DE102021127189A1

DE102021127189A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verdichtung von Spulenwindungen von segmentierten Statoren

Info

Publication number: DE102021127189A1
Application number: DE102021127189.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hoffmann; Wolfgang Hill; Dirk Strassburger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023066422A1

Abstract

Verfahren zur Verdichtung von Spulenwindungen (52), die auf einem Zahnkern (10) eines Statorsegments (1) aufgewickelt sind, wobei zwischen Spulenwindungen und dem Zahnkern eine Isolationsschicht (36) angeordnet ist, und der Zahnkern (10) in einer Zahnhöhenrichtung (ZH) zwischen einem Jochbereich (14) und einem Zahnkopf (12) einen Zahnkernhals (16) aufweist und in einer Zahnbreitenrichtung (ZB) zwischen dem Jochbereich (14) und der Zahnkopf (12) in einer Zahnlängenrichtung (ZL) verlaufende Nuthälften (30, 30`) aufweist, worin die Spulenwindungen (52) einliegen, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Spulenwindungen (52) in der Zahnbreitenrichtung (ZB) sowie in der Zahnlängenrichtung (ZL) durch zumindest vier Pressbacken (84, 90, 90' 100, 110', 112, 112') komprimiert werden, sowie eine Vorrichtung wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Vorrichtung zur Komprimierung der Spulenwindungen (52) in einer Zahnbreitenrichtung (ZB) bewegliche Spulenkonturbacken (110, 110`) und in einer Zahnlängenrichtung (ZL) bewegliche Spulenkopfbacken (90, 90`) aufweist sowie ein nach dem Verfahren verdichtetes Statorsegment (1), das jeweils einen Abstandsraum zwischen unisolierten Oberflächen des Zahnkerns (10) im Nutbodenspalt und/oder am Rand der Polfläche (20) des Zahnkopfs (12) zu einer um den Zahnkern (10) gewickelten Spule (50) aufweist

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verdichtung von Spulenwindungen auf einem Zahnkern eines Statorsegments.
Segmentierte Statoren mit Statorsegmenten, die einen Zahnkern und eine darum gewickelte Spule aufweisen, sind hinlänglich bekannt. Statoren, die aus Statorsegmenten zusammengesetzt sind, können beispielsweise in einer Radialflussmaschine mit Innenläufer eingesetzt sein.
DE 10 2006 054 579 A1 zeigt einen segmentierten Stator für einen Elektromotor, der durch eine Mehrzahl von Teilstatoren bzw. Statorsegmenten gebildet ist, welche in Umfangsrichtung des zylindrischen Stators zu einem Stator zusammengesetzt sind. Jeder Teilstator weist einen Zahnkern mit einem Jochabschnitt, der einen Teil der Umfangsrichtung bildet, einen Zahnabschnitt, der sich in radialer Richtung von dem Jochabschnitt aus erstreckt und eine Wicklung oder Spule auf, welche auf den Zahnabschnitt gewickelt ist. Die Wicklung ist in einem Wicklungsaufnahmeabschnitt aufgenommen, welcher durch den Jochabschnitt und den Zahnabschnitt definiert ist. Die Spule wird mittels eines Presswerkzeugs in den Wicklungsaufnahmeabschnitt gepresst.
DE 10 2020 106 735.6 zeigt ein Verfahren zur Verdichtung einer um einen Zahnkern gewickelten Spule, wobei zwei in Umfangsrichtung des Stators gesehen am Statorsegment gegenüberliegend angeordnete Pressbacken eine Presskraft auf die Spule ausüben, wobei die Pressbacken die Spule so weit in eine Statorzahnnut des Statorsegments einpressen, dass die Pressbacken zumindest bereichsweise in die jeweilige Statorzahnnut eintauchen.
Selbst wenn die Spulenwicklungen auf den Zahnkernen der Statorsegmente ideal, wie etwa orthozyklisch, gewickelt werden, wird bei der Verwendung von Runddrähten lediglich ein Füllgrad von etwa 90% erreicht. Das restliche durch die Spulenwindung vereinnahmte Volumen besteht aus Zwischenräumen zwischen den einzelnen Windungen bzw. Windungslagen. Das aus dem Stand der Technik bekannte Pressen soll die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes optimieren, indem die Drähte der Windungen gepresst werden und sich teilweise derart verformen, dass die Zwischenräume zwischen den Drähten verringert werden.
Dies gestaltet sich insofern problematisch, als dass die für das Pressen benötigte Kraft von außen auf die Spulenwindungen aufgebracht wird und sich so eine ungleichmäßige Kraftverteilung der Presskraft in der Spule entwickelt. In Bereichen, in denen eine besonders hohe Kraftwirkung auftritt, besteht die Gefahr, dass die Isolierung des Zahnkerns durch eine besonders starke lokale Belastung durch die die Presskraft weiterleitenden Drähte beschädigt wird. Ferner werden die Drähte beim Verdichten insbesondere am Nutbodenspalt und am Nutschlitz in eine ungünstige Position bewegt, so dass in diesen kritischen Bereichen keine sichere Isolation gewährleistet werden kann. Einzuhaltende Luft- und Kriechstrecken stehen daher im Widerspruch zu einer möglichst vollständigen Füllung der Nut. Bei einer idealerweise orthozyklischen Wicklung ergibt sich durch die Anordnung der Drähte einer oberen Spulenlage in den Rillen der darunter liegenden Spulenlage, einer Weitergabe der auf einen Draht wirkendend Kraft in Richtung der Zahnbreite im Idealfall zu gleichen Teilen an jene zwei Drähte weiter, die für ihn die Rille bilden. Sofern sich Verschiebespalte in der Wicklung bilden, bilden wird diese Kraftspreizung weitgehend aufgehoben und die Kraft wird vorwiegend nur an einen Draht weitergegeben. So kann es vorkommen, dass in der ersten Lage, die an dem Zahnkern bzw. der Isolation des Zahnkerns anliegt, sich eine hohe Kraft in einem Draht am Rand des Verschiebespalts akkumuliert. Diese unerwünschte Kraftkonzentration erhöht an dieser Stelle das Risiko eines Schadens in der Kernisolation.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, welche die vorstehend genannten Nachteile des Stands der Technik beseitigen und die Herstellung einer raumoptimierten Spule ermöglicht, sowie ein nach dem Verfahren bewickeltes Statorsegment.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 und 11. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Für ein Verfahren zur Verdichtung von Spulenwindungen, die auf einem Zahnkern eines Statorsegments aufgewickelt sind, wobei zwischen Spulenwindungen und dem Zahnkern eine Isolationsschicht angeordnet ist, und der Zahnkern in einer Zahnhöhenrichtung zwischen einem Jochbereich und einem Zahnkopf einen Zahnkernhals aufweist und in einer Zahnbreitenrichtung zwischen dem Jochbereich und der Zahnkopf in einer Zahnlängenrichtung verlaufende Nuthälften aufweist, worin die Spulenwindungen einliegen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Spulenwindungen in der Zahnbreitenrichtung sowie in der Zahnlängenrichtung durch zumindest vier Pressbacken komprimiert werden.
Eine bevorzugt orthozyklisch gewickelte Spule, die mit ihren Spulenwindungen auf einen isolierten Zahnkern eines Statorsegments gewickelt ist und deren Spulendraht bzw. Draht bevorzugt runder Lackdraht ist, soll nach dem Wickeln der Spule auf den Zahnkern und vor dem Zusammenbau des aus mehreren bewickelten Zahnsegmenten bestehenden Stators in einer Vorrichtung durch Druckkräfte nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren verdichtet werden.
Unter einer Verdichtung in Zahnhöhenrichtung ist eine, bezogen auf einen aus Statorsegmenten mit den Zahnkernen zusammengesetzten Stator im Falle einer Radialflussmaschine eine Verdichtung in radialer Richtung zu verstehen. In demselben Bezugssystem ist unter eine Verdichtung in Zahnbreitenrichtung eine tangentiale Verdichtung (tangential entspricht umfänglich im Stator der Rotationsmaschine) zu verstehen. Eine Verdichtung in Zahnlängenrichtung bildet die letzte verbleibende Raumrichtung, nämlich in Bezug auf den Stator die axiale Richtung in einer Radialflussmaschine bzw. die radiale Richtung in einer Axialflussmaschine. Die Erfindung ist nicht auf Radialflussmaschinen beschränkt, sondern ist auch für die Herstellung von Statorsegmenten von Axialflussmaschinen anwendbar. Entsprechend den obigen Ausführungen für eine Radialflussmaschine sind bei der Herstellung von Segmentspulen für eine Axialflussmaschine die Zahnlängenrichtung radial statt axial zu verstehen und damit mit der Zahnhöhenrichtung vertauscht, während die Zahnbreitenrichtung als Umfangsrichtung gleich zu verstehen ist, wie in der Radialflussmaschine.
Der vorgesehene Verfahrensschritt, nämlich, dass die Spulenwindungen in der Zahnbreitenrichtung sowie in der Zahnlängenrichtung durch zumindest vier Pressbacken komprimiert werden, gestaltet sich vorteilhaft, denn durch die Komprimierung der Spulenwindungen in beiden Richtungen wirkt sich die durch die Kompression der Spulenwindungen hervorgerufene Volumenänderung der Spulenwindungen nur in den Eckbereichen des Zahnkerns, nämlich in den Übergangsbereichen der in Zahnlängen- bzw. Zahnbreitenrichtung verlaufenden Seiten aus. Dadurch wird eine unerwünschte Verlängerung der Spule in einer der Richtungen vermieden. Durch die mehrseitige Verpressung wird die Spule, im Querschnitt gesehen, eckiger. Die Spulendrähte bewegen sich von der Wickelkante (Eckbereich zwischen den in Zahnlängen- bzw. Zahnbreitenrichtung verlaufenden Seiten) weg. Dies gestaltet sich vorteilhaft für das Isoliersystem, da so eine hohe Presskraft zwischen den Drähten in den Biegezonen reduziert wird. Es entstehen vielmehr in den Biegezonen zwischen den Drähten zumindest teilweise kleine Abstände, die in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem späteren Verfahrensschritt durch Imprägnierharz gefüllt werden können. Diese optionalen Imprägnierharzschichten unterstützen die durch Streckung verdünnten Lackschichten des Leiterdrahts in den Biegezonen außerhalb des Nutraums strukturell.
