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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isolationstestverfahren an einem Statorelement, welches zu einer Mittelachse M parallel verlaufende und umfänglich benachbart angeordnete Aufnahmenuten ausbildet, und eine Testanordnung.
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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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Jeder Schenkelabschnitt der Kupferstäbe wird gegenüber der Aufnahmenut des Statorelements über ein Nutisolationspapier elektrisch isoliert. Das Nutisolationspapier umgibt den Schenkelabschnitt vollständig und hat somit im Querschnitt zweckmäßigerweise die gleiche rechteckige oder auch quadratische Form wie der Schenkelabschnitt an sich. Ein Nutisolationspapier kann auch als Isolationshülse bezeichnet werden. Der Montageablauf kann beispielsweise derart ausgeführt sein, dass zunächst die Isolationshülse in jede Aufnahmenut eingeführt und anschließend die Schenkelabschnitte der Kupferstäbe in die jeweilige Isolationshülse eingesteckt werden. Zunächst kann es beim Einführen der Isolationshülsen zu Beschädigungen dieser kommen, so dass eine Isolation des Kupferstabes gegenüber dem Statorelement im späteren Betrieb nicht mehr gegeben ist. Es werden bisweilen stichprobenartige Testverfahren durchgeführt, die darin bestehen, dass eine ausgewählte Isolationshülse unmittelbar nach dem Einschieben wieder aus der Aufnahmenut herausgezogen wird und einem elektrischen Isolationstest unterzogen wird. Bei diesem Test wird die Isolationshülse zwischen zwei Prüfelektroden geeignet gehalten, so dass eine Hochspannung an beide Prüfelektroden angelegt werden. Ein zu messender Prüfstrom ist ein Anzeichen für eine schadhafte Isolation der Isolationshülse. Insgesamt ist dieses Prüfverfahren nicht kompatibel mit in Serie hergestellten Statorelementen, da nur eine zeitaufwändige Stichprobenprüfung möglich ist. Weiterhin kann keine Aussage darüber getroffen werden, ob eine schadhafte Isolation der Isolationshülse während des Einführens oder während des, ausschließlich zur Durchführung des Testverfahrens, Herausziehens der Isolationshülse entstanden ist.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein elektrisches Isolationstestverfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet sind in einer Serienfertigung Anwendung zu finden und einen überwiegend sicheren Rückschluss auf eine schadhafte oder intakte Isolation zulässt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Isolationstestverfahren an einem Statorelement, welches zu einer Mittelachse M parallel verlaufende und umfänglich benachbart angeordnete Aufnahmenuten ausbildet, mit den Schritten:
- - Bestücken der Aufnahmenuten mit Isolationshülsen
- - Bereitstellen einer die Kupferstab-Bestückung eines späteren Betriebs des Statorelements ersetzende Testvorrichtung und Positionieren der Testvorrichtung innerhalb der Isolationshülsen in den Aufnahmenuten,
- - Durchlaufen einer Prüfprozedur, bei der eine vorgegebene Prüfspannung UP über eine vorgesehene Prüfdauer tP an die Testvorrichtung einerseits und an das Statorelement andererseits angelegt wird,
- - Auswerten eines einen Isolationszustand zwischen der Testvorrichtung und dem Stato-relement repräsentierenden Prüfstroms IP dahingehend, dass ein Prüfstrom bis zu einem definierten Grenzwert als eine für das Statorelement bestandene Prüfprozedur bewertet wird und ein über dem Grenzwert liegender Prüfstrom IP als eine für das Statorelement nicht bestandene Prüfprozedur bewertet wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ein Herausziehen der Isolationshülsen aus den Aufnahmenuten des Statorelements verzichtet werden. Außerdem wird über das Verfahren eine Testvorrichtung bereitgestellt, mittels der ein für die Dauer des Testverfahrens vorläufige Bestückung des Statorelements mit Kupferstäben hergestellt wird, so dass mit einem einzigen Testdurchgang die Isolation aller Isolationshülsen in den Aufnahmenuten überprüft werden kann. Bei dem Testverfahren werden die Kupferstäbe einzeln kontaktiert, wohingegen das Statorelement als Ganzes kontaktiert wird, dieses somit folglich die Masse darstellt. Vorgesehen ist, dass nach dem Durchlaufen der Prüfprozedur die Testvorrichtung aus den Isolationshülsen der Aufnahmenuten wieder herausgezogen werden kann und anschließend der Schritt des Auswertens erfolgt. Als Grenzwert für den Prüfstrom IP kann zweckmäßiger Null Ampere genommen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Testverfahren in seiner einfachsten Ausgestaltung ist es möglich, mit einer Prüfprozedur eine IO-Bewertung oder ggf. eine nIO-Bewertung für das gesamte, geprüfte Statorelement zu erhalten. Wenn in praktischer Hinsicht davon ausgegangen wird, dass statistisch betrachtet jede 100. Isolationshülse schadhaft ist und ein Statorelement 36 Aufnahmenuten aufweist, dann würde mit dem erfindungsgemäßen Testverfahren jedes dritte geprüfte Statorelement eine nIO-Bewertung erhalten. Die Zahlenwerte dienen lediglich der Verdeutlichung und können in der Praxis in jeder Hinsicht variieren.
