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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden bei der Herstellung einer elektrischen Maschine.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Positionieren und Bearbeiten von Drahtenden bei der Herstellung einer elektrischen Maschine.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bei der Herstellung von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Elektromotoren, Generatoren und/oder Transformatoren, müssen in bestimmten Baugruppen Drähte, welche als elektrische Leiter beispielsweise in Spulen von Statoren und/oder Rotoren verwendet werden, angeordnet und bearbeitet werden.
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Im Gegensatz zu den aus Schulbüchern bekannten Beispielen solcher Baugruppen werden bei marktüblichen elektrischen Maschinen häufig anstatt eines durchgehenden einzelnen Drahtes eine Vielzahl von Drähten verwendet und optimierte Wicklungstechniken angewandt, um vor allem ein möglichst optimales elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Die einzelnen Drähte müssen dann an ihren Drahtenden untereinander verbunden werden, um die gewünschte Wicklung zu erzeugen.
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Insbesondere bei der Wicklung von Statoren von Elektromotoren kommen heutzutage vermehrt Flachdrähte wie Hairpins oder I-Pins zum Einsatz.
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Derartige Flachdrähte weisen typischerweise einen gebogenen meist zentralen Bereich sowie zwei Drahtenden auf und sind in einer genau vorbestimmten Form gestaltet, um die Wicklung des Stators möglichst eng auszuführen. In einem oder mehreren weiteren Prozessschritten werden die Drahtenden der einzelnen Flachdrähte dann untereinander verbunden.
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Bei sämtlichen Prozessschritten, in welchen die Drahtenden weiterverarbeitet werden, müssen die Drahtenden mit höchster Präzision zueinander positioniert werden, um Herstellungsfehler zu vermeiden. Zu derartigen Prozessschritten, die eine präzise Positionierung benötigen, gehören Schritte wie das Entisolieren, das Schneiden und/oder das Fügen der Drahtenden, wobei beim Fügen vor allem an Schweißen und Löten zu denken ist.
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Hinsichtlich der Positionierung der Drahtenden hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Wicklung der Drähte und der zum Teil relativ großen Drahtdicke eine beträchtliche Krafteinwirkung nötig ist, um die Drahtenden in eine geeignete Position zu drücken, um die weiteren Prozessschritte durchführen zu können.
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Aus dem Stand der Technik ist daher bekannt, eine mehrteilige Spannvorrichtung auf der zu bearbeitenden Baugruppe, wie einem Stator, zu montieren, mit welcher die Drahtenden positioniert werden.
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Derartige Spannvorrichtungen umfassen zwei aufeinander liegende und zueinander verdrehbare Scheiben, die jeweils miteinander fluchtende Öffnungen zur Durchführung aller Drahtenden aufweisen. Nachdem die Drahtenden durch die Öffnungen hindurch geführt wurden, werden die Scheiben verdreht, sodass die Drahtenden zwischen den nunmehr weniger überlappenden Öffnungen eingeklemmt werden.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass zum Betätigen der Spannvorrichtung sehr hohe Kräfte notwendig sind, die zur Beschädigung einzelner Drahtenden führen können. Zudem blockieren die Scheiben, sobald ein Drahtende Maßabweichungen oder Fehlstellungen aufweist und nicht alle Drahtenden werden vollständig umschlossen.
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Weitere im Markt bekannte Spannvorrichtungen, welche kleinteilige Blechsegmente zum Spannen nutzen, benötigen in mindestens drei Lagen angeordnete Blechsegmente, um die Drahtenden in Position zu bringen. Dies bedingt einen materiellen Mehraufwand sowie eine schwierigere Handhabung der Spannvorrichtung durch die Vielteiligkeit. Zudem haben derartige Spannvorrichtungen bei gleich dicken Blechsegmenten eine um 50% größere Dicke, da anstatt nur zwei Lagen drei Lagen zum vollständigen Umschließen der Drahtenden nötig sind. Um dieses Maß muss bei der Verwendung derartiger Spannvorrichtungen die Länge der Drahtenden der elektrischen Maschine größer ausfallen.
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Andere Spannvorrichtungen sind als aufwendige Konstruktionen mit Einzelgreifern für die jeweiligen Drahtenden ausgestaltet. Allerdings sind hier der große Platzbedarf und die hohen Kosten von Nachteil.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Positioniervorrichtung zum Positionieren der Drahtenden bei der Herstellung einer elektrischen Maschine anzugeben, welche einigen der oben genannten Nachteile Rechnung trägt. Insbesondere soll die Positioniervorrichtung in der Lage sein, das Positionieren der Drahtenden mit verbesserter Prozesssicherheit zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden bei der Herstellung einer elektrischen Maschine, umfassend
- a) mindestens eine Positioniereinheit, die
- b) ein Ausrichtelement und ein Gegenausrichtelement aufweist, die in zwei Lagen übereinander angeordnet und entlang eines Verschiebepfades relativ zueinander verschiebbar sind, wobei sie sich zumindest teilweise überlagern oder überlagern lassen,
- c) wobei das Ausrichtelement mindestens eine Durchgangsausnehmung aufweist und das Gegenausrichtelement mindestens eine Gegendurchgangsausnehmung aufweist, welche derart angeordnet und ausgelegt sind, dass ein lichter Positionierdurchgang senkrecht zu den beiden Lagen des Ausrichtelements und des Gegenausrichtelements verbleibt, durch welchen sich mindestens ein Drahtende hindurch erstrecken kann und dessen Querschnitt, insbesondere dessen Querschnittsfläche, durch eine Verschiebung der Ausricht- und Gegenausrichtelemente zueinander veränderbar ist,
wobei - d) die mindestens eine Durchgangsausnehmung an dem Ausrichtelement und die mindestens eine Gegendurchgangsausnehmung an dem Gegenausrichtelement jeweils zwei geradlinige Randabschnitte aufweisen, die in der jeweiligen Lage schiefwinklig zur Richtung der Verschiebung verlaufen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es für eine verbesserte Positionierung der Drahtenden wichtig ist, in welcher Richtung das Ausrichtelement und das Gegenausrichtelement zueinander im Hinblick auf zwei geradlinige Randabschnitt der Durchgangsausnehmung und der Gegendurchgangsausnehmung verschoben werden.