Durch die Verdichtung der Spulenwicklung in zwei Raumrichtungen erhöht sich die im Verdichtungsvorgang zulässige Kraft in Zahnbreitenrichtung. Dies bewirkt, dass ein höherer Umformgrad der äußeren Spulenwindungen erreicht werden kann. Auf diese Weise können mehr Windungen oder in einer alternativen Ausgestaltung dickere Windungsdrähte bei einem gleichbleibenden Nutquerschnitt realisiert werden, wodurch der Nutfüllfaktor steigt und zu einer Verringerung der Wicklungsverluste beiträgt. Die Einsparung von Verlustleistung führt in vorteilhafter Weise im Gesamtsystem zu Einsparungen bei der Energiespeichergröße und der Kühlsystemleistung sowie zu einer generellen Senkung des Energiebedarfs über die Betriebsdauer. Weiter wird durch die Verdichtung in Zahnbreitenrichtung und Zahnlängenrichtung die thermische Leitfähigkeit innerhalb der Spule in diese Richtungen und zusätzlich auch in Zahnhöhenrichtung durch das Schließen von Hohlräumen bei der Deformation der Drahtquerschnitte wesentlich verbessert, was zu einer niedrigeren Temperatur im Spulenbereich nahe der Nutöffnung führt. Auch die Absenkung der Leitertemperatur senkt die Wicklungsverluste und leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Effizienz des Stators. Die Verdichtung bewirkt sowohl im Nutraum als auch im Spulenkopfraum, dass die Spulendrähte flächiger und damit besser aneinander liegen. Der verringerte Wärmewiderstand zwischen den Drähten führt zu einem geringeren Temperaturgradienten zwischen den äußeren Lagen und der innersten Lage der Spule, wobei die erste direkt am Zahnkern liegende Lage die Wärme über die Nutisolation an den Zahnkern weitergeben kann, der dann wiederum mit dem Kühlmantel in Kontakt steht. Dieser verbesserte Wärmefluss in der Spule zur Wärmesenke Zahnkern/Kühlmantel gilt nicht nur in der Nut, sondern auch in den beiden Spulenköpfen - deshalb in Zahnbreitenrichtung und Zahnlängenrichtung.
Weiter bewirkt die Deformation des Runddrahts auch eine Ausdehnung des Drahtquerschnitts in Zahnhöhenrichtung, so dass auch in diese dritte Richtung die Wärmeleitfähigkeit in der Spule verbessert wird. Das ist besonders vorteilhaft, da bei einer Mantelkühlung in den Zahnkernen ein hoher Temperaturgradient entsteht. Das verwendete Elektroblech weist nämlich eine ca. 18-fach schlechtere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer auf. Aus diesem Grund ist eine Verbesserung der Wärmeleitung innerhalb der Spule in Zahnhöhenrichtung besonders vorteilhaft, um die Spitzentemperatur in der Spule zu senken.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Komprimieren der Spulenwindungen in der Zahnlängenrichtung zumindest teilweise vor dem Komprimieren der Spulenwindungen in der Zahnbreitenrichtung erfolgt oder mit der ersten Stufe beginnt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Komprimieren in Zahnlängenrichtung und/oder in Zahnbreitenrichtung bevorzugt zeitgleich oder nach dem Komprimieren der Spulenwindungen in der Zahnlängenrichtung weggesteuert und mit Kraftüberwachung.
Bevorzugt beginnt der Verdichtungsprozess der Spulenwindungen in der Zahnlängenrichtung bevorzugt in einer ersten Stufe mit einer zunächst geringeren Startkraft an den Spulenköpfen in Zahnlängenrichtung, wobei die beiden Spulenkopfbacken vorzugsweise kraftgesteuert und wegüberwacht einen ersten Soll-Verdichtungszustand der beiden Spulenköpfe erzeugen. Die Spulenkonturbacken bringen dadurch in Zahnbreitenrichtung noch keine wesentliche Kraft in die im Nutraum angeordneten Bereiche der Spule ein, so dass als optionaler Zwischenschritt eine Verdichtung der Spule in den beiden Nutraumhälften in Zahnhöhenrichtung durch Nutbodenbacken und Nutöffnungsbacken erfolgen kann. Die von den Spulenkopfbacken eingebrachte Kraft in Zahnlängenrichtung entspannt die vom Drahtzug beim Wickeln vorgespannten Windungen der Spule im Raum der beiden Nuthälften und begünstigt so die Verdichtung in Zahnhöhenrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung ist für die vorstehend beschriebene zweistufige Verdichtung in Zahnlängenrichtung vorgesehen, dass die volle Verdichtung der Spulenköpfe in der zweiten Stufe parallel bzw. synchron zur Verdichtung in Zahnbreitenrichtung erfolgt. Dieses zweistufige Verdichten in Zahnlängenrichtung Richtung ermöglicht einen höheren Verdichtungsgrad in den Spulenköpfen, ohne dass sich die Spule in der ersten Stufe zu stark über die Wickelkanten schiebt und/oder die Verdichtung in Zahnhöhenrichtung nahe der Spulenköpfe zu stark durch die Fixierung der Spulendrähte durch eine starke Verdichtung in Zahnlängenrichtung beeinträchtigt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für die Verdichtung in Zahnlängenrichtung vorgesehen, dass sich die Spulenkopfbacken in einer zweiten Stufe zeitgleich mit den Spulenkonturbacken bewegen und nun bevorzugt weggesteuert und kraftüberwacht in ihre vorbestimmte Sollposition gebracht werden. Die erfassten Presskräfte in Zahnlängenrichtung sind somit in der ersten Stufe zunächst moderat und sorgen nur für eine präzise Ausrichtung, eine Reduktion der Bauchung in diesem Bereich und eine geringe Abplattung der Drähte an der Spulenkopfoberfläche. Durch die Erfassung beider Größen, Weg und Kraft, in beiden Bewegungsstufen wird das Wickelergebnis in vorteilhafter Weise kontrolliert und zu groß geratene Spulen können schon früh erkannt werden.
Vorzugsweise erfolgt das Komprimieren der Spulenwindungen in Zahnlängenrichtungen mittels zwei Spulenkopfbacken, die in Zahnlängenrichtung aufeinander zu bewegt werden. So wird vorteilhaft eine definierte Gesamtlänge der Zahnsegmente einschließlich der aus den Spulenwindungen an den Zahnlängenseiten ausgebildeten Spulenköpfe und eine definierte Länge der beiden Spulenköpfe über die Stirnseite der isolierten Zahnkerne hinaus erreicht. Dies wird in einer weiteren Ausgestaltung durch die starre Fixierung des Zahnkerns und das unabhängig geregelte Anfahren der beiden Sollpositionen für die Spulenkopfbacken durch zwei unabhängig gesteuerte Stellantriebe erreicht. Somit wird erreicht, dass eine elektrische Maschine mit einem nach dem Verfahren hergestellten Statorsegment die im Gehäuse für den Stator verfügbare Baulänge dank einer kleinen Längentoleranz unter Berücksichtigung von Luft- und Kriechstrecken optimal ausnutzen kann. Die oben beschriebene Kompression der Spulenwindungen in der Zahnlängenrichtung mittels eines zweistufigen Vorgangs ist analog auch auf das hier beschriebene Komprimieren der Spulenwindungen in Zahnlängenrichtungen mittels zweier Spulenkopfbacken mit sämtlichen oben beschriebenen Vorteilen anwendbar.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass durch die Kompression der Spulenwindungen in der Zahnlängenrichtung eine Aufbauchung der Spulenwindungen in Zahnbreitenrichtung erfolgt. Diese Aufbauchung kann in dem nachfolgenden Komprimieren der Spulenwindungen in der Zahnbreitenrichtung korrigiert werden, wobei die Kompression in Zahnbreitenrichtung vorzugweise mittels Spulenkonturbacken erfolgt, welche bevorzugt zeitgleich weggesteuert und mit Kraftüberwachung in Zahnbreitenrichtung aufeinander zu bewegt werden. Durch das nachgelagerte Verpressen der Spulenwindungen in Zahnbreitenrichtung wird die Aufbauchung vorzugsweise wieder gen Null reduziert oder zumindest soweit reduziert, dass die Überlänge der Spulenwindungen vollständig oder weitestgehend in die vier Ecken der Spule verlagert wird. Während der Kompression in Zahnbreitenrichtung wirken die Spulenkopfbacken in der Zahnlängenrichtung vorzugsweise als unbewegliche Anschläge oder bewegen sich in einer bevorzugten Ausgestaltung zeitgleich und über eine übergeordnete Steuerung abgestimmt in einer zweiten Stufe in ihre Sollposition, wodurch die gewünschte Verformung der Spulenwindungen in die Eckbereiche vorteilhaft gefördert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Verdichtung in Zahnlängenrichtung und in Zahnbreitenrichtung zeitlich aufeinanderfolgend oder auch überschneidend erfolgen. Zur Sicherstellung der gewünschten Raumfreihaltung in beiden Richtungen ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Verdichtung in Zahnbreitenrichtung zeitlich nach der Verdichtung in Zahnlängenrichtung abgeschlossen ist, da die Verdichtung in Zahnlängenrichtung vorzugsweise weniger Kraft in die Spulenwindungen einbringt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Zahnkern vor dem Komprimieren der Spulenwindungen in Zahnhöhenrichtung eingespannt wird, wobei der Jochbereich in einer Halterungskonsole eingesetzt ist, und über die Polfläche am Zahnkopf in Zahnhöhenrichtung durch eine Halte- und Verdichtungsvorrichtung eingespannt wird. Bevorzugt ist der Zahnkern hierbei zwischen einer Halterungskonsole und einem Haltebacken in Zahnhöhenrichtung eingespannt. Die Halterungskonsole kann Teil eines Werkstückträgers sein, der das Statorsegment in und aus der Verdichtungsstadion befördert.
