DE102021200841A1

DE102021200841A1 - Verfahren zum Formen und Einbringen von Spulen in einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine

Info

Publication number: DE102021200841A1
Application number: DE102021200841.0A
Authority: DE
Inventors: Willi Lutz; Bülent Safa; Harald Waffler; Jan Wendt
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-04
Also published as: WO2022161829A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Werkzeug, welche ein Einbringen und Formen von Spulen in einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine ermöglichen. Erste Spulenseiten der Spulen in einer Grundform werden in Statornuten angeordnet, das Werkzeug in dem Stator angeordnet, Spulenköpfe mittels Spulenführungen zur Führung zweiter Spulenseiten der Spulen und einer Drehung eines Werkzeugkörpers relativ zu einem Statorkern geformt und die zweiten Spulenseiten mittels erster Werkzeugteile des Werkzeugs in die Statornuten eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Einbringen von Spulen in einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine, ein entsprechendes Werkzeug sowie eine Verwendung eines derartigen Werkzeugs.
Elektrische rotierende Maschinen mit einer Nennleistung von mehreren hundert bis über eintausend Kilowatt werden insbesondere als Antriebs- bzw. Traktionsmotoren in Schienenfahrzeugen wie Triebzügen für den Regional- und Fernverkehr sowie Lokomotiven eingesetzt. Solche Maschinen bestehen üblicherweise aus einem Stator mit einem ringförmigen Statorkern und einem in dessen Statorinnenraum angeordneten Rotor. Der Stator ist üblicherweise als ein Blechpaket mit einer Mehrzahl durch Statorzähne gebildete offener Statornuten aufgebaut. In den Statornuten sind Spulen einer oder mehrerer Wicklungen angeordnet. Bei Synchron- und Asynchron-Drehstrommaschinen speist üblicherweise ein Stromrichter drei Phasen einer Wicklung.
Eine Spule besteht aus einer oder mehreren Windungen, wobei jede Windung wiederum aus einem Draht oder mehreren parallel geschalteten Drähten, insbesondere Flachdrähten, besteht und zwei Windungsseiten entsprechend einem Hin- und einem Rückleiter aufweist. Sofern eine Spule mehrere Windungen umfasst, sind diese innerhalb der Spule seriell geschaltet. Entsprechend der Windung bzw. den mehreren Windungen weist auch die Spule zwei Spulenseiten auf, welche in zwei unterschiedlichen Statornuten liegen und einen bestimmten Nutsprung, d.h. eine Anzahl Statornuten in Umfangrichtung des Statorkerns, voneinander entfernt liegen. Vorzugsweise sind Spulenseiten von zwei Spulen in einer jeweilige Statornut übereinander angeordnet. Der außerhalb des Statorkerns liegende Teil der Spule, welcher die beiden Spulenseiten miteinander verbindet, wird als Spulenkopf bezeichnet. Weiterhin weist die Spule einen Spulenanschluss im Bereich eines Spulenkopfes auf. Die verteilte Anordnung der Spulenseiten in unterschiedlichen Statornuten, auch als verteilte Wicklung bezeichnet, führt dazu, dass sich Spulenköpfe mehrerer Spulen überlappen. Eine verteilte Wicklung eignet sich grundsätzlich sowohl für Synchron- als auch für Asynchron-Drehstrommaschinen.
Insbesondere bei elektrischen Maschinen der genannten Leistungsklassen mit einer verteilten Wicklung kommen so genannte Formspulen zum Einsatz. Eine Formspule besteht beispielsweise aus einer gestapelten Mehrzahl Windungen, welche jeweils aus einem Flachdraht aus Kupfer bestehen und jeweils eine elektrische Isolierung beispielsweise in Form einer Folie oder eines Schutzlacks aufweisen. Das Formen einer Formspule erfolgt in mehreren Schritten, wobei in einem ersten Formungsschritt aus den Windungen zunächst eine zweidimensionale plane Spule geformt wird, bei welcher die Spulenseiten und Spulenköpfe in einer Ebene angeordnet sind. In einem nachfolgenden zweiten Formungsschritt wird die Spule in eine dreidimensionale räumliche Spule umgeformt, bei welcher die Spulenseiten entsprechend dem gewünschten Nutsprung voneinander beabstandet sind. Für eine elektrische Isolierung der Spule ist diese beispielsweise mit einer oder mehreren Lagen eines Glimmerbands umwickelt, welches eine Erhöhung der Nässeresistenz sowie der Wärmeklasse der Spule bewirkt, sowie mit einer oder mehreren Lagen eines Gewebebands umwickelt, welches ergänzend einen mechanischen Schutz der Spule verwirklicht. Die Umwicklung erfolgt dabei beispielsweise vor dem ersten oder vor dem zweiten Formungsschritt. Die geformten und umwickelten Spulen werden anschließend in Statornuten eingebracht bzw. eingelegt, wobei dies üblicherweise manuell durch eine Montagefachkraft erfolgt.