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Grundsätzlich arbeiten die Positioniereinheiten der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung mit zwei meist im Wesentlichen plattenförmigen (ggf. auch gekrümmten) Ausrichtelementen, dem Ausrichtelement und dem Gegenausrichtelement. An diesen sind jeweils zusammenarbeitende Durchgangsausnehmungen und Gegendurchgangsausnehmungen vorgesehen, welche in einer Schließposition zusammen einen lichten Positionierdurchgang durch beide Ausrichtelemente hindurch bereitstellen.
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Die Durchgangsausnehmungen wiederum weisen mindestens zwei geradlinige Randabschnitte auf, die als Stirnflächen der Ausrichtelemente an den zu positionierenden Drahtenden anliegen können, wenn die zu positionierenden Drahtenden, die häufig zu einzelnen Drahtendengruppen von zwei oder mehr zu positionierenden Drahtendengruppen vorliegen, durch die jeweiligen Durchgangsausnehmungen und Gegendurchgangsausnehmungen geführt werden. Die Randabschnitte eines Ausrichtelements sind dabei so zueinander angeordnet, dass sie grob entgegen der Verschieberichtung der Ausrichtelemente zusammenlaufen. D.h. der lichte Positionierdurchgang verkleinert sich durch die Verschiebung der beiden Ausrichtelemente gegeneinander.
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Wird nun der Verschiebepfad so gewählt, dass die Richtung des Verschiebepfades schiefwinkelig, d.h. nicht parallel und nicht senkrecht, zu den beiden geradlinigen Randabschnitten verläuft, so wirkt auf die Drahtenden eine Kraft, welche diese nach und nach beim Übergang der Ausrichtelemente in die Schließposition an die gewünschte Stelle bewegt, wobei die Drahtenden aber noch entlang der Randabschnitte entlang gleiten können.
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Die senkrechten Stirnflächen der Randabschnitte des Ausrichtelements legen sich somit analog zu denjenigen des Gegenausrichtelements an zwei gegenüberliegenden Flächen der gruppierten Drahtenden an. Durch das Zusammenwirken der beiden Randabschnitte einer Durchgangsausnehmung mit den beiden Randabschnitten der zugehörigen Gegendurchgangsausnehmung wird also gegen Ende des Positioniervorgangs die Position der Drahtenden festgelegt.
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Die Bewegung der Ausrichtelemente der ersten und zweiten Lage wird somit so lange ausgeführt, bis die vier Flächen des Drahtendes oder der Drahtendengruppe von jeweils zwei Seiten der Durchgangsausnehmungen in den beiden Ausrichtelementen umschlossen sind und eine weitere Bewegung der Ausrichtelemente blockieren.
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Grundsätzlich muss für den Erfindungsgedanken die Verschiebung der beiden Ausrichtelemente zueinander nur zumindest eine Richtungskomponente entlang der beiden übereinander angeordneten Lagen aufweisen, um die Verschiebung in eine Schließstellung zu bewirken. D.h. die Ausrichtelemente könnten sich gleichzeitig auch derart schräg aufeinander zu bewegen, dass sich die Lagen der beiden Ausrichtelemente aufeinander zu bewegen. Vorzugsweise wird der Verschiebepfad jedoch vollständig parallel zu den beiden Lagen der Ausrichtelemente verlaufen.
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Als Richtung des Verschiebepfades kann die Tangente an den Verschiebepfad angesehen werden.
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Durch die Wahl des schiefen Winkels können die Drahtenden mit nur zwei Lagen an Ausrichtelementen genau positioniert werden. Die Vorrichtung kann daher deutlich leichter und flacher hergestellt werden und die insgesamt angewandte Kraft, die für die Positionierung nötig ist, kann verringert werden.
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Zudem können vorzugsweise mehrere Positioniereinheiten vorgesehen werden, sodass zur Positionierung einer gleichen Anzahl von Drahtenden innerhalb einer Positioniereinheit weniger Kraft angewandt werden muss, da sich dann die Anzahl der notwendigen Durchgangsausnehmungen je Positioniereinheit reduzieren lassen.
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Insbesondere können aber auch auftretende Maßabweichungen von zu bearbeitenden Drähten ausgeglichen werden. Durch eine verbesserte Wärmeableitung und eine kompakte Bauweise der Vorrichtung kann der Materialverbrauch durch Drähte der elektrischen Maschine reduziert werden.
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Als Positionieren der Drahtenden kann sowohl das positionieren der Drahtenden zueinander, z.B. das Zusammenpressen von zwei Drahtenden, betrachtet werden, als auch das Positionieren der Drahtenden relativ zu anderen Drahtenden oder anderen Komponenten der elektrischen Maschine.