Durch das Einspannen des Zahnkerns und der bevorzugten Ausgestaltung mittels der beiden Halterungselemente in Zahnhöhenrichtung, wird die Position des Zahnkerns in Bezug auf die Pressbackten sichergestellt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Halterungskonsole in Zahnbreitenrichtung Anschläge aufweist, zwischen die der Jochbereich des Zahnkerns in den Werkstückträger eingesetzt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das Einspannen des Zahnkerns die Halte- und Verdichtungsvorrichtung mit einem Haltebacken in Zahnhöhenrichtung vorzugsweise weggesteuert und kraftüberwacht auf die Polfläche des Zahnkerns zubewegt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Komprimieren der Spulenwindungen in Zahnbreitenrichtung ein Nutöffnungsbacken der Halte- und Verdichtungsvorrichtung die im Bereich der Nutöffnung liegenden Spulenwindungen von der Polfläche aus in Zahnhöhenrichtung komprimiert, wobei in einer bevorzugten Ausgestaltung die in den Nuthälften angeordneten Bereiche der Spule zumindest teilweise verdichtet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Nutöffnungsbacken der Halte- und Verdichtungsvorrichtung bevorzugt kraftgesteuert und wegüberwacht in der Zahnhöhenrichtung über einen Stellweg in Richtung des Jochbereichs bewegt wird. Durch die hohe Spurzahl pro Lage wird die Verdichtung in Zahnhöhenrichtung nämlich durch eine große Summentoleranz beeinflusst und erfolgt daher wie vorstehend beschrieben bevorzugt kraftgesteuert und wegüberwacht. D.h. es wird so weit gefahren, bis eine gewisse Stellkraft erreicht wird. Der Weg schwankt dadurch je nach Toleranzlage des eingesetzten Drahts im Bereich weniger Zehntelmillimeter. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform können die Schenkelenden des insbesondere U-förmigen Nutöffnungsbackens die Drähte von der Nutöffnung weg zur Mitte der Spulenquerschnittsfläche drücken. In einer weiteren Ausgestaltung kann ein Freiraum im Bereich der Nutöffnung geschaffen werden. Dadurch werden die Luft- und Kriechstrecken von den am ungünstigsten angeordneten Spulendrähten zur nicht isolierten Polfläche des Statorkerns oder durch die Nutöffnung zum Rotorkern deutlich erhöht und damit die Basisisolation an dieser kritischen Stelle verbessert. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Freiraum später in einem Imprägnierprozess mit Isolierharz beschichtet oder gefüllt werden, wobei vorzugsweise ein Tauchimprägnierpropzess eine sichere Harzbeschichtung gewährleitet. Weiter reduziert die Verschiebung der Spulendrähte in Zahnhöhenrichtung weg von der Nutöffnung in vorteilhafter Weise die Skin- und Proximityverluste in den Windungen nahe der Nutöffnung, was ebenfalls zur Effizienzsteigerung beiträgt.
Die Verdichtung der Spulenwindungen in der Zahnhöhenrichtung vermindert die Hohlräume, die sich aufgrund der Durchmessertoleranzen des verwendeten Leiterdrahts in den Lagen der Spule zwischen den Spulenwindungen bilden, wenn der Draht beispielsweise negative Durchmessertoleranzen aufweist oder in anderen Worten, wenn der Spulendraht einen kleineren Außendurchmesser ausweist als der maximale Drahtdurchmesser auf den der Nutraum ausgelegt wurde. Insbesondere bei einer hohen Windungszahl pro Lage summieren sich geringe Drahtdurchmessertoleranzen zu einer größeren Summentoleranz auf. Diese Summentoleranz erzeugt bei einer ungleichmäßigen Presskraftverteilung in Zahnbreitenrichtung auf der Längsseite, die insbesondere an den Lagestufen und bei einer gewünschten Trapezform des Zielquerschnitts entsteht, Verschiebungsspalten im Spulenaufbau, die eine Kraftspreizung vermindern. Dies hat zur Folge, dass lokale Kraftspitzen an einzelnen Windungen der untersten Lage erzeugt werden. Diese ungleichmäßige Verteilung der Kraft auf die Isolierung innerhalb der Windungen der ersten Lage führt zur Beschädigung der Isolierung an jenen Stellen, die eine besonders hohe lokale Kraftwirkung aufweisen. Der Vorteil der Verdichtung der Spulenwindungen in der Zahnhöhenrichtung ist nicht nur die vorstehend beschriebene verbesserte Kraftspreizung, sondern auch eine Absicherung des Drahtabstands zur unisolierten Polfläche des Zahnkerns und zusätzlich eine Minderung der Stromverdrängungseffekte in den Windungen nahe der Nutöffnung.
Durch die vorgesehene Kompression mittels des Nutöffnungsbackens ergibt sich neben der Kompression der Spulenwindungen in der Zahnhöhenrichtung eine weitere Kraftkomponente in der Zahnbreitenrichtung und eine Reduktion bis zur Vermeidung von Abständen zwischen benachbarten Spulendrähten, wodurch eine günstige Ausrichtung der Drähte im Spulenquerschnitt mit Berührungslinien zu allen Nachbardrähten weitestgehend erreicht wird, was die Kraftspreizung in der Spule insbesondere auch für die Kompression in der Zahnbreitenrichtung verbessert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass vor dem Komprimieren der Spulenwindungen in der Zahnbreitenrichtung Nutbodenbacken bezogen auf die Zahnhöhenrichtung zwischen mindestens einer Spulenwindung und dem Jochbereich des Zahnkerns in der Zahnbreitenrichtung eingeschoben werden. Bevorzugt werden nach den Spulenkopfbacken zunächst die Nutbodenbacken kraftüberwacht in Position gebracht. Dann folgt anschließend oder zeitlich überscheidend die Kompression durch den Nutöffnungsbacken.
Das Einschieben der Nutbodenbacken, welche bevorzugt eine konische Form mit einer mit dem Abstand zum Zahnhals ansteigenden Dicke in Zahnhöhenrichtung aufweisen, trägt ebenso, wie das vorstehend beschriebene Komprimieren der Spulenwindungen mittels des Nutöffnungsbackens zu einer Kompression in der Zahnhöhenrichtung bei, wobei die Nutbodenbacken, welche in einer Ausführungsform eine Keilform aufweisen, eine Kraftkomponente in der Zahnbreitenrichtung und bevorzugt Kraftkomponenten in der Zahnbreitenrichtung und der Zahnhöhenrichtung auf die Spulenwindungen ausüben. Es ergibt sich hierdurch derselbe Effekt auf die Kraftspreizung der in den Nuthälften einliegenden Spulenwindungen, wobei die Krafteinleitung hier nicht von der Seite des Zahnkopfes (s.o. zu den Nutöffnungsbacken), sondern von der Seite des Jochbereichs erfolgt.
Die beiden Nutbodenbacken übernehmen, wie der Nutöffnungsbacken, eine Funktion zur Absicherung der Basisisolation zwischen den Spulendrähten und dem metallischen Zahnkern, wobei die Nutbodenbacken einen Freiraum schaffen, der den Abstand der Spulenwindungen am Nutboden zum Spalt in der Nutisolation an der Stoßstelle zwischen benachbarten Statorsegmenten vergrößert und absichert. Auch dieser zweite Freiraum (nun am Nutboden ergänzend zu jenem an der Nutöffung) kann vorteilhaft durch ein Isolierharz beschichtet oder gefüllt werden, wobei bevorzugt ein Tauchimprägnierverfahren eine besonders sichere Harzbeschichtung gewährleistet.
Während die Nutbodenbacken vom Joch des isolierten Zahnkerns eingeschränkt eine auf die Zahnbreitenrichtung beschränkte Bewegung durchführen und die Verdichtung in Zahnhöhenrichtung nur durch ihre Keilform erzeugen, kann der Nutöffnungsbacken in einer bevorzugten Ausgestaltung von der Nutöffnung aus auch eine bevorzugt kraftgesteuerte Bewegung in Zahnhöhenrichtung ausführen, welche abhängig vom realen Außendurchmesser des verwendeten Spulendrahts bevorzugt einen etwas größeren oder kleineren Weg in Zahnhöhenrichtung zurücklegt. Auf diese Weise erzeugt der Nutöffnungsbacken so den Großteil der Verdichtung der Spulenlagen in der Zahnhöhenrichtung Zur Vermeidung von Verschiebungsspalten beträgt der Variationsbereich des Verdichtungswegs in Zahnhöhenrichtung aufgrund der kleinen Drahtdurchmessertoleranzen auch bei einer Aufsummierung allerdings nur wenige Zehntelmillimeter.
Um die Wirkung der Kompression in Zahnhöhenrichtung möglichst auf den gesamten Querschnitt der Spule im Nutraum zu erreichen, bewegt sich der Nutöffnungsbacken in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bis zum Erreichen einer zulässigen Maximalkraft in Richtung Nutboden. In einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die dabei erreichte Position erfasst und der Nutöffnungsbacken fährt gemäß einer in der Software des Stellantriebs gespeicherten Tabelle wieder ein Stück zurück, um die Kompressionsarbeit des danach einwirkenden Spulenkonturbackens nicht einzuschränken, sondern zu unterstützen. Wie vorzugsweise alle Pressbacken wird auch der Nutöffnungsbacken in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung individuell überwacht angesteuert, wobei er im Gegensatz zu den anderen Pressbacken allerdings eine variable Endposition in einem zulässigen Stellwegbereich, der beispielsweise 20 bis 35% des Drahtdurchmessers entspricht, einnehmen kann. Durch die Variation der Endposition kann der Drahtabstand zum Nutöffnung im Rahmen der Möglichkeiten, die sich durch die Drahtdurchmessertoleranz ergeben, maximiert werden und damit auch die Vorteile für die Basisisolation und die AC-Verluste in den Drähten. Alle anderen Pressbacken können vorzugsweise auf eine feste Endposition bewegt werden und so beispielsweise in der Nutmitte einen definierten Spalt zwischen benachbarten Spulen bilden, der sich in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zuverlässig und produktiv mit einem Imprägnierharz füllen lässt.