Sowohl die Formung der dreidimensionalen Formspulen als auch deren Montage in dem Stator der elektrischen Maschine erfordern nachteilig einen hohen Fertigungs- und Zeitaufwand.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein geeignetes Werkzeug anzugeben, welche ein aufwandsgeringeres Formen und Einbringen von Spulen in einem Stator ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die jeweiligen Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind jeweiligen abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Einbringen von Spulen in einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine, wobei der Stator einen Statorkern zur Aufnahme eines um eine Rotationsachse (R) drehbaren Rotors in einem zylindrischen Statorinnenraum aufweist, und wobei der Statorkern an seiner radialen Innenseite Statornuten zur Aufnahme der Spulen aufweist. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte:

a) Formen der Spulen in eine jeweilige Grundform, wobei die Grundform eine erste Spulenseite und eine zweite Spulenseite aufweist, deren Enden durch einen jeweiligen Spulenkopf miteinander verbunden sind, und die erste Spulenseite und die zweite Spulenseite parallel in einer Ebene angeordnet sind,
b) Bestücken der Statornuten mit den ersten Spulenseiten,
c) Anordnen, in einer ersten rotatorischen Position, eines Werkzeugs in dem Stator, wobei das Werkzeug einen zylindrischen Werkzeugkörper aufweist, an dessen radialen Außenseite im Bereich des Statorinnenraums erste Werkzeugteile bewegbar angeordnet sind, und im Bereich der Stirnseiten Aussparungen vorgesehen sind, in welchen Spulenführungen anordenbar sind, und wobei der Werkzeugkörper relativ zu dem Stator um die Rotationsachse drehbar ist,
d) Bestücken der Aussparungen mit einer jeweiligen Spulenführung, wobei die Spulenführungen jeweils zwischen zwei zweiten Spulenseiten angeordnet werden,
e) Drehen des Werkzeugs relativ zu dem Stator in eine zweite rotatorischen Position, wobei die Spulenköpfe mittels der Spulenführungen geformt werden, und
f) Einbringen, in der zweiten rotatorischen Position, der zweiten Spulenseite in die Statornuten mittels der ersten Werkzeugteile.

Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Werkzeugs wird der bislang für jede Spule gesondert durchzuführende zweite Formungsschritt, d.h. das Umformen der zweidimensionalen Spule in eine dreidimensionale Spule, durch einen für alle Spulen gemeinsamen und gleichzeitigen Schritt ersetzt, wodurch der für die dreidimensionale Formung der Formspulen erforderliche Aufwand vorteilhaft deutlich reduziert wird. Ebenso vorteilhaft wird durch das Einbringen der Spulenseiten in die Statornuten mittels des Werkzeugs der manuelle Aufwand deutlich reduziert.
Die Spulenköpfe der Spulen werden in der Grundform derart geformt, dass diese nach der Bestückung in den Statornuten nicht über die zweiten Spulenseiten in radialer Richtung hinausragen, sodass das Werkzeug in den Stator eingeführt und dessen radiale Außenseite bzw. dessen ersten Werkzeugteile nahe den zweiten Spulenseiten angeordnet werden können.