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Eine Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht nach nicht bestandener erstmaliger Prüfprozedur vor, dass
- - eine weitere Prüfprozedur durchlaufen wird, bei der vorgegebene Prüfspannungen UP über eine vorgesehene Prüfdauer tP jeweils an der Anzahl der Prüfspannungen UP entsprechend unterteilte Teilbereiche der Testvorrichtung einerseits und das Statorelement andererseits angelegt wird und
- - ein Auswerten des Isolationszustandes der mit der jeweiligen Prüfspannung beaufschlagten Teilbereiche entsprechend der Auswertung der erstmaligen Prüfprozedur erfolgt.
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Die Grundidee des Durchlaufens der weitere Prüfprozedur besteht darin, dass die Gesamtheit der Kupferstäbe in den Aufnahmenuten in einzelne Gruppen unterteilt wird und jede der Gruppen mit einer diskreten Prüfspannung UP beaufschlagt wird. In einem einfachsten Fall können die Kupferstäbe beispielsweise in zwei Gruppen unterteilt werden, so dass am Ende dieser weiteren Prüfprozedur für jede dieser Gruppen eine IO-Bewertung oder eine nIO-Bewertung erfolgen kann. Somit ist es möglich, das aus dem zuvor genannte Beispiel eines dritten Statorelements, das eine nIO-Bewertung erhält, das Statorelement einer weiteren Prüfprozedur zu unterziehen und hierüber die schadhafte Isolierhülse gezielt zu lokalisieren.
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Ebenfalls im Rahmen dieses erfindungsgemäßen Testverfahrens ist die Fortbildung, bei der der Teilbereich oder die Teilbereiche mit nicht bestandener Prüfprozedur einer fortgesetzten Prüfprozedur unterzogen werden, indem über eine vorgesehene Prüfdauer tP jeweils eine Prüfspannungen Up an den oder die Teilbereiche einerseits und an das Statorelement andererseits angelegt wird. Ein wiederholter Durchlauf weiterer Prüfprozeduren bedeutet, das die Gruppen, die zuvor eine nIO-Bewertung erfahren haben, jedesmal in kleinere Gruppen unterteilt werden und die Gruppen, die zuvor eine IO-Bewertung erfahren haben, in der weiteren Prüfprozedur außer Acht gelassen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Testverfahrens erfolgt ein Hochfahren der Prüfspannung UP auf einen vorgegebenen Maximalwert UPmax über einer Zeitraum tR.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Testverfahrens erfolgt ein Halten der Prüfspannung UP auf einem vorgegebenen Maximalwert UPmax über die Prüfdauer tP.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Testverfahrens erfolgt ein Erfassen einer benötigten Vorschubkraft Fv zum Einfahren der Kontaktstabelemente entlang eines Weges X in die Aufnahmenuten des Statorelements und Vergleichen der erfassten Vorschubkraft Fv mit einem vorgegebenen Grenzwert der Vorschubkraft FVmax. Über das Erfassen der Vorschubkraft F\/ bzw. über einen Vergleich der Vorschubkraft F\/ mit einem gesetzten Grenzwert ist eine Aussage darüber möglich, ob die Isolationhülsen bereit beim Einführen in die Aufnahmenuten des Statorelements einen Schaden genommen haben. Ein Schaden kann beispielsweise darin bestehen, dass die Isolationshülse sich beim Einschieben in axialer Richtung aufgefaltet bzw. aufgestaucht hat. Dies kann beispielsweise dadurch entstehen, dass die Vorderkante der Isolationshülse beim Einschieben an einem Innenbereich der Aufnahmenut hängengeblieben ist.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung für ein elektrisches Isolationstestverfahren an einem Statorelement, welches zu einer Mittelachse M parallel verlaufende und umfänglich benachbart angeordnete Aufnahmenuten ausbildet, umfassend