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Für die Erfindung kommt es grundsätzlich nicht darauf an, ob das Gegenausrichtelement gegenüber einem ortsfest angeordneten Ausrichtelement verschoben wird oder umgekehrt, da die beiden Ausrichtelemente nur relativ zueinander verschiebbar sein müssen. Besonders vorteilhaft kann die Positioniereinheit sogar schwimmend gegenüber den Drahtenden gelagert sein, sodass beide Ausrichtelemente sich bei der Verschiebung zueinander bewegen und sich die Positioniereinheit selbst über eine Vielzahl von Drahtenden bezüglich des Bauteils der elektrischen Maschine anordnet.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Verschiebepfad geradlinig ist.
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Obwohl grundsätzlich auch gekrümmte oder mäandrierende Verschiebepfade denkbar sind, stellt eine lineare Bewegung des Ausrichtelements zum Gegenausrichtelement eine einfachere Konstruktion dar.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die beiden geradlinigen Randabschnitte der mindestens einen Durchgangsausnehmung und/oder der Gegendurchgangsausnehmung senkrecht zu einander verlaufen.
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Dadurch sind können die geradlinigen Randabschnitte optimal an Drahtenden mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt anliegen. Die senkrechten Stirnflächen der Randabschnitte des Ausrichtelementes können sich so während des Positioniervorganges plan an zwei Flächen von zu positionierenden Drahtenden anlegen. An den noch übrigen zwei Flächen der zu positionierenden Drahtenden liegen die Randabschnitte des Gegenausrichtelements an.
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Vor allem bei Verwendung von Drahtenden mit rundem oder anderem (beispielsweise hexagonalem) Querschnitt können die Randabschnitte aber auch unter anderem Winkel aufeinander zulaufen. Insbesondere müssen die geradlinigen Randabschnitte auch nicht direkt aneinander anschließen. So kann beispielsweise an einem gedachten Schnittpunkt der Randabschnitte die Durchgangsausnehmung eine konkav gebogene Verbindungsstelle aufweisen, in welcher beispielsweise kleinere Verletzungen der Kanten der Drahtenden aufgenommen werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Durchgangsausnehmung und/oder die Gegendurchgangsausnehmung eine Durchgangsöffnung ist.
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Da für die Positionierung die beiden Ausrichtelemente der ersten und zweiten Lage zusammenarbeiten, ist es grundsätzlich nicht notwendig, dass die Durchgangsausnehmung und/oder die Gegendurchgangsausnehmung einen vollständig geschlossenen Umfang haben. D.h. die Durchgangsausnehmungen können an den Ausrichtelementen randständig angeordnet sein. Eine Durchgangsöffnung hat jedoch den Vorteil, dass bei gleicher Dicke des jeweiligen Ausrichtelements höhere Kräfte ausgeübt werden können. Zudem können Bereiche um den lichten Positionierdurchgang herum gegebenenfalls besser abgedeckt werden.
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Jede Durchgangsöffnung kann somit zwei Randabschnitte aufweisen, welche vorzugsweise im rechten Winkel zueinander stehen. Die Öffnungen können beispielsweise rechteckig, quadratisch, dreieckig oder tropfenförmig ausgebildet sein. Die beiden geradlinigen Randabschnitte können durch eine abgerundete Ecke verbunden sein. Die Form und/oder Größe der Öffnungen kann an die Form bzw. Größe der Drahtenden angepasst sein.
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Eine Positioniereinheit kann Ausnehmungen und/oder Öffnungen verschiedener Größen und Formen umfassen. Das Ausrichtelement und das Gegenausrichtelement können unterschiedlich große und/oder unterschiedlich geformte Öffnungen umfassen.
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Die Anzahl der Ausnehmungen und/oder Öffnungen pro Ausrichtelement und/oder pro Spanneinheit kann variieren.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Durchgangsausnehmung und/oder die Gegendurchgangsausnehmung derart ausgestaltet sind, dass der Positionierdurchgang die mindestens eine Drahtendengruppe vollständig umschließt.
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Dadurch wird eine sichere Positionierung gewährleistet. Vorzugsweise umschließen die Durchgangsausnehmung und/oder die Gegendurchgangsausnehmung die Drahtenden derart, dass außer dem lichten Positionierdurchgang kein weiterer lichter Durchgang mehr durch die beiden Ausrichtelement verbleibt, wenn sich die Positioniereinheit in einer Positionierstellung/Schließstellung befindet. Insbesondere verbleibt innerhalb der Außengrenzen des Ausrichtelements und des Gegenausrichtelements kein lichter Durchgang mehr um die Drahtenden.
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Die Durchgangsausnehmungen der beiden Ausrichtelemente sind vorzugsweise so ausgelegt, dass der Spalt zwischen Draht und Ausrichtelement im geschlossenen Zustand maximal 0,1 mm beträgt. Drähte mit Formabweichungen führen zu größeren Abständen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Verschiebung entlang des Verschiebepfades durch ein Kraftelement erzeugt wird.
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Ein solches Kraftelement kann ein aktives Kraftelement wie ein Aktuator sein, z.B. ein Hydraulik- oder Pneumatikkolben, ein Elektromotor oder dergleichen. Als Kraftelement kann aber auch ein passives Kraftelement wie z.B. eine Feder oder ein elastischer Materialblock dienen. Das Kraftelement kann auch ein Hebelgetriebe umfassen.
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Vor allem kann das passive Kraftelement im Grundzustand die beiden Ausrichtelemente in Schließstellung/Positionierstellung drücken. Zum Öffnen kann dann ein Öffnungsaktuator verwendet werden, der aktiv gegen die Federkraft des passiven Kraftelements arbeitet. Die Vorrichtung ist somit vorzugsweise normal geschlossen (normally closed, NC), das heißt, das Kraftelement übt im Grundzustand eine Kraft aus, um die Ausrichtelemente geschlossen zu halten.