Die ersten Werkzeugteile können beispielsweise in einer jeweiligen äußeren Werkzeugnut angeordnet sein, welche eine bestimmte Vertiefung gegenüber der radialen Außenseite des Werkzeugkörpers aufweist. Die Anzahl erste Werkzeugteile bzw. äußere Werkzeugnuten des Werkzeugs entspricht vorzugsweise der Anzahl Statornuten bzw. der Anzahl Spulen, sodass nach Schritt f) des Verfahrens Spulenseiten von zwei Spulen in einer jeweilige Statornut übereinander angeordnet sind, speziell eine erste Spulenseite einer ersten Spule radial unterhalb einer zweiten Spulenseite einer zweiten Spule in einer jeweiligen Statornut angeordnet ist. Alternativ kann die Anzahl Spulen und erste Werkzeugteile bzw. äußere Werkzeugnuten des Werkzeugs nur einer Hälfte der Anzahl Statornuten entsprechen, sodass nach Schritt f) des Verfahrens in jeder der Statornuten nur eine Spulenseite angeordnet ist. Letzteres Ergebnis kann ebenso bei Einsatz des ersteren Werkzeugs erzielt werden, wenn nur in jeder zweiten Statornut eine Spule angeordnet ist.
Nach dem Formen der Spulen in Schritt a) in eine Grundform weisen die parallelen Spulenseiten einer Spule einen bestimmten Abstand zueinander auf. Die ersten Spulenseiten der Spulen werden in dem Schritt b) durch beispielsweise eine Montagefachkraft oder automatisiert in eine Statornut eingebracht bzw. eingelegt. Die Statornut kann dabei beispielsweise mit einer Nutisolierung aus einem Aramidpapier ausgekleidet oder mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht versehen sein. Dabei wird die erste Spulenseite vorzugsweise in dem Nutgrund der Statornut, d.h. im radial inneren Bereich der Statornut, angeordnet, während die zweite Spulenseite in den Statorinnenraum hineinragt. Der Abstand zwischen den Spulenseiten ist dabei vorzugsweise derart bemessen, dass ein Luftspalt zwischen der radialen Innenseite des Statorkerns und der zweiten Spulenseite existiert. Dieser Luftspalt verhindert ein mögliches Schleifen der zweiten Spulenseite an dem Stator während der Drehbewegung in Schritt e), bei welcher eine Isolierung der Spule oder die Spule selbst ansonsten beschädigt werden könnte.
Die Spulen werden beispielsweise vor dem Schritt a) oder nach dem Schritt a) und vor dem Schritt b), wie einleitend beschrieben, mit einem Isoliermaterial, insbesondere mit einem folienartigen Isoliermaterial sowie ergänzend einem Gewebeband, umwickelt. Die Umwicklung der Spule mit einem Isoliermaterial dient einerseits der elektrischen Isolierung der Spulenseiten gegenüber dem Statorkern, andererseits einer Wärmeabfuhr der sich während des Betriebs der elektrischen Maschine aufgrund des Stromflusses erwärmenden Spulen in den Statorkern, welcher in bekannter Weise aktiv oder passiv gekühlt wird. Vorzugsweise werden sowohl die Spulenseiten als auch die Spulenköpfe vor dem Einbringen in die äußere Werkzeugnut vollständig mit einem Isoliermaterial umwickelt, da die Spulenköpfe nach ihrer Formung in Schritt e) nur noch schwer zugänglich sind.
Eine äußere Werkzeugnut des Werkzeugs weist vorzugsweise eine Tiefe in radialer Richtung auf, die derart bemessen ist, dass eine Oberfläche des in dieser angeordneten ersten Werkzeugteils bündig oder nahezu bündig mit der radialen Außenseite des Werkzeugkörpers abseits der Werkzeugnuten abschließt. Vorzugsweise ist die zweite Spulenseite nach der Anordnung des Werkzeugs in dem Statorinnenraum mit einem nur geringen radialen Abstand zu der Oberfläche des ersten Werkzeugteils angeordnet. Hierdurch kann der erforderliche Hub der Bewegung des ersten Werkzeugteils zum Einbringen der zweiten Spulenseite in die Statornut in Schritt f) minimiert werden. Andererseits ist der radiale Abstand zwischen der zweiten Spule und dem ersten Werkzeugteil hinreichend groß zu bemessen, um bei einem Einführen des Werkzeugs in den Stator das Risiko einer möglichen Beschädigung der zweiten Spulen zu verringern.
