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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer ein- oder mehrfachen Lagenspule, eine Lagenspule, eine elektrische Maschine sowie eine Vorrichtung.
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Lagenspulen der in Rede stehenden Art werden typischerweise aus Flachdrähten gebildet. Diese weisen im Verhältnis einen relativ großen Querschnitt auf, in der Regel einen rechteckigen Querschnitt, und sind nur schwer zu formen. Insbesondere eine automatisierte Herstellung gestaltet sich als schwierig. Aufgrund der guten elektrischen Eigenschaften von Formspulenwicklungen werden diese allerdings zunehmend auch für elektrische Antriebe, wie sie in teil- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden, interessant.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer ein- oder mehrfachen Lagenspule, eine Lagenspule, eine elektrische Maschine sowie eine Vorrichtung anzugeben, welche eine prozesssichere und schnelle Herstellung von Lagenspulen in höchster Qualität ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Lagenspule gemäß Anspruch 10, durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 13 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer ein- oder mehrfachen Lagenspule die Schritte:
- - Bereitstellen eines Flachdrahts;
- - Umformen des Flachdrahts entlang einer Umformrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer zu einem Startabschnitt des Flachdrahts versetzt ausgebildeter Wickelabschnitte, wobei der oder die Wickelabschnitte zum Formen von Spulenlagen ausgebildet oder vorgesehen sind, welche in versetzt zu der Umformrichtung angeordneten Wickelebenen verlaufen;
- - Wickeln des oder der Wickelabschnitte innerhalb der jeweiligen Wickelebene zum Formen einer oder mehrerer Spulenlagen.
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Der Flachdraht ist gemäß einer Ausführungsform ein, insbesondere metallischer, Flachdraht mit einem bevorzugt eckigen, wie beispielsweise quadratischen oder insbesondere rechteckigen, Querschnitt. Der Ausdruck „Flachdraht“ ist explizit nicht dahingehen zu verstehen, dass dieser zwangsläufig einen rechteckigen oder „flachen“ Querschnitt aufweisen muss. Der Flachdraht weist bevorzugt eine Isolationsschicht auf. Typischerweise ist das Material des Flachdrahts Kupfer. Die Isolationsschicht dient insbesondere der elektrischen Isolierung des Leiterelements/Flachdrahts. Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren zwei getrennte oder gesonderte Umformschritte, nämlich das Umformen des Flachdrahts entlang der Umformrichtung zum Erzeugen der Wickelabschnitte, sowie das eigentliche Wickeln bzw. Formen der Spulenlagen innerhalb der Wickelebenen. Diese Aufteilung ermöglicht mit Vorteil eine sehr präzise und insbesondere gut automatisierbare Formgebung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen des Flachdrahts an einem Umformwerkzeug zum Erzeugen eines, insbesondere S-förmigen, Umformbereichs.
Über den vorgenannten Umformbereich wird zweckmäßigerweise der Versatz realisiert. Bevorzugt erfolgt das Umformen beispielsweise mit einem zweiteiligen Umformwerkzeug. Zweckmäßigerweise können damit hohe Umformkräfte realisiert werden, welche zum Formen des Flachdrahts nötig sind. Wie erwähnt, weist der Flachdraht beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Umformrichtung steht bevorzugt senkrecht zu der kurzen Seite des Querschnitts, also insbesondere des rechteckigen Querschnitts. Das Wickeln innerhalb der Wickelebene erfolgt entsprechend über die lange Seite. Hier ist deutlich weniger Kraftaufwand erforderlich. Entsprechend vorteilhaft ist es, diese beiden Prozesse voneinander zu trennen. Die S-förmigen Ausgestaltung bzw. die Ausgestaltung des Umformbereichs als S-Schlag ist über einen Umformvorgang gut zu realisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Erzeugen der Wickelabschnitte vor dem Wickeln der Spulenlagen oder der Spulenlage.
Das Erzeugen der Wickelabschnitte umfasst insbesondere das Einbringen der Umformbereiche. Gemäß einer Ausführungsform wird vor dem Wickeln der Spulenlagen eine Vielzahl von Wickelabschnitten geformt. Gemäß einer Ausführungsform werden sämtliche benötigten Wickelabschnitte vorgeformt. Bei einer dreifachen Lagenspule werden beispielsweise drei Umformbereiche erzeugt. Dies kann vorteilhaft sein, da im Anschluss lediglich noch das Wickeln der Spulenlagen innerhalb der Wickelebenen durchgeführt werden muss. Alternativ ist es auch möglich, die Wickelabschnitte nacheinander zu erzeugen und jeweils zunächst die entsprechende Spulenlage zu fertigen, bevor der jeweils nachfolgende Umformabschnitt eingebracht wird. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die geometrische Ausgestaltung der Umformabschnitt nicht gleich ausgestaltet sein muss. Insbesondere ist der erste Umformbereich, welcher den Startabschnitt mit der ersten Wickelebene verbindet, zweckmäßigerweise anders ausgebildet als ein Umformbereich, welcher zwei Spulenlagen verbindet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Formen eines Endabschnitts der Lagenspule in der letzten oder der einzigen Wickelebene.
