hintereinander stattfindenden Zeitpunkten i, ii und iii dargestellt sind.
Ein Abstand 11 im Inneren einer Backe 10, die zum Halten des freien Endes 3 des Drahtes 2 ausgelegt ist, ist dabei so bemessen, dass kein Klemmen stattfindet, sondern eine Axialbeweglichkeit des Drahtes 2 in der Backe 10 gewährleistet bleibt. Dadurch wird bei dem entsprechenden Werkzeug der 7 eine Verfahrkurve 12 in einer Ebene, auf der alle freien Enden 3 der Drähte 2 senkrecht stehen und/oder die Axialrichtung der Wickelmatte 5 senkrecht steht, möglich.
Abweichend dazu ist in dem Werkzeug 7 nach 8 der Abstand 11 im Inneren einer Backe 10 so gewählt, dass ein Klemmen des freien Endes des Drahtes 2 stattfindet. Anders als in dem Werkzeug 7 der 7, ist in dem Werkzeug 7 der 8 eine Axialverfahrbarkeit der ersten Kulisse 8 vorgesehen und vorgegeben. Dadurch ergibt sich eine andere Verfahrkurve 12.
Es sei erläutert, dass jede Backe 10 eine erste Teilbacke 13 und eine zweite Teilbacke 14 besitzt. Die der zweiten Kulisse 9 zugewandte Innenkontur 15 der ersten Kulisse 8 gibt eine erste Biegung 16 des Drahtes 2 vor. Eine Innenkontur 17 der zweiten Kulisse 9 gibt eine zweite Biegung des Drahtes 2 vor.
Bezugszeichenliste

1: verteilte Wicklung / Wellenwicklung
2: Draht
3: erstes freies Ende
4: zweites / weiteres freies Ende
5: Wickelmatte
6: Halter
7: Werkzeug
8: erste Kulisse
9: zweite Kulisse
10: Backe
11: Abstand
12: Verfahrkurve
13: erste Teilbacke
14: zweite Teilbacke
15: Innenkontur der Backe der ersten Kulisse
16: erste Biegung des Drahts
17: Innenkontur der zweiten Kulisse
18: zweite Biegung des Drahts

Claims

Verteilte Wicklung (1) für einen Elektromotor, mit einer aus einer Vielzahl von im Querschnitt rechteckigen Drähten (2) aufgebauten hohlzylindrischen Wickelmatte (5), wobei jeder Draht (2) ein in Axialrichtung abstehendes erstes freies Ende (3) besitzt, das mit einem anderen / zweiten in Axialrichtung abstehenden freien Ende (4) eines/des Drahtes (2) zu verbinden ist, wobei die Wickelmatte (5) mehrlagig aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste freie Ende (3) radial außerhalb des anderen / zweiten Endes (4) und entgegen der Wickelrichtung der Wickelmatte (5) rückgebogen zur Kontaktierung mit dem anderen / zweiten Ende (4) positioniert ist.
Verteilte Wicklung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden freien Enden (3 und 4) in Radialrichtung überlappen.
Verteilte Wicklung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste freie Ende (3) über zwei Radien (16, 18) rückgebogen ist.
Elektromotor mit einer verteilten Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Werkzeug (7) zum Herstellen einer verteilten Wicklung (1) für einen Elektromotor, wobei eine erste Kulisse (8) zum Angreifen an wenigstens einem ersten freien Ende (3) des Drahtes (2) einer Wickelmatte (5) der verteilten Wicklung (1) ausgelegt ist, wobei das Werkzeug (7) eine Verfahrkurve (12) nach radial außen und entgegen der Wickelrichtung der Wickelmatte (5) vorgibt, um das erste Ende (3) des Drahtes (2) mit einem anderen / zweiten Ende (4) eines/des Drahtes (2) zu kontaktieren.
Werkzeug (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kulisse (8) Backen (10) zum Halten des Drahtes (2) derart besitzt, dass eine Längsverschiebung des Drahtes (2) relativ zu den Backen (10) ermöglicht bleibt oder die erste Kulisse (8) Backen (10) besitzt, den Draht (2) zu klemmen, wobei in diesem Falle eine Längsverschieblichkeit der Backen (10) relativ zum Draht (2) ermöglicht ist.
Werkzeug (7) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (7) eine solche Verfahrkurve (12) vorgibt, die vollständig in einer senkrecht zur Axialrichtung der Wickelmatte (5) verlaufenden Ebene verläuft oder zusätzlich bogenförmig aus dieser Ebene in Richtung der Verlängerung des Endes des Drahtes (2) austritt und wieder in diese eintritt.
Werkzeug (7) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kulisse (8) zum gleichzeitigen Angreifen an 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr freien Enden (3) von Drähten (2) vorbereitet ist.
Werkzeug (7) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenhalter mit einer zweiten Kulisse (9) vorhanden ist, der zum axial versetzten Angreifen an dem von der ersten Kulisse (8) kontaktierten Draht (2) vorbereitet ist, wobei die zweite Kulisse (9) Backen besitzt, die der Kontur in Richtung des freien Endes (3) des Drahtes (2) so angepasst sind, dass sie bei Verlagerung des Drahtes (2) die Kontur dem Draht (2) aufzwingen.
Verfahren zum Herstellen einer verteilten Wicklung (1) für einen Elektromotor, wobei ein freies Ende (3) eines Drahtes (2) radial nach außen und entgegen der Wickelrichtung einer von der verteilten Wicklung (1) gebildeten Wickelmatte (5) gebogen wird.