Die über den Umfang des Werkzeugkörpers verteilt angeordneten Aussparungen, in denen die Spulenführungen in Schritt d) angeordnet werden, sind beispielsweise in Form eines Sackloches mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, wobei sich dieser Querschnitt über die Länge der Aussparung in radialer Richtung verringern kann, sodass die Aussparung, in axialer Richtung betrachtet, die Form eines gleichschenkeligen Trapezes aufweist. Die Spulenführungen sind vorzugsweise an den Querschnitt der Aussparungen sowie an die Form der zweiten Spulenseiten angepasst. Beispielsweise weisen die Spulenführungen auch außerhalb der Aussparung einen sich über die Länge verändernden Querschnitt, wiederum in Form eines gleichschenkeligen Trapezes auf. Hierdurch bilden die Spulenführungen die rechteckige Form der Statornuten ab und maximieren damit vorteilhaft die Kontaktfläche mit den zweiten Spulenseiten, welche als Flachspulen einen konstanten rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Die Aussparungen sind über den Umfang des Werkzeugkörpers vorzugsweise versetzt zu den ersten Werkzeugteilen bzw. äußeren Werkzeugnuten angeordnet. Hierdurch sind die Aussparungen nach dem Anordnen des Werkzeugs in dem Stator und Ausrichten des Werkzeugs relativ zu dem Stator, sodass erste Werkzeugteile und zweite Spulenseiten einander direkt gegenüber liegen, die erste rotatorische Position, über die Zwischenräume zwischen benachbarten Spulen weiterhin zugänglich. In diesen Zwischenräumen werden die Spulenführungen angeordnet, deren Aufgabe es ist, die zweiten Spulenseiten bei der Ausführung der Drehbewegung in Schritt e) mitzuführen und hierdurch die Spulenköpfe zu formen.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens weist das Werkzeug innere Werkzeugnuten, welche radial unterhalb der ersten Werkzeugteile in dem Werkzeugkörper angeordnet sind und in welchen zweite Werkzeugteile bewegbar angeordnet sind, auf. Dabei bewirkt in Schritt f) eine Bewegung der zweiten Werkzeugteile eine Bewegung der ersten Werkzeugteile in radialer Richtung, wodurch die zweiten Spulenseiten in die Statornuten eingebracht werden.
Es sind demnach ergänzend zweite Werkzeugteile vorgesehen, deren Bewegung , beispielsweise ausgehend von einer Stirnseite des Werkzeugkörpers in axialer Richtung durch eine Montagefachkraft oder automatisiert, die Bewegung der ersten Werkzeugteile in Richtung des Statorkerns bewirkt, welche für das Einbringen der zweiten Spulenseiten in die Statornuten erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden in Schritt d) die Aussparungen sequenziell oder gleichzeitig mit den Spulenführungen bestückt.
Die Spulenführungen können somit, wenn diese als Einzelteile vorliegen, beispielsweise durch die Montagefachkraft in den Aussparungen des Werkzeugkörpers angeordnet und dort, falls ergänzend erforderlich, fixiert werden. Sofern die Spulenführungen hingegen miteinander verbunden sind, beispielsweise an deren unteren Enden durch einen Spulenführungsring, kann die Bestückung der Aussparungen mit den Spulenführungen durch ein einmaliges Anordnen eines solchen Spulenführungsrings erfolgen, wodurch der Arbeits- und Zeitaufwand für die Bestückung vorteilhaft verringert werden kann.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden in Schritt f) die zweiten Spulenseiten sequenziell oder gleichzeitig in die Statornuten eingebracht.
Ein sequenzielles Einbringen kann dabei insbesondere aufgeteilt in Gruppen einer jeweiligen Mehrzahl Spulen erfolgen. Insbesondere ein gleichzeitiges Einbringen aller zweiten Spulenseiten, beispielsweise durch gleichzeitiges Bewegen der zweiten Werkzeugteile, ermöglicht hingegen einerseits eine Beschleunigung des Schritts f) des Verfahrens, andererseits wird hierdurch eine gleichmäßige Krafteinwirkung über den Umfang des Werkzeugs und des Stators erzielt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden die Spulen jeweils aus zumindest einer Windung eines Flachdrahts in die Grundform geformt, wobei der Flachdraht insbesondere eine Querschnittsfläche im Bereich zwischen einschließlich 4 mm² und einschließlich 30mm² aufweist. Eine Spulenseite kann entsprechend insbesondere eine Querschnittsfläche zwischen einschließlich 50mm² bis 300m² aufweisen.