Durch die vorstehend beschriebene Kompression in Zahnhöhenrichtung durch die Nutbodenbacken und/oder durch den Nutöffnungsbacken (Randbacken) kann das Beschädigungsrisiko der Isolationsschicht des Zahnkerns auch bei hohem Pressdruck in Zahnbreitenrichtung erheblich reduziert werden, da durch die Krafteinleitung mittels der Nutbodenbacken und/oder durch den Nutöffnungsbacken eine gute Kraftspreizung durch Vermeidung der Verschiebespalte gewährleistet wird. Die Nutbodenbacken bzw. der Nutöffnungsbacken können Verschiebespalte weitgehend vermeiden, indem sie die Spule in Zahnhöhenrichtung bevorzugt intelligent gesteuert und überwacht zusammenschieben. Durch eine solche vorzugsweise Weg- bzw. Kraftsteuerung wird die Presskraft der Nutbodenbacken bzw. der Nutöffnungsbacken in einer bevorzugten Ausführungsform abhängig von der aktuell vorliegenden Toleranz des Drahtdurchmessers variiert und wird in einer weiter bevorzugten Ausführungsform durch Kraftsensoren und Wegsensoren für die Prozesskontrolle erfasst. In einer Variante der Erfindung kann bei erfasster zu geringer Kraft die Wegsteuerung den Verdichtungsweg erhöhen. In der ersten Stufe der Verdichtung in Zahnlängenrichtung und in der Verdichtung in Zahnhöhenrichtung durch den Nutöffnungsbacken wird vorteilhaft die Kraft gesteuert und der Weg überwacht. Währen an den Außenflächen der Spule (zwei Außenflächen in Zahnbreitenrichtung und zwei Außenflächen in Zahnlängenrichtung) bevorzugt eine die Wegsteuerung genutzt wird um eine präzise Sollposition zu erreichen kann in einer weiteren Ausgestaltung in der Nutöffnung ein möglichst weiter Weg gefahren werden, der den Drahtabstand zur Nutöffung maximiert. Optional kann vorgesehen sein, dass auch hier weggesteuert auf die maximale Zielbereichsgrenze zurückgefahren wird, wenn die Endposition einen bevorzugt möglichst groß gewählten Zielbereich überschreitet. Die Flexibilität den Weg oder die Kraft als Sollgröße in der Ansteuerung zu nutzen, ist durch die Erfassung beider IstWerte, Kraft und Weg, möglich.
Das vorgenannte gilt für alle Kraft- bzw. Wegsteuerungen und Kraft- bzw. Wegüberwachungen in der Zahnbreitenrichtung, Zahnlängenrichtung oder Zahnhöhenrichtung, die vorstehend oder nachfolgend beschrieben sind.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der überwiegende Teil der Verschiebung in Zahnhöhenrichtung bevorzugt auf der Seite der Nutöffnung. Auf diese Weise reduziert ein größerer Abstand der Spulendrähte zum Luftspalt die Stromverdrängungsverluste. Insbesondere bei Radialflussmaschinen mit Innenläufer kann von der Nutöffnung aus meist die vorletzte Wicklungslage direkt mit einer Kraft in Zahnhöhenrichtung beaufschlagt werden. Für den Fall, dass das Statorsegment für eine Innenläufermaschine vorgesehen ist, kann von der Jochseite bzw. am Nutboden vorwiegend die letzte Lage der Spule mit einer Kraft in Zahnhöhenrichtung beaufschlagt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, dass für das Komprimieren der Spulenwindungen in Zahnbreitenrichtung vorgesehen ist, dass die Spulenwindungen in der Zahnbreitenrichtung durch Spulenkonturbacken zu dem Zahnkernhals beidseitig zeitgleich gedrückt werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich der Zahnkern während dem Komprimieren der Spulenwindungen in Zahnbreitenrichtung nicht bewegt, so dass beide Spulenoberflächen in der Nutmitte, also auf beiden Seiten in Zahnbreitenrichtung, einen für sie vorgesehenen Abstand zur Zahnhalsmitte bzw. zur in Zahnhöhenrichtung verlaufenden Mittellinie des Zahnhalses aufweisen. Durch sehr geringe Konturabweichungen der Spulenoberflächen in der Nutmitte kann der für die Phasentrennung erforderliche Spalt zwischen benachbarten Spulen in der Nut minimiert und damit der Kupfernutfüllfaktor maximiert werden. Bevorzugt weisen die Oberflächen in der Nutmitte von beiden Spulenhälften in Zahnbreitenrichtung exakt ihren Soll-Abstand von der Symmetrielinie in Zahnhöhenrichtung in der Kernmitte auf. Hierdurch kann der Spalt zwischen benachbarten Spulen minimiert und der Nutfüllfaktor erhöht werden.
Durch die Spulenkonturbacken erfolgt die Breitenverdichtung vorzugsweise beidseitig zeitgleich und/oder jeweils weggesteuert und/oder kraftüberwacht. In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Spulenkonturbacken in Zahnhöhenrichtung einen kleinen Spalt zu den Randbacken (Nutbodenbacken, ggf. Nutöffnungsbacken) auf. Dieser Spalt kann durch eine hohe Präzision der Backengeometrie und durch Gleitschichten sehr klein gehalten werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Spulenkonturbacken mit einem zusätzlichen gefederten Bereich ausgeführt werden. Dies gestaltet sich insbesondere dann vorteilhaft, wenn trapezförmig gestufte Spulen, welche mindestens eine Lagenstufe in der Oberfläche aufweisen auf den Zahnkern gewickelt sind. Dieser gefederte Bereich erzeugt vorzugsweise im Bereich radial innerhalb der Spulenstufe bei der Bewegung des Spulenkonturbackens einen früheren Kontakt zur vorletzten Spulenlage und baut so in diesem Bereich vor der Lagenstufe in der vorletzten Spulenlage und den Lagen darunter bereits eine mechanische Vorspannung auf, bevor die Hauptkraft auf die erste Windung der letzten Spulenlage an der Lagenstufe ihre volle Wirkung entfaltet. Diese Vorspannung begünstigt ebenso wie die Kraftkomponente in Zahnhöhenrichtung durch die Randbacken eine optimale Kraftspreizung der maximalen Presskraft, die an der Lagenstufe wirkt und in der ersten Windung der letzten Spulenlage die höchste Deformation des Drahtquerschnitts erzeugt.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Verdichtung von in Nuthälften eines Zahnkerns einliegenden Spulenwindungen, wobei die Nuthälften zwischen einem Jochbereich und einem Zahnkopf des Zahnkerns liegen und zwischen dem Jochbereich und dem Zahnkopf ein Zahnkernhals mit einer Isolationsschicht zur Isolierung des Nutgrunds der Nuthälften ausgebildet ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Vorrichtung zur Komprimierung der Spulenwindungen in einer Zahnbreitenrichtung bewegliche Spulenkonturbacken und in einer Zahnlängenrichtung bewegliche Spulenkopfbacken aufweist. Bevorzugt ist die Isolierung an der gesamten Oberfläche angeordnet, die an den Nutraum angrenzt, also bevorzugt an den Nutwänden (Nutboden, Zahnhals und Polschuh).
Die Bewegung der Spulenkonturbacken bzw. Spulenkopfbacken kann, wie oben bereits ausführlich beschrieben, vorzugsweise jeweils beidseitig zeitgleich und/oder jeweils weggesteuert, kraftgesteuert und/oder kraft- bzw. wegüberwacht erfolgen. Durch die Komprimierung der Spulenwindungen in beiden Richtungen wirkt sich die durch die Kompression der Spulenwindungen hervorgerufene Volumenänderung der Spulenwindungen nur in den Eckbereichen des Zahnkerns, nämlich in den Übergangsbereichen der in Zahnlängen- bzw. Zahnbreitenrichtung verlaufenden Seiten aus. So wird eine unerwünschte Verlängerung der Spule in einer der Richtungen nicht nur vermieden, die Länge der Spule wird durch die Kompression in Zahnlängenrichtung merklich verringert und dabei auf ein definiertes Maximalmaß beschränkt, was eine hohe Leistungsdichte der Elektromaschine begünstigt. Durch die mehrseitige Verpressung wird die Spule im Querschnitt gesehen eckiger. Die Spulendrähte bewegen sich von der Wickelkante (Eckbereich zwischen den in Zahnlängen- bzw. Zahnbreitenrichtung verlaufenden Seiten) weg. Dies gestaltet sich vorteilhaft für das Isoliersystem, da so eine hohe Presskraft zwischen den Drähten in den Biegezonen reduziert wird. Es entstehen vielmehr in den Biegezonen zwischen den Drähten zumindest teilweise kleine Abstände, die in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem späteren Verfahrensschritt durch Imprägnierharz gefüllt werden können. Diese optionalen Imprägnierharzschichten unterstützen die durch Streckung verdünnten Lackschichten des Leiterdrahts in den Biegezonen außerhalb des Nutraums strukturell.
Durch die Verdichtung der Spulenwicklung in zwei Raumrichtungen erhöht sich außerdem die im Verdichtungsvorgang zulässige Kraft in Zahnbreitenrichtung. Dies bewirkt, dass ein höherer Umformgrad der äußeren Spulenwindungen erreicht werden kann. Auf diese Weise können mehr Windungen bei einem gleichbleibenden Nutquerschnitt oder dickere Spulendrähte realisiert werden, wodurch der Nutfüllfaktor steigt und zu einer Verringerung der Wicklungsverluste beiträgt. Die Einsparung von Verlustleistung führt in vorteilhafter Weise im Gesamtsystem zu Einsparungen bei der Energiespeichergröße und der Kühlsystemleistung sowie zu einer generellen Senkung des Energiebedarfs über die Betriebsdauer. Weiter wird durch die Verdichtung in Zahnbreitenrichtung die thermische Leitfähigkeit innerhalb der Spule in alle Richtungen wesentlich verbessert, was zu einer niedrigeren Temperatur im Spulenbereich nahe der Nutöffnung führt. Auch die Absenkung der Leitertemperatur senkt die Wicklungsverluste und leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Effizienz des Stators.