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Vorzugsweise wird die Verschiebung des Ausrichtelements gegenüber dem Gegenausrichtelements einer Positioniereinheit durch ein gemeinsames Kraftelement verursacht. Pro Positioniereinheit ist somit jeweils ein Kraftelement so positioniert, das die jeweils im rechten Winkel zueinander stehenden Randabschnitte der Durchgangsausnehmungen in den beiden Ausrichtelementen sich aufeinander zu bewegen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Positioniereinheit als Spanneinheit arbeitet, indem das mindestens eine Drahtende zwischen dem Ausrichtelement und dem Gegenausrichtelement eingeklemmt wird.
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Obwohl die Drahtenden auch durch die Anlage an nur einem der beiden Ausrichtelemente positionierbar sind, werden die Drahtenden durch Klemmen optimal in Position gehalten. Die Positioniervorrichtung wird so zu einer Spannvorrichtung. Vor allem wird dazu das Kraftelement so ausgelegt sein, dass das mindestens eine Drahtende zwischen dem Ausrichtelement und dem Gegenausrichtelement eingeklemmt wird.
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Das Kraftelement kann zudem noch über eine Maximalkraftbegrenzung verfügen, um die Belastung für die Drahtenden zu begrenzen.
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Auch die Tatsache, dass die Positioniervorrichtung mehrere Positioniereinheiten umfassen kann, trägt dazu bei, dass die Maximalkraft einer jeden Positioniereinheit kleiner gehalten werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Positioniervorrichtung mehrere Positioniereinheiten umfasst, die ringförmig um ein Zentrum angeordnet sind und die Richtung der Verschiebung nicht zum Zentrum gerichtet ist.
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Damit ist die Positionierkraft, die auf die Drahtenden wirkt ebenfalls nicht zum Zentrum gerichtet. Aufgrund des Winkels zwischen der Richtung der Verschiebung den geradlinigen Randabschnitten der Durchgangsausnehmungen werden die Drahtenden zeitgleich sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung ausgerichtet. Die Richtung der Kraft, welche die Verschiebung bewirkt, verläuft schiefwinkelig zu den Randabschnitten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Richtung der Verschiebung einen Winkel von mehr als 0° bis etwa 70°, insbesondere zwischen etwa 10° und etwa 45°, zum Radius der ringförmigen Anordnung aufweist.
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Besonders bevorzugt weist die Tangente an den Verschiebungspfad einen Winkel kleiner 70°, insbesondere einen Winkel von 10°C bis 45°C zum Radius der ringförmigen Anordnung auf. Durch die Wahl des Winkels kann der Kraftanteil, welcher in radialer oder tangentialer Richtung auf die Drahtenden zu tragen kommt optimiert werden, und z.B. das Zusammenpressen der Längsseiten zweier Drahtenden durch Erhöhung des Kraftanteils in radialer Richtung verstärkt werden. Besonders bevorzugt sind Winkel von 30° bis 45° zwischen der Achse der Verschiebung und dem Radius der ringförmigen Anordnung, da bei hier die Kraftanteile in radialer und tangentialer Richtung ungefähr gleich groß sind.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mehreren Positioniereinheiten jeweils einzeln, in Gruppen oder alle gemeinsam durch einen Öffnungsmechanismus ansteuerbar sind.
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Dies erlaubt auch bei der Verwendung mehrerer im Normalzustand geschlossener Positioniereinheiten einen für die Massenproduktion geeigneten Prozess zur Positionierung der Drahtenden. Insbesondere kann die Krafteinwirkung durch den Öffnungsmechanismus jeweils einzeln angepasst werden. So können benachbarte Positioniereinheiten unabhängig voneinander aktiviert werden und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Auch kann durch das Beeinflussen der Kraftwirkung des Kraftelements über den Öffnungsmechanismus vermieden werden, dass bei Fehlstellungen der Drahtenden die Ausrichtelemente und/oder die Drahtenden beschädigt werden.
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Allgemein umfasst also jedes Ausrichtelement mindestens eine Durchgangsausnehmung bzw. -öffnung, die dazu ausgelegt ist, mindestens ein Drahtende zu umschließen. Bevorzugt ist eine Durchgangsausnehmung bzw. -öffnung dazu ausgelegt, zwei oder drei Drahtenden zu umfassen. Die Anzahl der Durchgangsausnehmungen bzw. -öffnungen jeder Lage entspricht dabei der Anzahl der zu positionierenden Drahtendengruppen, bevorzugt bestehend aus zwei oder drei Drahtenden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jedes Ausrichtelement neun Durchgangsausnehmung bzw. -öffnung. Jede Spanneinheit positioniert und spannt eine möglichst geringe Anzahl von Drahtenden. Somit werden die Spannkräfte innerhalb einer Einheit reduziert und das Risiko der Beschädigung oder ungewollten Verformung der Drähte verringert.