eine Mehrzahl um die Mittelachse M parallel verlaufende und umfänglich benachbart angeordnete Kontaktstabelemente, die eine Kupferstab-Bestückung eines späteren Betriebs des Statorelements ersetzen,
eine Spannungsquelle zur Erzeugung mindestens einer Prüfspannung UP,
eine Spannungs-Umschaltmatrix, über die zumindest zu Gruppen zusammengefasste Kontaktstabelement bedarfsweise kontaktierbar sind und gruppenweise mit der zumindest einen Prüfspannung UP der Spannungsquelle beaufschlagbar sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass über die Kontaktstabelemente eine quasi-endgültige Bestückung der Aufnahmenuten mit Kupferstäben simuliert wird. Somit kann das Statorelement über die Testvorrichtung bezüglich seiner Isolierung der Kupferstäbe gegenüber den zusammengesetzten Statorblechpaketen bereits annähernd seinem endgültigen Montagezustand entsprechend geprüft werden.
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Um eine Verletzungsgefahr der Isolationshülsen durch ein Einfahren der Kontaktstabelemente zumindest weitestgehend zu eliminieren, bilden bevorzugt die Kontaktstabelemente gleichermaßen an einem axialen Ende Einführschrägen zum Einführen in die Aufnahmenuten des Statorelements aus.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung bilden die Kontaktstabelemente jeweils einen Schaftabschnitt aus, der einen sich in Längsrichtung erstreckenden gleichbleibenden Querschnitt aufweist, wobei der Schaftabschnitt von einer sich trichterförmig aufweitenden Formschräge begrenzt wird. Hierdurch lassen sich die etwas über das Statorelement hinausstehenden Isolationshülsen umfänglich aufweiten, so dass diese Bereiche anschließen zumindest leicht trichterförmig ausgeformt sind. Dieser erleichtert das spätere endgültige Einführen der Kupferstäbe und reduziert die hierbei bestehende Gefahr, dass die Isolationshülsen beschädigt werden, insbesondere gestaucht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung bilden die Kontaktstabelemente an einem anderen axialen Ende jeweils eine Kontaktierungsfläche zur Kontaktierung mit der Spannungs-Umschaltmatrix aus. Hierüber ist es insbesondere möglich, dass die Kontaktierung zwischen dem jeweiligen Kontaktstabelement und der Spannung-Umschaltmatrix reversibel bzw. lösbar ausgeführt ist.
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In konkreter Ausgestaltung kann für die Kontaktierung vorgesehen sein, dass die Kontaktierungsfläche als Steckerelement ausgebildet ist, zur gegenpaarigen Steckverbindung mit einem Steckerelement der Spannungs-Umschaltmatrix.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Kontaktstabelemente aus einem Kupfer- oder einem Stahlmaterial ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine Ringanordnung an einem axialen Ende die Kontaktstabelemente vorgesehen, in der die Kontaktstabelemente zueinander fixiert und elektrisch gegeneinander isoliert gehalten sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Kraftmesseinrichtung, zur Messung einer benötigten Vorschubkraft F\/ zum Einfahren der Kontaktstabelemente entlang eines Weges X in die Aufnahmenuten des Statorelements.