Im zeitlichen Ablauf kann der Verdichtungsvorgang bevorzugt mit einer zunächst geringeren Startkraft an den Spulenköpfen in Zahnlängenrichtung, wobei die beiden Spulenkopfbacken weggesteuert und kraftüberwacht eine jeweilige Sollposition anfahren. Die Spulenkonturbacken bringen in Zahnbreitenrichtung noch keine wesentliche Kraft in die im Nutraum angeordneten Bereiche der Spule ein, so dass als Zwischenschritt eine Verdichtung der Spule in den beiden Nutraumhälften in Zahnhöhenrichtung durch Nutbodenbacken und Nutöffnungsbacken erfolgen kann. Die von den Spulenkopfbacken eingebrachte Kraft in Zahnlängenrichtung entspannt die vom Drahtzug beim Wickeln vorgespannten Windungen der Spule im Raum der beiden Nuthälften und begünstigt so die Verdichtung in Zahnhöhenrichtung. Der Nutbodenbacken kann einen Freiraum schaffen bzw. diesen als Platzhalter absichern, wobei dieser Freiraum einen Mindestabstand der Spulendrähte vom Spalt der Nutisolation absichert, der an der Fügestelle benachbarter Statorsegmente angeordnet ist.
Nach einer Variante ist für die Vorrichtung vorgesehen, dass an den Spulenkonturbacken in der Zahnbreitenrichtung separat bewegliche Nutbodenbacken vorhanden sind.
Das Einschieben der Nutbodenbacken trägt vorzugsweise durch seine Keilform zu einer Kompression der Spulenwindungen in der Zahnhöhenrichtung bei, wobei die Nutbodenbacken eine Kraftkomponente sowohl in der Zahnhöhenrichtung als auch in der Zahnbreitenrichtung auf die Spulenwindungen ausüben. Es ergibt sich hierdurch die oben bereits ausführlich beschriebene Kraftspreizung in den in den Nuthälften einliegenden Spulenbereichen, wobei die Krafteinleitung nicht auf der Seite des Zahnkopfes (s.o. zu den Nutöffnungsbacken), sondern auf der Seite des Jochbereichs erfolgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Nutbodenbacken in Zahnbreitenrichtung keilförmig oder stufenförmig ausgebildet, wobei die Höhe des Nutbodenbackens in Zahnhöhenrichtung mit zunehmendem Abstand vom Zahnhals zunimmt. Dadurch kann der Nutbodenbacken in einer bevorzugten Ausgestaltung vom Nutboden aus auch eine Kompression oder Bewegung der Spulenwindungen in Zahnhöhenrichtung ausführen. Auf diese Weise erzeugt der Nutbodenbacken einen Anteil der Verdichtung der Spulenlagen in der Zahnhöhenrichtung. Zur Vermeidung von Verschiebungsspalten beträgt der Verdichtungsweg in Zahnhöhenrichtung aufgrund der kleinen Drahtdurchmessertoleranzen allerdings nur wenige Zehntelmillimeter.
Ferner kann für die Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Einspannung des Zahnkerns eine Halterungskonsole für die Aufnahme des Jochbereichs des Zahnkerns aufweist und die Vorrichtung ferner eine in Zahnhöhenrichtung bewegliche Halte- und Verdichtungsvorrichtung aufweist, womit der Zahnkern an der Polfläche mittels einem in der Halte- und Verdichtungsvorrichtung mit einer Feder gelagerten Haltebacken gegen die Halterungskonsole gespannt wird. Die Vorrichtung weist somit eine in Zahnhöhenrichtung bewegliche Halte- und Verdichtungsvorrichtung auf, womit der Zahnkern an der Polfläche des Zahnkopf mittels einem in der Halte- und Verdichtungsvorrichtung mit einer Feder gelagerten Haltebacken gegen die Halterungskonsole gedrückt und so eingespannt wird.
Auf diese Weise ergibt sich eine sichere Einspannung des Zahnkerns für die Verdichtungen in Zahnlängenrichtung und/oder Zahnbreitenrichtung und/oder in der Zahnhöhenrichtung. Eine exakte Positionierung des Zahnkerns ist für die Realisierung kleiner Außengeometrieabweichungen wichtig, weshalb die Halterungsvorrichtung den Zahnkern in alle drei Richtungen mit hoher Präzision positioniert und abschließend so ausgerichtet fixiert. In anderen Worten die ortsfest stabile Fixierung des Statorsegments in der Vorrichtung ist eine Vorrausetzung für eine sehr exakte Formung der Spulenaußenkontur durch nachfolgend positionsgesteuerte Pressbacken der Vorrichtung.
Schließlich kann für die Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Halte- und Verdichtungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Polfläche mit einem in Zahnhöhenrichtung beweglichen Nutöffnungsbacken zu umgreifen und die Spulenwindungen in den Nuthälften in Zahnhöhenrichtung zumindest teilweise zu komprimieren. Bevorzugt weist der Nutöffnungsbacken an seinen Schenkelenden zur Mitte der Spulenquerschnittsfläche hin zeigende Abflachungen auf. Auf diese Weise ergibt sich zusätzlich eine Kraftkomponente in Zahnbreitenrichtung bei der Kompression der Spulenwindungen durch den Nutöffnungsbacken. Dies wirkt sich, wie vorstehend beschrieben ist, positiv auf die Kraftverteilung in der Spule aus.
Mit diesem Nutöffnungsbacken können die Spulenwindungen, wie vorstehend näher beschrieben, in Zahnhöhenrichtung komprimiert werden. Die Bewegung des Nutöffnungsbackens kann kraftgesteuert und/oder wegüberwacht erfolgen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Statorsegment, welches nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren verdichtet wurde. Es ergeben sich hierdurch auch für das Statorsegment die oben in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Vorteile. Für das Statorsegment ist vorgesehen, dass es jeweils einen Abstandsraum zwischen unisolierten Oberflächen des Zahnkerns im Nutbodenspalt und/oder am Rand der Polfläche des Zahnkopfs zu einer um den Zahnkern gewickelten Spule aufweist.
Ferner kann für das Statorsegment vorgesehen sein, dass die Drähte der Spule einen Deformationsgrad aufweisen, der in einer in Zahnbreitenrichtung äußeren Spulenlage in der Zahnhöhenrichtung mit abnehmendem Radius zunimmt.
Aus einer Weiterbildung des Statorsegments ergibt sich, dass mindestens eine Spulenwindung im Bereich der Nuthälften an der Seite zum Nutboden eine Abplattung aufweist, deren Flächennormale neben einer Komponente in Zahnbreitenrichtung auch eine Komponente in Zahnhöhenrichtung aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Komponente in Zahnhöhenrichtung mindestens 50% der Komponente in Zahnbreitenrichtung entspricht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Statorsegments ist vorgesehen, dass mindestens eine Spulenwindung im Bereich der Nutöffnung an der Seite zur Nutöffnung eine Abplattung aufweist, deren Flächennormale neben einer Komponente in Zahnbreitenrichtung vorzugsweise auch eine Komponente in Zahnhöhenrichtung aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Komponente in Zahnhöhenrichtung mindestens 50% der Komponente in Zahnbreitenrichtung entspricht.
Nach einer Weiterbildung des Statorsegments kann vorgesehen sein, dass die Abplattungen der Spulendrähte, zumindest in den äußeren Spulenlagen, die Abmessung der Spulendrähte in Zahnbreitenrichtung um >5%, bevorzugt um >10% reduzieren.
Aus einer Weiterbildung des Statorsegments ergibt sich, dass der maximale Abstand der Spulenaußenfläche von einer Symmetrielinie in der Zahnmitte in Zahnbreitenrichtung auf beiden Seiten des Zahnkrenhalses nominal gleich ist. Nominal gleich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich der Abstand toleranzbedingt nur um weniger als 0,1 mm insbesondere weniger als 0,05 mm unterscheidet.
Gemäß einer Ausgestaltung des Statorsegments ergibt sich, dass die Spule in Zahnbreitenrichtung jeweils tangential symmetrisch und in Zahnlängenrichtung jeweils axial symmetrisch zu Referenzkanten des Zahnkerns ausgerichtet ist. Damit ist Au-ßenabmessung der verdichteten Spule in den 4 Hauptrichtungen zu Referenzkanten des Zahnkerns sehr exakt und tangential symmetrisch (tangential rechts, links und axial vorne, hinten). Dies ist eine Folge des Prinzips, dass der Zahnkern fixiert wird und die vier Pressbacken kraftüberwacht und positionsgesteuert exakt auf eine Endposition gefahren werden.
Weiterbildend kann für das Statorsegment vorgesehen sein, dass das Statorsegment in Zahnlängenrichtung ausgerichtete Spulenköpfe der Spule aufweist und die Spulenköpfe axial verdichtet sind und Drähte der obersten Lage der Spulenköpfe Abplattungen in der Zahnlängenrichtung aufweisen. Hierdurch wird die Längenausnutzung gesteigert, die Leistungsdichte steigt. Vorzugsweise reduziert die Abplattung die Abmessung des Drahtes um >5%, bevorzugt um >10%.
Weitere Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung Ausführungsbeispielen basierend auf den Zeichnungen.