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Unabhängig oder ergänzend zu den obigen Erfindungsgedanken, betrifft ein anderer Aspekt der Erfindung eine Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden bei der Herstellung einer elektrischen Maschine, umfassend
- a) mindestens eine Positioniereinheit, die
- b) ein Ausrichtelement und ein Gegenausrichtelement aufweist, die in zwei parallelen Lagen übereinander angeordnet und entlang eines Verschiebepfades relativ zueinander verschiebbar sind, wobei sie sich zumindest teilweise überlagern oder überlagern lassen,
- c) wobei das Ausrichtelement mindestens eine Durchgangsausnehmung aufweist und das Gegenausrichtelement mindestens eine Gegendurchgangsausnehmung aufweist, welche derart angeordnet und ausgelegt sind, dass ein lichter Positionierdurchgang senkrecht zu den beiden Lagen des Ausrichtelements und des Gegenausrichtelements verbleibt, durch welchen sich mindestens ein Drahtende hindurch erstrecken kann und dessen Querschnitt, insbesondere dessen Querschnittsfläche, durch eine Verschiebung der Ausricht- und Gegenausrichtelemente zueinander veränderbar ist,
wobei - d) das Ausrichtelement und/oder das Gegenausrichtelement zumindest im Bereich der Durchgangsausnehmung (24a) bzw. der Gegendurchgangsausnehmung (24b) einen Wärmeableitkontakt aufweisen.
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Ein möglichst exaktes Anliegen der geschlossenen Ausrichtelemente an den Drahtenden (insbesondere auch ein Umschließen der Drahtenden) ist nicht nur zur möglichst effizienten Kraftübertragung notwendig, sondern trägt auch zu einer besseren Wärmeübertragung bei. Denn bei Verwendung der Positioniervorrichtung in Prozessen mit Wärmebildung an den Drahtenden muss zumindest ein Teil dieser Wärme über die Vorrichtung ableitbar sein um Schäden am zu bearbeitenden Werkstück, insbesondere einem Bauteil einer elektrischen Maschine, zu vermeiden. Häufig weisen nämlich die zu bearbeitenden Drähte eine Beschichtung auf, welche bei zu hohen Temperaturen schmilzt und beschädigt wird.
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Für eine gute Wärmeableitung über das Ausrichtelement und/oder das Gegenausrichtelement muss die Kontaktfläche als Wärmeableitkontakt zwischen Draht und Ausrichtelement möglichst groß sein. Die die Drahtenden umschließenden Stirnflächen der Ausrichteelemente müssen daher möglichst dicht an den Drahtenden positioniert werden und an deren Kontur angepasst werden. Zudem werden sie durch die Dicke der verwendeten Bleche für die Ausrichtelemente beeinflusst.
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Neben der Kontaktfläche hat auch das Material der Vorrichtung insbesondere der Ausrichtelemente einen großen Einfluss auf den Wärmehaushalt, da Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vom Entstehungsort begünstigen. Vorzugsweise ist der Wärmeableitkontakt daher aus einem wärmeleitfähigeren Material als der üblicherweise für die Ausrichtelemente verwendete Stahl. Vorzugsweise umfasst das Material des Wärmeableitkontakts Kupfer, Kupferlegierungen, insbesondere CuCrZr, oder Aluminium, Aluminiumlegierungen, insbesondere AlZnMgCu. Der Wärmeableitkontakt kann auch als Beschichtung der Ausrichtelemente auf der gesamten Oberfläche oder nur Teilen davon mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie z.B. Kupfer ausgestaltet sein.
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Vorteilhaft ist auch das Aufbringen von mehreren Schichten auf eine Komponente, insbesondere eine Schicht Graphit sowie eine Schicht Kupfer. Dadurch kann auch die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Oberfläche der Positioniervorrichtung zumindest in einem Teilbereich eine Beschichtung aufweisen, die diamantähnlichen Kohlenstoff (Diamond-Like Carbon, DLC) umfasst, um das Anhaften von Ablagerungen durch die Bearbeitung der Drahtenden zu vermeiden. Insbesondere kann die Oberfläche jene Oberfläche des Ausrichtelements sein, die in Richtung der zu bearbeitenden Drahtenden weist.
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Um das zu bearbeitende Maschinenelement vor entstehenden Ablagerungen während der Bearbeitung zu schützen und um das Einfädeln der Drahtenden in die Öffnungen der Vorrichtung zu erleichtern kann die Positioniervorrichtung eine Grundplatte umfassen. Die Grundplatte kann eine Vielzahl an Öffnungen aufweisen, welche an der dem Maschinenelement zugewandten Seite einen größeren Umfang aufweisen als an der den Ausrichtelementen zugewandten Seite. Durch diese abschließende Scheibe können Spalten und Öffnungen zwischen den Ausrichtelementen abgedeckt werden und verhindert werden, dass Verunreinigungen wie z.B. Schweißspritzer in die elektrische Maschine gelangen können.
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Unabhängig von den Ausrichtelementen kann die Grundplatte aber auch als Wärmeableitkontakt fungieren.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden einer elektrischen Maschine vorgesehen, bei der die Drahtenden in Gruppen von zwei oder mehr Drahtenden vorliegen, umfassend
eine erste Lage umfassend ein Ausrichtelement A oder eine Vielzahl davon;
eine zweite Lage umfassend ein Gegenausrichtelement B oder eine Vielzahl davon;
wobei jedes Ausrichtelement eine oder mehrere Öffnungen aufweist, welche dazu ausgelegt sind, mindestens zwei Drahtenden zu umschließen;
wobei jede Öffnung mindestens zwei Kanten aufweist, welche im rechten Winkel zueinander stehen;
die Ausrichtelemente derart angeordnet sind, dass die zu positionierenden Drahtenden durch die Öffnungen von jeweils einem Ausrichtelement der ersten und der zweiten Lage geführt werden können;
wobei
die Krafteinwirkung auf jedes Ausrichtelement A und/oder B einzeln durch einen Öffnungsmechanismus gesteuert werden kann.