Zweckmäßigerweise liegt der Endabschnitt der Lagenspule in der jeweils letzten oder einzigen Wickelebene.
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Das Spulenende, wie auch der Startabschnitt oder der Spulenanfang, überragen die jeweiligen Spulenlage(n) um einen Überstand. Im Bereich des Überstands werden die Lagenspulen in weiteren Verfahrensschritten zum Formen einer Formspulenwicklung miteinander verschaltet bzw. kontaktiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Spulenlagen nacheinander gewickelt. Das Verfahren ermöglicht daher mit Vorteil die Herstellung ein- und mehrfachen Lagenspulen ohne eine Änderung des Verfahrensablaufs, da die einzelnen Spulenlagen jeweils sequentiell gefertigt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Wickeln der zumindest einen Spulenlage von innen nach außen.
Zweckmäßigerweise werden auch alle Spulenlagen gleichsinnig gewickelt. Auch dies kommt der Automatisierbarkeit zugute.
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Zweckmäßigerweise wird für die Herstellung ein Werkzeug oder eine Vorrichtung verwendet, welche insbesondere beim Wickeln der Spulenlagen zum Einsatz kommt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Form- und/oder kraftschlüssiges Arretieren zumindest des Startabschnitts bzw. des Spulenanfangs beim Wickeln.
Zweckmäßigerweise wird der Startabschnitt oder der Spulenanfang in geeigneter Weise fixiert oder eingespannt, während die zumindest eine Spulenlage gewickelt wird. Das Wickeln erfolgt zweckmäßigerweise mittels der vorgenannten Vorrichtung, welche zwei Führungsabschnitte aufweist, über welche die Grundform der Spulenlage vorgegeben wird. Die Führungsabschnitte umfassen zweckmäßigerweise Führungselemente, über welche beispielsweise auch die bereits eingebrachten Umformbereiche gelagert und positioniert bzw. geführt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: - - Einbringen eines Winkels zwischen die Wickelebenen, welcher an einen Nutwinkel, insbesondere beispielsweise eines Stators, angepasst ist.
Die Lagenspulen werden zum Formen einer Formspulenwicklung beispielsweise in die Nuten eines Statorkörpers eingebracht oder dort angeordnet. Die an einer inneren Umfangsfläche des Statorkörpers ausgebildeten Nuten weisen zueinander einen Winkel auf, nämlich den vorgenannten Nutwinkel. Mit Vorteil wird dieser Nutwinkel bereits beim Formen einer mehrfachen Lagenspule berücksichtigt oder vorgehalten. Der Winkel kann gemäß einer Ausführungsform bereits beim Formen der Wickelabschnitte eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Winkel beim Wickeln der Spulenlagen eingebracht werden. Weiter alternativ oder zusätzlich kann der Winkel auch nachträglich, nach dem Formen der Spulenlagen, eingebracht werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Lagenspule, insbesondere hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, geformt aus einem Flachdraht und umfassend zumindest eine Spulenlage, wobei die zumindest eine Spulenlage in einer Wickelebene liegt, welche zu einem Spulenanfang der Lagenspule um einen Versatz versetzt oder beabstandet ist, und wobei der Versatz durch Umformen des Flachdrahts entlang einer Umformrichtung erzeugt ist, welche senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Wickelebene orientiert ist. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile analog und entsprechend für die Lagenspule, wie auch für die später erwähnte elektrische Maschine und die Vorrichtung gelten, wie auch umgekehrt und untereinander.
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Die Lagenspule umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Vielzahl von Spulenlagen, wobei die Spulenlagen jeweils um einen Versatz zueinander beabstandet sind, und wobei der Versatz durch Umformen des Flachdrahts entlang einer Umformrichtung erzeugt ist, welche senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu den Wickelebenen der Spulenlagen orientiert ist. Zweckmäßigerweise ist der Versatz jeweils getrennt von den Spulenlagen erzeugt. Der Versatz wird also nicht beim Wickeln der Spulenlagen selbst eingebracht, sondern bereits vorher. Hierzu wird zweckmäßigerweise ein Umformwerkzeug, beispielsweise ein entsprechendes Gesenk, verwendet. Der Versatz wird über entsprechend ausgebildete Umformbereiche im Flachdraht realisiert, wobei der Umformbereich bevorzugt S-förmig ausgebildet ist. Ein derart S-förmiger Umformbereich kann auch als S-Schlag bezeichnet werden. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnt, werden derartige S-Schläge zweckmäßigerweise gesondert von den Spulenlagen selbst erzeugt bzw. hergestellt. Dies bedeutet allerdings nicht, dass der Umformbereich beim Wickeln keinerlei nachträgliche Verformung erfährt. Wenn nötig, kann ein Umformbereich auch beim Wickeln der Spulenlagen noch eine, wenn auch im Verhältnis geringere, Verformung erfahren.