Es zeigen:

1: Einen Querschnitt eines Statorsegments mit einem isolierten Zahnkern und einer darum gewickelten Spule mit 85 Windungen in 6 Lagen;
2: Das Statorsegment aus 1 eingesetzt in eine Konsole eines Werkstückträgers;
3: Das Statorsegment aus 2 beim Festklemmen durch einen Haltebacken, der gefedert in einem u-förmigen Nutzöffnungsbacken angeordnet ist;
4: Einen Längsschnitt des Statorsegments aus 3 beim Aufsetzen der Spulenkopfbacken;
5: Einen Längsschnitt des Statorsegments aus 4 mit den Spulenkopfbacken in ihrer Endposition;
6: Einen Querschnitt des Statorsegments aus 5 beim Positionieren der gefederten Nutbodenbacken zu Beginn der Verdichtungsarbeit;
6A: Eine vergrößerte Detaildarstellung mit Kraftpfeilen;
7: Einen Querschnitt des Statorsegments aus 6 beim Positionieren des u-förmigen Nutöffnungsbackens in der Mitte der Verdichtungsarbeit;
7A: Eine vergrößerte Detaildarstellung mit Kraftpfeilen;
8: Einen Querschnitt des Statorsegments aus 7 mit in Endposition gebrachten Spulenkonturbacken am Ende der Verdichtungsarbeit;
9: Eine schematische Darstellung eines umfänglichen Schnitts durch die Mitte des Statorsegments mit vier Pressbacken in Endposition und Pfeilen für die Materialverschiebung;
10: Eine Detaildarstellung des Querschnitts einer Spulenhälfte im Bereich der Spulenstufe mit Kraftpfeilen zur Erklärung der Kraftspreizung; und
11: Eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs als Flussdiagramm.

Im Folgenden werden für alle Figuren dieselben Bezugszeichen zur Kennzeichnung derselben Elemente verwendet, es sei denn, dass etwas Anderes angegeben ist.
1 zeigt einen Querschnitt eines Statorsegments 1 mit einem isolierten Zahnkern 10 und einer darum gewickelten Spule 50. Das Statorsegment 1 kann beispielsweise in einer Radialflussmaschine mit Innenläufer eingesetzt sein. Der Zahnkern 10 weist bezogen auf eine Einbausituation in einem Innenläufer einen radial äußeren Jochbereich 14 und einen radial inneren Zahnkopf 12 auf. Zwischen dem Jochbereich 14 und dem Zahnkopf 12 ist ein Zahnkernhals 16 angeordnet, der, bezogen auf die beschriebene Einbausituation in Umfangsrichtung schmaler ausgebildet ist als der Zahnkopf 12 und der Jochbereich 14. Der Zahnkern 10 ist im Querschnitt I-förmig, und bildet in einer Zahnbreitenrichtung ZB jeweils seitlich von einer Zahnmitte 18 jeweils eine Nuthälfte 30, 30' aus. Die orthozyklisch um den Zahnkern 10 gewickelte Spule 50 weist sechs Spulenlagen 58 mit insgesamt 85 Windungen auf und füllt die beiden Nuthälften 30, 30' auf beiden Zeiten des Zahnkernhalses 16 weitgehend aus, wobei einige Drähte 54 der äußeren Spulenwindungen 52 über die gestichelt dargestellte Nutmittenlinie 34 hinaus in die benachbarte Nuthälfte ragen (in 1 nicht dargestellt). Zwischen der Spule 50 und dem weichmagnetischen Zahnkern 10 ist eine Isolationsschicht 36 angeordnet, die beispielweise aus einem angespritztem Kunststoff besteht. Eine Polfläche 20 ist die Luftspaltoberfläche des Zahnkopfes 12. Der Zahnkopf 12 ist in Zahnbreitenrichtung ZB üblicherweise größer als der Zahnhals 16, erstreckt sich in Zahnbreitenrichtung ZB aber auch nicht über die gesamte Polteilung des Stators, sondern nur über einen Teilbereich. Der Rest bildet die Nutöffung 32, die zur Vermeidung unerwünschter Magnetfeldstreuung und verstärkter Stromverdrängungsverluste in der Spule eine gewisse Nutöffnungbreite in Zahnbreitenrichtung ZB aufweist.
In 2 ist der bewickelte Zahnkern 10 aus 1 in einer Halterungskonsole 72 angeordnet dargestellt. Die Halterungskonsole 72 kann ein Teil eines Werkstückträgers 70 sein und besteht aus Stahl mit einer verschleißarmen Oberfläche. Die Halterungskonsole 72 ist mit dem Jochbereich 14 des Zahnkerns 10 in Anlage gebracht. In der Halterungskonsole 72 ist ein Permanentmagnet 74 angeordnet, der so nahe unter einer dem Jochbereich 14 zugewandten Oberfläche der Halterungskonsole 72 positioniert ist, dass sein Magnetfeld eine schwache definierte Anzugskraft auf einen in die Halterungskonsole eingesetzten Zahnkern 10 ausübt. Die Halterungskonsole 72 weist in Zahnbreitenrichtung ZB zwei leicht konische Anschlagshöcker 76, 76' auf, durch die der Jochbereich 14 des Zahnkerns in Zahnbreitenrichtung ZB sehr exakt, insbesondere auf wenige hundertstel Millimeter genau, auf der Halterungskonsole 72 positioniert werden kann.
In 3 wird in Zahnhöhenrichtung ZH eine Halte- und Verdichtungsvorrichtung 78 als Teil einer Verdichtungsstation in der Herstellungsanlage auf den Zahnkern 10 zubewegt. Als erstes bewirkt ein gefederter Haltebacken 80 an der Polfläche 20 (Luftspaltfläche) einen Krafteintrag in den Zahnkern 10 und drückt dabei den Zahnkern 10 in eine Vertiefung 82 der Halterungskonsole 72. Die Vertiefung 82 der Halterungskonsole 72 liegt in Zahnbreitenrichtung ZB zwischen den beiden Anschlaghöckern 76, 76'. Der Zahnkern 10 wird somit zwischen der Halterungskonsole 72 und dem zugestellten gefederten Haltebacken 80 in Zahnhöhenrichtung ZH mechanisch eingespannt, wobei die Kraft der Feder 85 im Bereich einiger Hundert Newton liegt und mit der Zustellung der Halte- und Verdichtungsvorrichtung in Zahnhöhenrichtung ZH auf den Zahnkern 10 ansteigt. Die Zustellungsbewegung in Zahnhöhenrichtung ZH stoppt zunächst bevor ein u-förmiger Nutöffnungsbacken 84 an seinen Schenkelenden 88, 88` die nahe der Nutöffnung 32 angeordneten inneren Spulenwindungen der Spule 50 verdichtet. Der gefederte Haltebacken 80 ist in der U-Öffnung des Nutöffnungsbackens 84 angeordnet und die Schenkel 86, 86` des Nutöffnungsbackens 84 positionieren den Zahnkopf 12 in Zahnbreitenrichtung ZB sehr exakt in der U-Öffnung.
In 4 wird der bewickelte Zahnkern 10 in der Halte- und Verdichtungsvorrichtung 78 gemäß 3 dargestellt, allerdings in einem Längsschnitt durch die Zahnmitte 18, wobei in der Halterungskonsole 72 eine Anschlagsstufe 73 gezeigt wird, die als Anschlag in Zahnlängenrichtung ZL dient und die beim Einsetzen des Zahnkerns 10 in die Halterungskonsole 72 genutzt wird, um den Zahnkern 10 in der Halterungskonsole 72 in Zahnlängenrichtung ZL exakt zu positionieren. Hierbei wird die stirnseitige Bezugskante des umspritzten Zahnkerns 10 von einem Einsetzwerkzeug bei der Bestückung der Konsole mit dem Statorsegment 1 (Vorgang nicht gezeigt, chronologisch zwischen 1 und 2) gegen die Anschlagsstufe 73 gedrückt und die schwache zwischen dem Permanentmagneten 74 und dem Jochbereich 14 vorhandene Magnetkraft sichert über die Haftreibung diese Position. Der Permanentmagnet 74 ist zur Erzeugung einer magnetischen Kraft in Zahnlängenrichtung ZL relativ zur Vertiefung 82 versetzt in Richtung der Anschlagsstufe 73 angeordnet.
Der Nutöffnungsbacken 84 und der darin gefedert befestigte Haltebacken 80 sind etwas länger als die Ausdehnung des Zahnkerns in Zahnlängenrichtung ZL ausgeführt. In Zahnlängenrichtung ZL vor und hinter dem Nutöffnungsbacken 84 sind Spulenkopfbacken 90 angeordnet, die jeweils über eine Hebelaktorik 92 in Zahnlängenrichtung ZL beweglich sind und wie der Nutöffnungsbacken 84 mit seinem Stellantrieb ebenfalls an der Halte- und Verdichtungsvorrichtung 78 befestigt sind, die als Einheit in Zahnlängenrichtung ZL mit einem Hubweg, der in etwa der Höhe des Zahnkernhalses 16 entspricht, am Anfang (in 3) auf den Zahnkern 10 zubewegt wird.
In 5 werden beide Spulenkopfbacken 90, 90' zeitgleich weggesteuert und kraftüberwacht in Zahnlängenrichtung ZL in ihre Sollposition auf die Spulenköpfe 56, 56' aufgeschoben, wobei das Kraftniveau bezogen auf den jeweiligen Spulenkopf 56, 56` unterschiedlich sein kann.
Die Differenz bzw. die resultierende Kraft wird von der Halterungskonsole 72 und dem Haltebacken 80 über Haftreibung aufgenommen. Beide Spulenköpfe 56, 56' werden in ihren Außenabmessungen kalibriert, d.h. auf eine Sollkontur gebracht, wobei der Verformungsgrad der Drähte 54 der Spule 50 relativ zur einer späteren maximalen Verformung in den hier nicht dargestellten Nuthälften 30, 30' (vgl. 8) geringer ist.
Hierbei wird bevorzugt ein Bereich der Spulenköpfe 56, 56' ohne Spurwechsel in der Spulenwindung 52 stärker komprimiert als ein Bereich der Spulenköpfe 56, 56' mit Spurwechsel. Die Spulenkopfbacken 90, 90' bewegen sich weggesteuert auf ihre Sollposition, wobei die hierfür benötigte Kraft gemessen wird und einen definierten Wertebereich nicht überschreiten darf. Der abschließende Teil der Verformarbeit in Zahnlängenrichtung ZL kann auch aufgeschoben werden und dann zeitgleich mit der Verdichtung in Zahnbreitenrichtung ZB (siehe 8) erfolgen.