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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 ein Statorelement mit einer vereinfachten, erfindungsgemäßen Testanordnung;
- 2 ein Statorelement mit einer weiteren, erfindungsgemäßen Testanordnung;
- 3 ein Statorelement mit einer weiteren, erfindungsgemäßen Testanordnung;
- 4a), 4b) Detaillierungen einer Ausgestaltung der Testanordnung und
- 5 eine Detaillierung eines Kontaktstabelements.
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Die 1 zeigt ein Statorelement 10 mit einer Mittelachse M, welches aus einer Vielzahl von Statorblechen in axialer Richtung zusammengesetzt ist. An einem Innenumfang sind mehrere umfänglich benachbart angeordnete und in Axialrichtung verlaufende Aufnahmenuten 12 vorgesehen. In jeder Aufnahmenuten 12 ist ein Nutisolationspapier 14 eingeschoben und gehalten. Das Nutisolationspapier 14 soll zur Vereinfachung als Isolationshülse bezeichnet werden, insbesondere auch deswegen, da es als Hülse für den oder die später eingeführten Kupferstäbe 16 dient. Vorliegend ist exemplarisch ein Kontaktstabelement 20 in einer Aufnahmenut 12 dargestellt, welches für Prüfzwecke anstatt eines Kupferstabes 16 in das Statorelement 10 eingeführt wurde. Für den späteren Betrieb des Statorelements 10 ist sicherzustellen, dass die Kupferstäbe 16 über die jeweilige Isolationshülse 14 gegenüber dem Statorelement 10 isoliert sind und es zu keinen Stromdurchschlägen von dem Kupferstab in das Statorelement 10 kommt.
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Die 1 zeigt eine sehr vereinfachte Schaltung einer erfindungsgemäßen Testanordnung, über die an das Kontaktstabelement 20 einerseits und das Statorelement 10 andererseits über eine Spannungsquelle 18 eine Prüfspannung UP angelegt wird. Hierbei beträgt die Prüfspannung UP im Bereich der im späteren Betrieb erreichten Spannungen. Durch gleichzeitige Messung eines möglichen Stroms, der dann über eine schadhafte Isolation der Isolationshülse fließen würde, kann dann eine Aussage über eine intakte oder schadhafte Isolation getroffen werden. Grundsätzlich wäre es möglich, für die Testzwecke alle Aufnahmenuten 12 des Statorelements 10 mit Kupferstäben 16 zu bestücken und an alle gleichzeitig die Prüfspannung UP anzulegen und eine Strommessung durchzuführen. Über diese Form der Prüfung kann mit geringem Aufwand und bereits nach einer kurzen Prüfdauer für eine intakte Isolation aller Isolationshülsen 14 eine IO-Bewertung vergeben werden.
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Eine hierfür geeignete Testanordnung 24 zeigt die 2, bei der zur Kontaktierung aller Kontaktstabelemente 20 ein Kontaktierungsring 22 vorgesehen ist, der mit allen Kontaktstabelementen 20 verbunden elektrisch verbunden werden kann und an den die Spannungsquelle 18 angeschlossen ist. Sollte es allerdings nach der Prüfung zu einer nIO-Bewertung der Isolation der Isolationshülsen 14 kommen, so hat man mit dieser zunächst keine Möglichkeit zu einer genaueren Lokalisierung der schadhaften Isolationshülse 14 bzw. Isolationshülsen hat.
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Die 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Testanordnung 24, mit der zu Gruppen zusammengefasste Kontaktstabelement 20 bedarfsweise kontaktiert werden können und jede dieser Gruppen mit einer eigenen Prüfspannung UP der Spannungsquelle 18 beaufschlagt werden können. Vorliegend ist eine Statorelement 10 gezeigt, mit umfänglich 36 Aufnahmenuten 12 und entsprechend 36 Kontaktstabelemente 20. Die gezeigte Testanordnung 24 ist vorliegend derart konfiguriert, dass sie die 36 Kontaktstabelemente 20 zu drei Gruppen zusammenfasst, so dass einer der Gruppen jeweils 12 Kontaktstabelemente umfasst. Die Testanordnung 24 umfasst ferner eine Spannungs-Umschaltmatrix 26, über die zumindest zu Gruppen zusammengefasste Kontaktstabelement 20 bedarfsweise kontaktiert werden können und gruppenweise mit der zumindest einen Prüfspannung UP der Spannungsquelle 18 beaufschlagt werden können. Mit dieser Testanordnung ist es folglich möglich gezielt zu bestimmen, in welcher oder welchen der vorliegend drei Gruppen der Kontaktstabelemente 20 eine schadhafte Isolation vorliegt.