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Bevorzugt handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen Elektromotor, insbesondere um einen Stator. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Positionieren von Drahtenden einer elektrischen Maschine für ein Verfahren zum Verschweißen der Drahtenden verwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Positionieren und Bearbeiten von Drahtenden bei der Herstellung einer elektrischen Maschine, umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen einer Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
- b) Führen eines Drahtendes durch den Positionierdurchgang;
- c) Ausrichten des Drahtendes durch Verschieben des Ausrichtelements und des Gegenausrichtelements zueinander;
- d) Bearbeiten des Drahtendes, insbesondere mit einem Energiestrahl.
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Vorzugsweise umfasst das Bearbeiten des Drahtendes in Schritt d) das Verschweißen zweier oder mehr Drahtenden mit einem Elektronenstrahl.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Maschinenelement es und einer Positioniervorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung eine Ausrichtelements;
- 4 Ausführungsformen der Öffnungen in den Ausrichtelementen;
- 5a eine Positioniereinheit im geöffneten Zustand;
- 5b eine Positioniereinheit im geschlossenen Zustand;
- 6a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden mit seitlicher Ausrichtung;
- 6b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden mit seitlicher Ausrichtung;
- 7a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden eines Linearmotors;
- 7b eine schematische Darstellung einer Draufsicht der Positioniervorrichtung zum Positionieren von Drahtenden eines Linearmotors;
- 8 eine Aufsicht auf eine Positioniereinheit mit Ausnehmungen.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in einem montierten Zustand auf einem Maschinenelement 12. Das in 1 rein beispielhaft gezeigte Maschinenelement 12 ist ein Stator eines elektrischen Motors.
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Ein Stator ist üblicherweise aus einer Wicklung aus einer Vielzahl von Drähten 14 gebildet. In einer Ausführungsform sind diese Drähte in einer Haarnadelform ausgebildet und werden auch als Hairpins bezeichnet. Diese Hairpins bestehen insbesondere aus einem Kupferdraht, der in der in 1 dargestellten Ausführungsform als Flachdraht mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist und mit einem isolierenden Lack beschichtet ist.
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Hairpins weisen typischerweise einen gebogenen Bereich auf und zwei Drahtenden und sind in einer genau vorbestimmten Form gestaltet, um die Wicklung des Stators möglichst eng auszuführen. Durch die Wicklung der Hairpins und der relativ großen Drahtdicke ist eine beträchtliche Krafteinwirkung nötig, um die Drahtenden 14 in eine geeignete Position zu drücken, um an den Drahtenden Bearbeitungen hoher Qualität durchführen zu können.
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Dafür wird eine mehrteilige Positioniervorrichtung 10 auf dem zu bearbeitenden Statorelement 12 montiert.
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Die Positioniervorrichtung 10 weist als unterste Lage eine Grundplatte 20 auf, die als Einfädelhilfe für die Drahtenden 14 dient. Zudem schützt die Grundplatte 20 den Stator vor Verunreinigungen, die durch die Bearbeitung anfallen, und verleiht der Positioniervorrichtung 10 Stabilität.
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Oberhalb der Grundplatte 20 umfasst die Positioniervorrichtung 10, wie aus 2 hervorgeht, mehrere Positioniereinheiten 13, die jeweils ein plattenförmiges Ausrichtelement 22a in einer ersten Lage 18 und ein plattenförmiges Gegenausrichtelement 22b in einer zweiten Lage 16 umfassen. Die Ausrichtelemente 22a, 22b können aus Blechen mit einer Dicke von circa 1-5 mm gebildet sein.
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Die Ausrichtelemente 22a der ersten Lage 18 und die Gegenausrichtelemente 22b der zweiten Lage 16 sind ringförmig symmetrisch um ein Zentrum 28 angeordnet, welches im montierten Zustand der Positioniervorrichtung 10 mit einer Zentralachse des Stators 12 zusammenfällt. Die Ausrichtelemente 22a und 22b haben dabei im Wesentlichen eine Kuchensegmentform, wobei ein Bereich um das Zentrum 28 frei bleibt und somit die Spitze der Kuchensegmente fehlt.
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Die Ausrichtelemente 22a und 22b haben eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 24, um die zu positionierenden Drahtenden 14 des Stators 12 aufzunehmen.
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Alternativ können die Durchgangsöffnungen 24a, 24b aber auch einseitig offen als Durchgangsausnehmungen 24a, 24b ausgestaltet sein, beispielsweise indem die Ausrichtelemente 22a und 22b wie in 8 gezeigt zum Zentrum 28 gerichtete Finger umfassen, an welchen die Durchgangsausnehmungen 24a, 24b seitlich angeordnet sind.
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3 zeigt eine einzelne Positioniereinheit 13 im Detail. Darin ist erkennbar, dass die Positioniereinheit 13 außer dem Ausrichtelement 22a und dem Ausrichtelement 22b noch ein passives Kraftelement 26 aufweist. In dieser Ausführungsform wurde eine Feder als passives Kraftelement 26 gewählt, welche die Kraft 34 für eine Verschiebung der Ausrichtelemente 22a und 22b zum Schließen der Positioniereinheit 13 bereitstellt.
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Das passive Kraftelement 26 ist in einer Weise positioniert, dass sich die jeweils im rechten Winkel zu einander stehenden geradlinigen Randabschnitte 30a, 30b der Durchgangsöffnungen 24a sowie die beiden geradlinigen Randabschnitte 30c, 30d der Gegendurchgangsöffnung 24b in den beiden Ausrichtelementen 22a und 22b aufeinander zu bewegen.