Durch das Kalibrieren bzw. Kompression der Bereich der Spulenköpfe 56, 56' wird die Gesamtlänge des Statorsegments 1 mit geringer Toleranz realisiert und in einem beschränkten Bauraum kann unter Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken eine maximale Aktivlänge genutzt werden, wodurch die Leistungsdichte steigt. Die Endposition der Spulenkopfbacken wird arretiert, so dass sich die Spule in Zahnlängenrichtung ZL bei den nachfolgenden Verdichtungsschritten nicht in diese Richtung ausdehnen kann. Hierdurch werden die Wickelkanten entlastet (siehe 9).
Nach dem Einspannen in Zahnhöhenrichtung ZH (3) und dem Kalibrieren in Zahnlängenrichtung ZL (5), beginnt im Folgenden die Verdichtung der Spule 50 in Zahnhöhenrichtung ZH und in Zahnbreitenrichtung ZB.
6, 6A zeigt hierzu wiederum einen Querschnitt des Statorsegments 1 (wie in 3) dargestellt, wobei hier zwei Spulenkonturbacken 110, 110', die ebenfalls mit separaten Stellantrieben weggesteuert und kraftüberwacht sind, gegen die Drähte 54 der obersten Spulenlagen 58 drücken. Bevor die Spulenkonturbacken 110,110' ihre Verformarbeit beginnen, wirkt zunächst jeweils ein Nutbodenbacken 112, 112', der jeweils gefedert an jeweils einem Spulenkonturbacken 110, 110` befestigt ist, im Bereich zwischen äußeren Spulenlagen 58 und dem Jochbereich 14 des Zahnkerns 10 als Platzhalter.
Der jeweilige Nutbodenbacken 112, 112' weist hierfür jeweils eine keilförmige Rippe 114 auf, die als erstes die Drähte 54 der jochnahen Windungen der äußersten Lagen berührt. Mit der Federkraft beim Zufahren der Spulenkonturbacken 110, 110` und mit einer Kraftrichtung, die sowohl in Zahnbreitenrichtung ZB als in Zahnhöhenrichtung ZH wirkt, schiebt die Rippe 114 die jochnahen Windungen zur Mitte der Spulenquerschnittsfläche (Vgl. 6A).
Die Wege der beiden gefederten Nutbodenbacken 112, 112' werden begrenzt durch den flächigen Anschlag 116 der Nutbodenbacken 112, 112' gegen die Kontaktflächen des Zahnkerns 10 im Jochbereich 14. Durch diese Wegbegrenzung nehmen die Nutbodenbacken 112, 112' mit ihren Rippen 114 als Platzhalter einen definierten Raum ein und halten diesen auch während des anschließenden Pressvorgangs durch die Spulenkonturbacken 110, 110' frei.
Der freigehaltene Raum am Nutboden 38 nahe der Kontaktfläche des Zahnkerns ist für die Absicherung der Basisisolation wichtig. Der Raum wird später beim Imprägnieren des zusammenmontierten Stators vorteilhaft mit Imprägnierharz gefüllt.
In 7, 7A bewegt sich in einem weiteren Zwischenschritt des Verdichtungsprozesses nun nochmals der Nutöffnungsbacken 84 einen kleinen Stellweg in Zahnhöhenrichtung ZH, wobei die Schenkelenden 88, 88` des u-förmigen Nutöffnungsbacken 84 die Drähte 54 von der Nutöffnung 32 weg zur Mitte der Spulenquerschnittsfläche drücken. In einer vergrößerten Detaildarstellung (7A) wird die Kraftwirkung mit Kraftpfeilen symbolisch dargestellt. Der Nutöffnungsbacken 84 nutzt die Nutöffnung 32 zur Verdichtung der Spule in Zahnhöhenrichtung ZH. Die Kraftspreizung wird auch detailliert in 10 gezeigt.
Wie beim Einsatz des Nutbodenbackens 112, 112' (vgl. 6) weist die Richtung der Presskraft sowohl eine Komponente in Zahnbreitenrichtung ZB als auch in Zahnhöhenrichtung ZH auf. Durch die Verdichtung der Spulenlagen 58 in Zahnhöhenrichtung ZH wird die Kraftspreizung in der Spule beim abschließenden Zufahren der Spulenkonturbacken 110, 110' verbessert (vgl. hierzu 10).
8 zeigt, wie die Spulenkonturbacken 110, 110' gleichzeitig mit hoher Kraft auf ihre Endposition gefahren werden, nachdem die Spule durch die Nutbodenbacken 112, 112` und den Nutöffnungsbacken 84 vorverdichtet wurde.
Auch hierbei wird die Wegsteuerung durch eine Kraftüberwachung ergänzt. Abhängig von Toleranzen im Wickelprozess können die Presskräfte der beiden Spulenkonturbacken 110, 110' etwas unterschiedlich sein.
Der Zahnkern 10 bewegt sich bei allen Deformationsvorgängen der Spule nicht. Nach dem gefederten Haltebacken 80 trägt auch jeder weitere Pressbacken (Spulenkopfbacken 90, 90', Spulenbodenbacken 112, 112' und Nutöffnungsbacken 84), der in Endposition gebracht wird, zur positionsgetreuen Fixierung des gesamten Statorsegments 1 bei. Der Nutöffnungsbacken 84 fährt hingegen bevorzugt möglichst weit in die Nut, bis eine Kraftgrenze erreicht ist.
Die Außenkontur der Spule 50 wird an allen Flächen mit Kontakt zu Pressbacken 90, 90', 110, 110', 112, 112' auf wenige Hundertstelmillimeter genau eingestellt und der Rückfederweg durch einen Vorhalt weitgehend berücksichtigt.
Zwischen den Runddrähten einer idealen orthozyklischen Wicklung verbleiben in etwa 10% des Volumens Hohlräume, die durch Abplattungen der Drähte 54 teilweise genutzt werden. Daneben wird zeitgleich beim Verdichten der Spule 50 überschüssiges Kupfervolumen, z.B. durch Bauchung, in die Biegebereiche der vier Spulenecken gedrückt.
In 9 wird diese Materialbewegung symbolisch mit Pfeilen in einer Ansicht auf einen umfänglichen Schnitt durch die Zahnmitte gezeigt. Die Spule 50 wird in den Eckbereichen durch die Kompression durch die Spulenkopfbacken 90, 90' und durch die Kompression durch die Spulenkonturbacken 110, 110' eckiger und die Drähte 54 entfernen sich dabei tendenziell von den Biegekanten des Zahnkernes 10.
In 10 wird in einem Ausschnitt des Querschnitts der verdichteten Spule 50 aus 8 die Kraftspreizung und die Kraftleitung durch die Spulenlagen 58 der Spule 50 mit Hilfe von Kraftpfeilen dargestellt.
Mit den Spulenkonturbacken 110, 110' wird am Ende des mehrstufigen Verdichtungsprozesses die mit Abstand höchste Presskraft auf die Spule 50 ausgeübt. Dabei werden in Spulen für Radialflussmaschinen die Drahtquerschnitte der radial äu-ßeren Spulenwindungen der äußeren Spulenlagen 58 bevorzugt etwas weniger stark deformiert als die Drahtquerschnitte der innersten Windungen der äußeren Spulenlage 58. Durch die Variation des Deformationsgrads wird die trapezförmige Querschnittsfläche der Nuthälfte besser ausgenutzt. Allerdings verursacht diese bessere Raumnutzung auch eine ungleichmäßige Krafteinleitung vom Spulenkonturbacken 110, 110' in den Spulenaufbau.
Während die Krafteinleitung an der Spulenaußenfläche somit vorteilhaft ungleichmä-ßig verteilt ist, wird an der inneren Spulenfläche, beim Kontakt der Drähte 54 der innersten Spulenlage 58 mit der Isolationsschicht 36, eine möglichst gleichmäßige Kraftverteilung erreicht, indem eine gute d.h. gleichmäßige Kraftspreizung über die Spulenlagen 58 hinweg durch das vorausgehende Verdichten in Zahnhöhenrichtung ZH gewährleistet wird.
Für eine flächige Kraftübertragung zwischen Spule 50 und Isolationsschicht 36 weist die Isolationsschicht 36 auf der gesamten Nutwand eine Rillenstruktur 37 auf, die erstens eine Verschiebung der Drähte 54 in Zahnhöhenrichtung ZH vermeidet und damit die Bildung unerwünscht großer Hohlräume bei Drahtdurchmessern an der unteren Toleranzgrenze, und zweitens die streifenförmige Kontaktfläche auf der die Kraft vom Runddraht auf die Isolierschicht 36 übertragen wird erheblich vergrößern, indem statt weniger Prozent bis zu 40% des Drahtumfangs mit der Isolierschicht 36 in Kontakt stehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Rillenstruktur 37 auch in einer Blechschnittkante des Zahnkerns 10 realisiert, so dass die Dicke der Isolationsschicht 46 an den Seiten des Zahnhalses weitgehend konstant ausgeführt ist. Hierdurch können Kraftanteile in Zahnhöhenrichtung ZH als Druckbelastung direkt an den stabilen Zahnkern 10 weitergeleitet werden.
Alle Prozessschritte des Verdichtungsverfahrens in ihrer zeitlichen Abfolge werden in 11 als Flussdiagramm dargestellt mit den Verfahrensschritten: Einsetzen des Statorsegments 1 mit dem Zahnkern 10 in die Halterungskonsole 72 des Werkstückträgers 70 (Verfahrensschritt 210). Verbringen des Haltebacken 80 in seine Endposition durch eine Bewegung in Zahnhöhenrichtung ZH, wodurch das Statorsegment in der Zahnhöhenrichtung eingespannt ist (Verfahrensschritt 220). Verbringen der Spulenkopfbacken 90, 90' in deren Endposition durch eine Bewegung der Spulenkopfbacken 90, 90' in Zahnlängenrichtung ZL. Dadurch werden die Spulenwindungen in Zahnlängenrichtung ZL mittels der Spulenkopfbacken 90, 90' an den Zahnkern 10 angepresst (Verfahrensschritt 230). Verbringen der Nutbodenbacken 112, 112' in deren Endposition durch eine Bewegung in Zahnbreitenrichtung ZB. Dadurch wird eine Kraft in die Spulenwindungen 52, welche in Anlage mit den Nutbodenbacken 112, 112' sind, in Richtung des Zentrums der jeweiligen Nuthälfte 30, 30' eingeleitet (Verfahrensschritt 240) und ein für die Isolation wichtiger Raum freigehalten. Verbringen des Nutöffnungsbacken 84 in dessen Endposition durch eine Betätigung in Zahnhöhenrichtung ZH. Dadurch wird eine Kraft in die Spulenwindungen 52, welche in Anlage mit dem Nutöffnungsbacken 84 sind, in Richtung des Zentrums der jeweiligen Nuthälfte 30, 30' eingeleitet und ein weiterer für die Isolation wichtiger Raum freigehalten (Verfahrensschritt 250). Verbringen der Spulenkonturbacken 110, 110' in deren Endposition durch eine Betätigung in Zahnbreitenrichtung ZB, wodurch die Kompression der Spule 50 um den Zahnkörper 10 abgeschlossen ist.