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Das erfindungsgemäße Testverfahren wird mit der Testvorrichtung 24 ausgeführt, indem in einem ersten Schritt die Testvorrichtung 24 mit ihren Kontaktstabelementen 20 innerhalb der Isolationshülsen 14 in den Aufnahmenuten 12 platziert wird. Anschließend erfolgt ein Durchlaufen einer Prüfprozedur, bei der eine vorgegebene Prüfspannung UP über eine vorgesehene Prüfdauer tP an die Testvorrichtung einerseits und an das Statorelement andererseits angelegt wird. Hierbei kann die Umschaltmatrix 26 derart geschaltet sein, dass alle Kontaktstabelemente 20 mit der Prüfspannung UP beaufschlagt sind. Anschließend erfolgt ein Auswerten eines einen Isolationszustand zwischen den Kontaktstabelemente 20 und dem Statorelement 10 repräsentierenden Prüfstroms IP dahingehend, dass ein Prüfstrom IP bis zu einem definierten Grenzwert als eine für das Statorelement 10 bestandene Prüfprozedur bewertet wird und ein über dem Grenzwert liegender Prüfstrom IP als eine für das Statorelement 10 nicht bestandene Prüfprozedur bewertet wird. Bei nicht bestandener erstmaliger Prüfprozedur kann eine weitere Prüfprozedur durchlaufen werden, bei der vorgegebene Prüfspannungen UP über eine vorgesehene Prüfdauer tP jeweils an der Anzahl der Prüfspannungen UP entsprechend unterteilte Gruppen der Kontaktstabelemente 20 einerseits und das Statorelement 10 andererseits angelegt wird und ein Auswerten des Isolationszustandes der mit der jeweiligen Prüfspannung beaufschlagten Teilbereiche entsprechend der Auswertung der erstmaligen Prüfprozedur erfolgt.
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Das Testverfahren kann derart ausgeführt werden, dass ein Hochfahren der Prüfspannung UP auf einen vorgegebenen Maximalwert UPmax über einer Zeitraum tR stattfinden, also eine sogenannte Hochfahrrampe eingestellt wird. Nach dem Durchfahren der Hochfahrrampe wird die Prüfspannung UP auf einem vorgegebenen Maximalwert UPmax über eine bestimmte Prüfdauer tP gehalten. Die 4a) zeigt eine Detaillierung der in den Aufnahmenuten 12 eines Statorelements 10 gesteckte Kontaktstabelemente 20. Die Kontaktstabelemente 20 sind über eine Ringanordnung 28 in einer ringförmigen bzw. zylindrischen Position gehalten. Die Ringanordnung kann aus einem Aufnahmering 30 und einem Klemmring 32 bestehen, wie in der 4b) als Einzelheit gezeigt.
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Die 5 zeigt einer Detaillierung des Kontaktstabelements 20. Die Kontaktstabelemente 20 bilden jeweils einen Schaftabschnitt 36 aus, der einen sich in Längsrichtung erstreckenden gleichbleibenden Querschnitt aufweist, wobei der Schaftabschnitt 36 von einer sich trichterförmig aufweitenden Formschräge 38 begrenzt wird. Außerdem bilden die Kontaktstabelemente 20 an einem anderen axialen Ende jeweils eine Kontaktierungsfläche 40 zur Kontaktierung mit der Spannungs-Umschaltmatrix 26 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Statorelement
- 12
- Aufnahmenut
- 14
- Isolationshülse
- 16
- Kupferstab
- 18
- Spannungsquelle
- 20
- Kontaktstabelement
- 22
- Kontaktierungsring
- 24
- Testanordnung
- 26
- Spannungs-Umschaltmatrix
- 28
- Ringanordnung
- 30
- Aufnahmering
- 32
- Klemmring
- 34
- Einführschräge
- 36
- Schaftabschnitt
- 38
- Formschräge
- 40
- Kontaktierungsfläche