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Jede Öffnung 24a, 24b der Ausrichtelemente 22a, 22b hat hier mindestens zwei geradlinige Randabschnitte 30a, 30b, 30c, 30d, die im rechten Winkel zueinanderstehen. Die senkrecht zueinanderstehen Randabschnitte 30a, 30b des Ausrichtelementes 22a der ersten Lage 18, legen sich während des Positionier- und Spannvorganges an zwei Flächen einer Gruppe von zwei oder mehr Drahtenden 14 an.
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In dieser Ausführungsform weist eine Durchgangsöffnung 24 eine rechteckige Form auf, welche drei stark abgerundete Ecken aufweist und eine weniger stark gerundete Ecke.
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Die Randabschnitte, d.h. Stirnflächen der Ausrichtelemente 22a, 22b, die sich an die weniger stark abgerundete Ecke anschließen, legen sich im geschlossenen Zustand an die Drahtenden 14 an.
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In dieser Ausführungsform sind die zwei Randabschnitte 30a und 30c parallel zu den Tangenten 70 des Umfangs der Positioniervorrichtung 10 angeordnet. Sind die zu bearbeitenden Drahtenden 14 der elektrischen Maschine 12 anders angeordnet, müssen auch die Durchgangsöffnungen 24 der Ausrichtelemente 22a, 22b angepasst werden.
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Die Durchgangsöffnungen 24 der Ausrichtelemente 22a, 22b können in unterschiedlichen Formen ausgestaltet sein (siehe 4). Zudem können sich die Durchgangsöffnungen 24 des Ausrichtelements 22a von denjenigen des Gegenausrichtelements 22b unterscheiden.
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4a zeigt eine rechteckige Öffnung 24. Die rechteckige Öffnung 24 kann an allen Ecken abgerundet sein (4b), oder nur an zwei (4c). In einer Ausführungsform weist die Öffnung 24 nur eine Ecke mit zwei anliegenden geraden Randabschnitten 30a, 30b auf und ist ansonsten tropfenförmig ausgebildet (siehe 4d). Die anliegenden Randabschnitte müssen dabei lang genug ausgebildet sein, um zwei Seiten der Drahtenden 14 einfassen zu können.
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Die senkrechen Stirnflächen der Öffnungen 24 des Ausrichtelementes 22b der zweiten Lage 16 liegen den senkrechten Stirnflächen des Ausrichtelementes 22a der ersten Lage 18 jeweils gegenüber.
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Die Ausrichtelemente 22b der zweiten Lage 16 können sich beim Positionieren und Spannen auf derselben linearen Achse 34 der Ausrichtelemente 22a der ersten Lage 18, jedoch in entgegengesetzter Richtung, bewegen. Sie können aber auch fixiert sein.
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Die lineare Achse 34, entlang welcher der Verschiebepfad der Ausrichtelemente 22a, 22b verläuft, wird durch zwei Langlöcher 35 vorgegeben. Denkbar wäre hier die Langlöcher 35 gebogen auszuführen, sodass der Verschiebepfad nicht mehr geradlinig verläuft.
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Die lineare Bewegung der Ausrichtelemente 22a, 22b der ersten und/oder zweiten Lage 18, 16 wird dabei so lange ausgeführt, bis die vier Flächen der Gruppe von Drahtenden 14 von jeweils 2 Seiten der Öffnungen 24 in den beiden Ausrichtelementen 22a, 22b umschlossen sind und eine weitere Bewegung der Ausrichtelemente 22a, 22b blockieren.
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5a zeigt eine Spannvorrichtung in geöffnetem Zustand.
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Die Anzahl der Öffnungen 24 entspricht dabei der Anzahl der zu positionierenden Paare von Drahtenden 14.
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Die Ausrichtelemente 22a der ersten Lage 18 lassen sich linear zu den Ausrichtelementen 22b der zweiten Lage 16 verschieben. Die Verschiebung erfolgt schiefwinkelig zu den Kanten 30.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Feder als Kraftelement 26 so angeordnet, dass die Richtung der Kraft 34, welche die Verschiebung bewirkt, und somit auch die Achse der Verschiebung der Ausrichtelemente 22a, 22b, einen Winkel von 45° jeweils zu den Randabschnitten 30a, 30b, 30c, 30d aufweist.
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In dieser Ausführungsform verläuft zudem der Randabschnitt 30b parallel zum Radius der Positioniervorrichtung 10, daher verläuft die Verschiebung ebenfalls entlang eines Winkels von 45° zum Radius. Die Bewegung der Ausrichtelemente verläuft daher weder in Umfangsrichtung 38 noch radial 36 zur symmetrischen Anordnung. Die Richtung 34 der Linearbewegung ist in einem Winkel gegenüber den Randabschnitten 30a, 30b, 30c, 30d geneigt und durchläuft nicht das Zentrum 28 der symmetrischen Anordnung.
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Auf Grund des Winkels wirkt ein Anteil der Kraft sowohl auf den Randabschnitt 30a als auch auf den Randabschnitt 30b. Dadurch werden die Drahtenden 14 sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung ausgerichtet. Durch diese Kraft werden die Randabschnitte 30a und 30b und die Randabschnitte 30c und 30d des Ausrichtelements 22b gegen die Seitenflächen der Drahtenden 14 gedrückt und blickdicht umschlossen und präzise positioniert (5b).