In allen drei Raumrichtungen (Zahnlängenrichtung ZL, Zahnbreitenrichtung ZB und Zahnhöhenrichtung ZH) werden Stellantriebe eingesetzt, wobei nur in Richtung der Zahnhöhenrichtung ZH einseitig - mit lediglich einem Stellantrieb - gearbeitet wird. In den beiden anderen Raumrichtungen (Zahnlängenrichtung ZL und Zahnbreitenrichtung ZB) wird beidseitig mit zwei unabhängig geregelten Stellantrieben gearbeitet, die zwar vorzugsweise zeitgleich arbeiten, jedoch ihre Sollposition auch mit unterschiedlichen Kräften erreichen können. Für die fünf Stellantriebe werden bevorzugt elektromechanische Antriebe mit kompakten Getriebebauarten eingesetzt, wobei präzise Sensoren und eine Positionsregelung das exakte Erreichen der Backenendposition gewährleisten.
Für eine umfassende Prozesskontrolle sind in den fünf gezielt bewegbaren Pressbacken 84, 90, 90', 110, 110', 112, 112' Kraftsensoren eingebaut. Liegen die Kraftwerte beim Freifahren des Prozesses innerhalb festgelegter Wertebereiche, so ist die Produktqualität sichergestellt. Die nacheinander oder leicht überlappend ablaufenden Pressbewegungen finden in Sekundenbruchteilen statt, so dass der gesamte Verdichtungsvorgang lediglich wenige Sekunden benötigt. Damit ist es möglich alle Statorsegmente eines Motors in einer Durchlaufanlage im Minutentakt zu verdichten.
Sämtliche Merkmale und Vorteile, die sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung ergeben, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl allein als auch in verschiedenen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Statorsegment
10: Zahnkern
12: Zahnkopf
14: Jochbereich
16: Zahnkernhals
18: Zahnmitte
20: Polfläche
30, 30': Nuthälfte
32: Nutöffnung
34: Nutmittellinie
36: Isolationsschicht
37: Rillenstruktur
38: Nutboden
50: Spule
52: Spulenwindung
54: Draht
56, 56': Spulenkopf
58: Spulenlagen
70: Werkstückträger
72: Halterungskonsole
73: Anschlagstufe
74: Permanentmagnet
76, 76`: Anschlaghöcker
78: Halte- und Verdichtungsvorrichtung
80: Haltebacken
82: Vertiefung
84: Nutöffnungsbacken
85: Feder
86, 86': Schenkel
88, 88': Schenkelende

90, 90': Spulenkopfbacken
92, 92': Hebelaktorik
110, 110': Spulenkonturbacken
112, 112': Nutbodenbacken
114: Rippe
116: flächiger Anschlag
210: Erster Verfahrensschritt
220: Zweiter Verfahrensschritt
230: Dritter Verfahrensschritt
240: Vierter Verfahrensschritt
250: Fünfter Verfahrensschritt
260: Sechster Verfahrensschritt
ZL: Zahnlängenrichtung
ZB: Zahnbreitenrichtung
ZH: Zahnhöhenrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006054579 A1 [0003]
DE 102020106735 [0004]

Claims

Verfahren zur Verdichtung von Spulenwindungen (52), die auf einem Zahnkern (10) eines Statorsegments (1) aufgewickelt sind, wobei zwischen Spulenwindungen und dem Zahnkern eine Isolationsschicht (36) angeordnet ist, und der Zahnkern (10) in einer Zahnhöhenrichtung (ZH) zwischen einem Jochbereich (14) und einem Zahnkopf (12) einen Zahnkernhals (16) aufweist und in einer Zahnbreitenrichtung (ZB) zwischen dem Jochbereich (14) und der Zahnkopf (12) in einer Zahnlängenrichtung (ZL) verlaufende Nuthälften (30, 30') aufweist, worin die Spulenwindungen (52) einliegen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Spulenwindungen (52) in der Zahnbreitenrichtung (ZB) sowie in der Zahnlängenrichtung (ZL) durch zumindest vier Pressbacken (84, 90, 90' 100, 110', 112, 112`) komprimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Komprimieren der Spulenwindungen (52) in der Zahnlängenrichtung (ZL) zumindest teilweise vor dem Komprimieren der Spulenwindungen (52) in der Zahnbreitenrichtung (ZB) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkern (10) vor dem Komprimieren der Spulenwindungen (52) in Zahnhöhenrichtung (ZH) eingespannt wird, wobei der Jochbereich (14) in einer Halterungskonsole (72) eingesetzt ist, und über die Polfläche (20) am Zahnkopf (12) in Zahnhöhenrichtung (ZH) durch eine Halte- und Verdichtungsvorrichtung (78) eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei vor dem Komprimieren der Spulenwindungen (52) in Zahnbreitenrichtung (ZB) vorgesehen ist, dass ein Nutöffnungsbacken (84) der Halte- und Verdichtungsvorrichtung (78) die im Bereich der Nutöffnung (30, 30') liegenden Spulenwindungen (52) von der Polfläche (20) aus in Zahnhöhenrichtung (ZH) komprimiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Komprimieren der Spulenwindungen (52) in der Zahnbreitenrichtung (ZB) Nutbodenbacken (112, 112') bezogen auf die Zahnhöhenrichtung (ZH) zwischen mindestens einer Spulenwindung (52) und dem Jochbereich (14) des Zahnkerns (10) in der Zahnbreitenrichtung (ZB) eingeschoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Komprimieren der Spulenwindungen (52) in Zahnbreitenrichtung (ZB) vorgesehen ist, dass die Spulenwindungen (52) in der Zahnbreitenrichtung (ZB) durch Spulenkonturbacken (110, 110') zu dem Zahnkernhals (16) hin insbesondere beidseitig zeitgleich und jeweils weggesteuert und kraftüberwacht komprimiert werden.
Vorrichtung zur Verdichtung von in Nuthälften (30, 30`) eines Zahnkerns (10) einliegenden Spulenwindungen (52), wobei die Nuthälften (30, 30`) zwischen einem Jochbereich (14) und einem Zahnkopf (12) des Zahnkerns (10) liegen und zwischen dem Jochbereich (14) und dem Zahnkopf (12) ein Zahnkernhals (16) mit einer Isolationsschicht (36) zur Isolierung des Nutgrunds der Nuthälften (30, 30`) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Komprimierung der Spulenwindungen (52) in einer Zahnbreitenrichtung (ZB) bewegliche Spulenkonturbacken (110, 110`) und in einer Zahnlängenrichtung (ZL) bewegliche Spulenkopfbacken (90, 90') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Spulenkonturbacken (110, 110') in der Zahnbreitenrichtung (ZB) separat bewegliche Nutbodenbacken (112, 112') vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einspannung des Zahnkerns (10) eine Halterungskonsole (72) für die Aufnahme des Jochbereichs (14) des Zahnkerns (10) aufweist und die Vorrichtung ferner eine in Zahnhöhenrichtung (ZH) bewegliche Halte- und Verdichtungsvorrichtung (78) aufweist, womit der Zahnkern (10) an der Polfläche (20) mittels einem in der Halte- und Verdichtungsvorrichtung (78) mit einer Feder (85) gelagerten Haltebacken (80) gegen die Halterungskonsole (72) gespannt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Verdichtungsvorrichtung (78) dazu eingerichtet ist, die Polfläche (20) mit einem in Zahnhöhenrichtung (ZH) beweglichen Nutöffnungsbacken (84) zu umgreifen und die Spulenwindungen (52) in den Nuthälften (30, 30`) in Zahnhöhenrichtung (ZH) zumindest teilweise zu komprimieren.
Statorsegment (1), welches nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verdichtet wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorsegment (1) jeweils einen Abstandsraum zwischen unisolierten Oberflächen des Zahnkerns (10) im Nutbodenspalt und/oder am Rand der Polfläche (20) des Zahnkopfs (12) zu einer um den Zahnkern (10) gewickelten Spule (50) aufweist.
Statorsegment (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (54) der Spule (50) einen Deformationsgrad aufweisen, der in einer in Zahnbreitenrichtung (ZB) äußeren Spulenlage (58) in der Zahnhöhenrichtung (ZH) mit abnehmendem Radius zunimmt.
Statorsegment (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spulenwindung (52) im Bereich der Nuthälften (30, 30`) an der Seite zum Nutboden (38) eine Abplattung aufweist, deren Flächennormale neben einer Komponente in Zahnbreitenrichtung (ZB) auch eine Komponente in Zahnhöhenrichtung (ZH) aufweist.
Statorsegment (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spulenwindung (52) im Bereich der Nutöffnung (32) an der Seite zur Nutöffnung (32) eine Abplattung aufweist, deren Flächennormale neben einer Komponente in Zahnbreitenrichtung (ZB) auch eine Komponente in Zahnhöhenrichtung (ZH) aufweist.
Statorsegment (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abstand der Spulenaußenfläche von einer Symmetrielinie in der Zahnmitte (18) in Zahnbreitenrichtung (ZB) auf beiden Seiten des Zahnkrenhalses (16) nominal gleich ist.