Für Spulen von elektrischen Maschinen im einleitend genannten Bereich der Nennleistung verwendete Flachdrähte mit einer solchen Querschnittsfläche sind große Kräfte für die Formung der Spulenköpfe erforderlich, weshalb diese bislang zunächst außerhalb des Stators durch spezielle Maschinen in die dreidimensionale Form geformt und erst nach Formung in die Statornuten eingebracht wurden. Mittels des erfindungsgemäßen Werkzeugs können alle Spulenköpfe in den Schritten e) und f) hingegen vorteilhaft gemeinsam und gleichmäßig geformt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Formen und Einbringen von Spulen in einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine, wobei der Stator einen Statorkern aufweist, dessen zylindrischer Statorinnenraum einer Aufnahme eines um eine Rotationsachse drehbaren Rotors der Maschine dient und an dessen radialen Innenseite Statornuten zur Aufnahme erster und zweiter Spulenseiten einer Mehrzahl Spulen ausgebildet sind. Dabei weist das Werkzeug zumindest einen zylindrischen Werkzeugkörper, welcher in dem Statorinnenraum anordenbar und relativ zu dem Stator um eine Rotationsachse drehbar ist, eine Mehrzahl erste Werkzeugteile, an einer radialen Außenseite des Werkzeugkörpers im Bereich des Statorinnenraums angeordnet sind und jeweils ausgestaltet sind, eine Bewegung in radialer Richtung auszuführen, und eine Mehrzahl Aussparungen in dem Werkzeugkörper, welche an der radialen Außenseite des Werkzeugkörpers im Bereich einer jeweiligen Stirnseite angeordnet und jeweils ausgestaltet sind, eine Spulenführung aufzunehmen, auf, wobei die ersten Werkzeugteile ferner jeweils ausgestaltet sind, einer zweiten Spulenseite in einer bezüglich der Rotationsachse ersten Position des Werkzeugkörpers relativ zu dem Stator radial gegenüberzuliegen, wobei eine erste Spulenseite in einer Statornut verbleibt, wobei die Aussparungen ferner ausgestaltet sind, in der ersten Position des Werkzeugkörpers relativ zu dem Stator eine jeweilige Spulenführung aufzunehmen, sodass die Spulenführungen jeweils zwischen zwei in Umfangrichtung benachbart angeordnete zweite Spulenseiten angeordnet sind, wobei der Werkzeugkörper ferner ausgestaltet ist, eine Drehung von der ersten Position zu einer bezüglich der Rotationsachse zweiten Position relativ zu dem Stator auszuführen, um erste und zweite Spulenseiten jeweils verbindende Spulenköpfe der Spulen mittels der Spulenführungen zu formen, und wobei die ersten Werkzeugteile ferner jeweils ausgestaltet sind, in der zweiten Position mittels einer Bewegung in radialer Richtung die zweite Spulenseite in eine Statornut einzubringen.
Die Anzahl erste Werkzeugteile kann der Anzahl äußere Werkzeugnuten entsprechen, wenn jede zweite Spulenseite mittels eines einzigen ersten Werkzeugteils in die Statornut eingebracht wird. Alternativ kann die Anzahl erste Werkzeugteile auch dem Doppelten der Anzahl äußere Werkzeugnuten entsprechen, wenn in jeder äußeren Werkzeugnut zwei erste Werkzeugteile angeordnet sind. Bei zwei ersten Werkzeugteile je äußerer Werkzeugnut können diese beispielsweise gleichzeitig oder sequenziell bewegt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Werkzeugs weist das Werkzeug ferner eine Mehrzahl innere Werkzeugnuten auf, welche radial unterhalb der der ersten Werkzeugteile in dem Werkzeugkörper angeordnet sind und in welchen zweite Werkzeugteile bewegbar angeordnet sind, wobei die zweiten Werkzeugteile von zumindest einer Stirnseite des Werkzeugkörpers aus bewegbar sind und die ersten und die zweiten Werkzeugteile ausgestaltet sind, mittels einer Bewegung der zweiten Werkzeugteile eine Bewegung der ersten Werkzeugteile in radialer Richtung zu bewirken.