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Der jeweilige Endabschnitt des Flachdrahts bzw. der Lagenspule liegt zweckmäßigerweise in der letzten oder der jeweils einzigen Wickelebene. Die Spulenlagen sind zweckmäßigerweise von innen nach außen und jeweils gleichsinnig gewickelt, was der Automatisierbarkeit des Herstellverfahrens zugutekommt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Lagenspule mehrere Spulenlagen auf, welche in einem Winkel zueinander orientiert sind, welche an einen Nutwinkel angepasst sind. Dies erleichtert die Anordnung von mehrfachen Lagenspulen in den Nuten beispielsweise eines Stator-Körpers. Damit ist insbesondere auch gewährleistet, dass beispielsweise die Isolation der Lagenspule beim Anordnen in den Nuten nicht beschädigt wird.
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Die Erfindung richtet sich auch auf eine elektrische Maschine, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Lagenspule. Zweckmäßigerweise umfasst die elektrische Maschine einen Stator oder Rotor, welcher eine Formspulenwicklung aufweist, welche aus den erfindungsgemäßen Lagenspulen gebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator der elektrischen Maschine eine Formspulenwicklung auf, welche aus den erfindungsgemäßen Lagenspulen aufgebaut ist bzw. welche aus Lagenspulen besteht, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Traktionsmotor eines teil- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wie eines Kraftrads, eines Personenkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend zwei Führungsabschnitte, über welche ein Flachdraht zum Formen einer oder mehrerer Spulenlagen gewickelt werden kann, wobei die Führungsabschnitte Führungselemente aufweisen, welche zur Führung des Flachdrahts ausgelegt sind.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung Mittel zum form- und/oder kraftschlüssigen Arretieren des Flachdrahts oder der bereits geformten Lagenspule. Zweckmäßigerweise sind die Mittel zum zumindest bereichs- oder abschnittsweise form- und/oder kraftschlüssigen Arretieren insbesondere zum Halten des Flachdrahts ausgelegt. Damit kann mit Vorteil eine gute Automatisierbarkeit des Verfahrens erreicht werden. Derartige Mittel können beispielsweise als Klemmelemente ausgebildet sein, welche ausgelegt sind, den Flachdraht abschnittsweise zu halten, insbesondere beispielsweise am Spulenanfang bzw. am Startabschnitt des Flachdrahts.
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Die vorgenannten Führungselemente sind gemäß einer Ausführungsform geformt und ausgelegt, die vorgeformten Umformbereiche zu führen bzw. zu halten. Daneben können Führungselemente ausgebildet sein, um die Spulenlagen zu führen bzw. die Form der Wickelebenen vorzugeben bzw. beim Wickeln der Spulenlagen einzuhalten.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens sowie einer Lagenspule und einer Vorrichtung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Flachdrahts sowie eines Formwerkzeugs;
- 2: mehrere Ansichten einer schematisch dargestellten Lagenspule;
- 3: eine schematisch dargestellte mehrfache Lagenspule in einer Seitenansicht;
- 4: eine Ansicht (entlang einer Längsachse gesehen) einer mehrfachen Lagenspule in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt schematisch einen Flachdraht 1, wobei dieser einen Startabschnitt 12 aufweist, welcher um einen Versatz x gegenüber einem Wickelabschnitt 2 versetzt ist. Der vorgenannte Versatz x wird über einen Umformbereich 3 realisiert, welcher auch als S-Schlag bezeichnet werden kann. Eingebracht wird der Umformbereich 3 durch Umformen des Flachdrahts 1 entlang einer Umformrichtung U, wie durch den Pfeil skizziert. Der Wickelabschnitt 2 liegt in der Folge in einer Ebene E, welche um den Versatz x gegenüber dem Startabschnitt 12 versetzt ist. In der rechten Bildhälfte ist schematisch ein Formwerkzeug 20 skizziert, welches ein oberes und ein unteres Gesenk aufweist und welches vorgesehen ist, einen dazwischen angeordneten Flachdraht 1 derart umzuformen, dass ein Umformbereich 3 erzeugt wird. Abhängig davon, ob eine ein- oder mehrfache Lagenspule erzeugt werden soll, können mehrere derartige Umformbereiche 3 erzeugt werden.