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Zu erkennen ist dies in 5b vor allem an einer im Vergleich zur 5a kleineren Querschnittsfläche eines lichten Positionierdurchgangs 99 durch die Durchgangsöffnungen 24a, 24b der beiden Ausrichtelemente 22a, 22b.
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Benachbarte Positioniereinheiten 13 arbeiten dabei unabhängig voneinander und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Zum Öffnen der autarken Positioniereinheiten 13 kommen Öffner zum Einsatz, die zentral über eine Kurvenscheibe bewegt werden (nicht dargestellt). Die Anzahl der Öffner entspricht der Anzahl der Positioniereinheiten 13.
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Im inaktiven Zustand ist das Kraftelement 26 bzw. sind die Kraftelemente 26 permanent geschlossen. Das heißt die Federkraft des Kraftelements 26 wirkt permanent auf den Draht.
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Jede Positioniereinheit 13 positioniert und spannt eine möglichst geringe Anzahl von Drahtenden 14. Dadurch werden die Positionierkräfte innerhalb einer Positioniereinheit 13 möglichst geringgehalten. Die Positionierkraft einer Positioniereinheit 13 führt deshalb im Fehlerfall nicht zur Beschädigung oder ungewollten Verformung einer größeren Anzahl von Drahtenden 14.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese Positioniervorrichtung 50 positioniert Drahtenden 14, welche nicht wie in 1 dargestellt von oben an einem Stator 12 bearbeitet werden müssen, sondern von der Seite. Die Stirnflächen der zu bearbeitenden Drahtenden 14 zeigen somit radial nach au-ßen.
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Die Positioniervorrichtung 50 kann ein Ausrichtelement in Form eines Ringes mit lateralen Öffnungen 24 aufweisen oder eine Vielzahl an ringförmig angeordneten Ausrichtelementen. Die zweite Lage 16 wird hier durch ein Ausrichtelement 22b dargestellt, welches ebenfalls die Form eines Ringes aufweisen kann oder eine Vielzahl an Elementen, allerdings mit geringerem Radius. D.h. die gemäß Anspruchswortlaut parallel übereinander angeordneten Lagen der Ausrichtelemente 22a, 22b können auch gekrümmt und in radialer Richtung des Stators 12 übereinander angeordnet sein.
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Die äußere Wandfläche des Ringes grenzt an die Innere Wandfläche des Stators 12 an. Die Drahtenden 14 sind durch die in den Wandflächen befindlichen Öffnungen 24 geführt. Die Form der Öffnungen 24 sowie die Richtung der Verschiebung der Ausrichtelemente zueinander entspricht der in den 1-5 beschriebenen Ausführungsformen.
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Die Verschiebung zwischen den Ausrichtelementen 22a, 22b wird wiederum durch mindestens ein passives Kraftelement 26 bewirkt.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 60 zum Positionieren von Drahtenden eines Linearmotors 62. In dieser Ausführungsform sind die Ausrichtelemente 22a, 22b der ersten Lage 18 und der zweiten Lage 16 nicht ringförmig um ein Zentrum 28 angeordnet, sondern entlang einer geradlinigen oder gekurvten Bahn. In 7 ist eine Vielzahl an Ausrichtelementen 22a und 22b dargestellt. Die Lagen 16, 18 können jedoch auch von einzelnen, dem Verlauf des Linearmotors 12 angepassten Ausrichtelementen 22a, 22b dargestellt werden. Die Form der Öffnungen sowie die Richtung der Verschiebung der Ausrichtelemente zueinander, entspricht derjenigen der in den 1-6 beschriebenen Ausführungsformen.
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Das erfindungsgemäße Positionierverfahren arbeitet wie folgt:
- Die Positioniervorrichtung 10 wird auf einer elektrischen Maschine 12 platziert und die daraus hervorstehenden Drahtenden 14 werden in Gruppen durch die Öffnungen 24 geführt.
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Die Ausrichtelemente 22a, 22b werden mithilfe einer Öffnungs-/und Schließeinheit so gespannt, dass die Richtung der Verschiebung der Ausrichtelemente zueinander, schiefwinkelig zu den Randabschnitten 30a, 30b, 30c, 30d verläuft. Dadurch werden die Drahtenden 14 auf eine genaue Position ausgerichtet.
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Die elektrische Maschine 12 kann dann zusammen mit der montierten Positioniervorrichtung 10 zur weiteren Bearbeitung in eine Prozesskammer verlagert werden. Dort werden die Drahtenden 14 bearbeiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Drahtenden 14 dabei mit einem Energiestrahl, insbesondere mit einem Elektronenstrahl, bearbeitet. Die Bearbeitung kann das Verschweißen, Schneiden und/oder Entisolieren der Drahtenden 14 umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Positioniervorrichtung
- 11
- Rotationsachse
- 12
- Maschinenelement
- 13
- Positioniereinheit
- 14
- Drahtenden
- 16
- erste Lage
- 18
- zweite Lage
- 20
- Grundplatte
- 22 a, b
- Ausrichtelement
- 24
- Öffnung
- 26
- elastisches Element
- 28
- Zentrum der Anordnung
- 30 a, b, c d
- Kante
- 34
- Richtung der Kraft
- 36
- radiale Richtung
- 38
- Umfangsrichtung
- 40
- tangentiale Richtung
- 50
- Vorrichtung zum Positionieren von Drahtenden in seitlicher Ausrichtung
- 52
- Maschinenelement mit seitlich ausgerichteten Drahtenden
- 60
- Vorrichtung zum Positionieren von Drahtenden in einem Linearmotor
- 62
- Linearmotor