Vorzugsweise entspricht die Anzahl innere Werkzeugnuten der Anzahl erste Werkzeugteile, sodass radial unterhalb jedes ersten Werkzeugteils eine jeweilige innere Werkzeugnut angeordnet ist. Alternativ kann jedoch eine geringere Anzahl innere Werkzeugnuten als erste Werkzeugteile vorgesehen sein, wobei eine innere Werkzeugnut radial unterhalb mehrerer erster Werkzeugteile angeordnet ist und jedes zweite Werkzeugteil somit mehrere erste Werkzeugteile bewegt.
Die zweiten Werkzeugteile werden vorzugsweise von einer oder von beiden Stirnseiten des Werkzeugkörpers aus bewegt und sind hierdurch nach Anordnung des Werkzeugs in dem Stator frei zugänglich. Insbesondere können die zweiten Werkzeugteile in einer Ausgangsposition in axialer Richtung über die Stirnseite hinausragen und durch eine axiale Bewegung weiter in den Werkzeugkörper eingeführt werden.
Die ersten Werkzeugteile können beispielsweise jeweils zumindest eine Finne und die zweiten Werkzeugteile jeweils zumindest einen Einschnitt aufweisen, wobei die Finne und der Einschnitt ausgestaltet sind, dass eine Bewegung des zweiten Werkzeugteils in axialer Richtung die Bewegung des ersten Werkzeugteils in radialer Richtung bewirkt. Beispielsweise weisen die Finne und der Einschnitt an aneinander liegenden Flanken bzw. Seiten jeweils eine bestimmte Steigung relativ zu der Rotationsachse auf, sodass eine Bewegung des zweiten Werkzeugteils in axialer Richtung ausschließlich eine Bewegung des ersten Werkzeugteils in radialer Richtung bewirkt.
Zwischen einem ersten Werkzeugteil bzw. einer äußeren Werkzeugnut und einer inneren Werkzeugnut kann ein sich über die Länge des Werkzeugkörpers erstreckender Steg angeordnet sein, wobei der Steg zumindest eine Öffnung aufweist, welche die radiale Außenseite des Werkzeugkörpers bzw. die äußere Werkzeugnut mit der inneren Werkzeugnut räumlich verbindet. Dabei kann die Finne des ersten Werkzeugteils derart ausgestaltet sein, dass diese durch die Öffnung hindurch in die innere Werkzeugnut ragt und mit dem Einschnitt des zweiten Werkzeugteils interagiert.
Aufgrund des Stegs ist die innere Werkzeugnut nicht bzw. nur über die Öffnungen von radial außen zugänglich. Das zweite Werkzeugteil ist daher beispielsweise derart ausgestaltet, dass es von einer Stirnseite des Werkzeugkörpers aus in die innere Werkzeugnut eingebracht sowie, wie vorstehend beschrieben, von der Stirnseite aus bewegt werden kann. Der bzw. die Einschnitte des zweiten Werkzeugteils sind entsprechend derart ausgestaltet, dass sie nicht in die Öffnung hineinragt, sondern eine geringere Höhe in radialer Richtung als die innere Werkzeugnut aufweist. Insbesondere können eine Finne des ersten und ein Einschnitt des zweiten Werkzeugteils nach deren Einbringen in die äußere und innere Werkzeugnuten derart ineinandergreifen, dass ein Entfernen des zweiten Werkzeugteils aus der inneren Werkzeugnut erst nach Entfernen des ersten Werkzeugteils aus der äußeren Werkzeugnut möglich ist. In der Grundkonfiguration vor dem Einbringen in den Stator sind die äußeren und inneren Werkzeugnuten des Werkzeugkörpers vorzugsweise bereits vollständig mit ersten und zweiten Werkzeugteilen bestückt.