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2 zeigt in mehreren schematischen Ansichten eine Ausführungsform einer einfachen Lagenspule. In der mittleren Ansicht ist zu erkennen, wie aus einem Flachdraht 1, wie er in der 1 skizziert ist, eine Lagenspule 10 gebildet ist, welche in einer Wickelebene E eine Spulenlage 16 aufweist. Die Lagenspule 10 umfasst einen Startabschnitt oder Spulenanfang 12 sowie einen Endabschnitt oder ein Spulenende 14, welche die Spulenlage 16 jeweils überragen, vgl. diesbezüglich auch die links dargestellte Ansicht. Die Spulenlage 16 wie auch das Spulenende 14 sind gegenüber dem Spulenanfang 12 über einen Versatz x zueinander versetzt/beabstandet, wobei dieser über einen Umformbereich 3 erzeugt ist. In der linken Ansicht ist die Form bzw. Gestalt der Spulenlage 16 zu erkennen. Insbesondere ist zu erkennen, dass die Spulenlage 16 von innen nach außen gewickelt ist. Rechts ist der Schnitt A-A dargestellt, wie er links skizziert ist. Zu sehen sind die Windungen des Flachdrahts 1 im Schnitt, wobei insbesondere der rechteckige Querschnitt erkannt werden kann. Die Umformrichtung U steht senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der kurzen Seite des Flachdrahts 1. Entsprechend wird beim Umformen entlang der Umformrichtung U viel Kraft benötigt. Vorteilhafterweise wird hierzu entsprechend ein Formwerkzeug 20 verwendet, wie es in der 1 skizziert ist. Das Wickeln selbst zum Formen der zumindest einen Spulenlage 16 erfolgt um die lange Seite herum, wobei hierbei weniger Kraftaufwand erforderlich ist.
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3 zeigt eine mehrfache Lagenspule 10, wobei der Grundaufbau der gleiche ist, wie bei der einlagigen Lagenspule, vgl. die 2. Allerdings sind vorliegend mehrere Wickelebenen E ausgebildet, in welchen jeweils Spulenlagen 16 ausgebildet sind. Entsprechend sind ebenfalls mehrere Umformbereiche 3 ausgebildet. Die Bezugszeichen 30 bezeichnen Führungsabschnitte einer Vorrichtung oder eines Werkzeugs, welches zum Formen der Lagenspule verwendet wird. Die Führungsabschnitte 30 umfassen Führungselemente 32, welche dazu vorgesehen sind, Bereiche oder Abschnitte der Lagenspule 20 zu führen, zu arretieren oder positionieren etc. Insbesondere sind beispielsweise Führungselemente 32 vorgesehen, über welche die Umformbereiche geführt und positioniert werden. Zweckmäßigerweise werden alle Umformbereiche 3 mit Werkzeugen erzeugt, wie sie in der 1 skizziert sind. Dabei müssen allerdings nicht alle Umformbereiche exakt die gleiche Form aufweisen. Insbesondere weist zweckmäßigerweise der Umformbereich zwischen dem Startabschnitt 12 und der ersten Wickelebene E eine andere Form auf als die Umformbereiche 3 zwischen den Wickelebenen E. Bezugszeichen 34 skizziert zwei Klemmelemente, welche ausgelegt sind, den Startabschnitt oder Spulenanfang 12 der Lagenspule 10 beim Wickeln zu arretieren. Alternativ können auch mehrere derartige Klemmelemente 34 zum abschnittsweise Halten der Lagenspule 10 beim Wickeln vorgesehen bzw. angeordnet werden.
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4 zeigt eine Ansicht entlang einer Längsachse einer mehrfachen Lagenspule 10 gesehen, umfassend vorliegend drei Spulenlagen 16. Skizziert ist, dass die Wickelebenen E, in welchen die Spulenlagen 16 verlaufen, nicht parallel zueinander orientiert sind, sondern zueinander in einem Winkel α stehen, welcher zweckmäßigerweise an einen Nutwinkel, beispielsweise eines Stators, angepasst ist, in welchem die Lagenspule 10 angeordnet werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flachdraht
- 2
- Wickelabschnitt
- 3
- Umformbereich, S-Schlag
- 10
- Lagenspule
- 12
- Startabschnitt, Spulenanfang
- 14
- Endabschnitt, Spulenende
- 16
- Spulenlage
- 20
- Formwerkzeug
- 30
- Führungsabschnitte
- 32
- Führungselement
- 34
- Klemmelemente
- x
- Versatz
- α
- Winkel
- W
- Wickelebene