Alternativ zu einem durchgehenden Steg mit zumindest einer Öffnung kann jedoch auch eine sich über die Länge des Werkzeugkörpers erstreckende Öffnung vorgesehen sein, wobei diese Öffnung eine geringere Breite in Umfangrichtung gegenüber einer Breite der inneren Werkzeugnut sowie, sofern vorhanden, der äußeren Werkzeugnut aufweist. Die Öffnung entspricht somit einer Verjüngung in dem Bereich zwischen der inneren Werkzeugnut und dem ersten Werkzeugteil bzw. der äußeren Werkzeugnut. Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Werkzeugs weist der Werkzeugkörper eine größere Länge als der Statorkern auf, sodass der Werkzeugkörper nach der Anordnung in dem Statorinnenraum einen jeweiligen Vorsprung gegenüber dessen Stirnseiten ausbildet, und sind die Aussparungen an der radialen Außenseite des jeweiligen Vorsprungs angeordnet.
Der Werkzeugkörper ragt somit nach dem Anordnen in dem Statorinnenraum jeweils über die Stirnseiten des Stators hinaus. Dieser Vorsprung des Werkzeugkörpers umfasst vorzugsweise einen Bereich der Spule, in welchem die zweite Spulenseite gerade bzw. parallel zu der Rotationsachse ausgebildet ist, d.h. bevor diese in eine Krümmung des Spulenkopfes gemäß der Grundform der Spule übergeht. Die Spulenführungen werden in den Aussparungen angeordnet, welche jeweils zwischen zwei zweiten Spulenseiten liegen. Vorzugsweise weist der jeweilige Vorsprünge nur eine jeweils begrenzte Länge auf und sind die Aussparungen unmittelbar an die jeweilige Stirnseite des Stators angrenzend angeordnet, sodass der erforderliche zusätzliche gerade Teil der zweiten Spulenseiten und damit die erforderliche Länge der Spulenköpfe nicht nachteilig vergrößert wird.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist das Werkzeug ferner eine an einer jeweiligen Stirnseite des Werkzeugkörpers radial unterhalb der Aussparungen angeordnete ringförmige Spulenführungsnut auf, wobei die Aussparungen mit der Spulenführungsnut verbunden und von der Stirnseite des Werkzeugkörpers zugänglich sind, und einen Spulenführungsring auf, welcher die Spulenführungen mechanisch miteinander verbindet und derart ausgestaltet ist, dass der Spulenführungsring in der Spulenführungsnut von der Stirnseite des Werkzeugkörpers aus anordenbar ist.
Mittels eines solchen Spulenführungsrings, welcher alle an einer Stirnseite anzuordnenden Spulenführungen, insbesondere an deren jeweiligen radial unteren Ende, mechanisch miteinander verbindet, können die Spulenführungen gleichzeitig in den Aussparungen angeordnet werden, wodurch vorteilhaft der Montageaufwand für die Spulenführungen verringert wird. Der Werkzeugkörper muss bei dieser Ausgestaltung nicht zwingend eine größere Länge als der Statorkern aufweisen, da die Spulenführungen von der Stirnseite, d.h. in axialer Richtung, in die Aussparungen eingebracht werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft schließlich eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Formen und Einbringen von Spulen in einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden bezugnehmend auf Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein unbestückter Stator einer elektrischen rotierenden Maschinen in einer perspektivischen Ansicht mit einem darin angeordneten erfindungsgemäßen Werkzeug sowie Spulenführungen,
2 den Stator der 1 bestückt mit Spulen,
3 den bestückten Stator der 2 und das mit den Spulenführungen bestückte Werkzeug,
4 eine alternative Ausgestaltung des Werkzeugs mit Spulenführungsringen,
5 das Werkzeug der 4 mit in Spulenführungsnuten angeordneten Spulenführungsringen,
6 das Werkzeug in einer Schnittdarstellung in einem ersten Zustand,
7 das Werkzeug nach der 6 in einem zweiten Zustand, und
8 das alternative Werkzeug nach der 5 in einer Schnittdarstellung in dem ersten Zustand.

1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen beispielhaften Stator ST einer elektrischen rotierenden Maschine. Der Stator ST ist als ein so genannter Außenstator mit einem Statorkern STK aus einem geschichteten Blechpaket verwirklicht, in dessen Statorinnenraum STI ein um eine Rotationsachse R drehbarer Rotor der Maschine anordenbar ist. Der zylindrische Statorinnenraum STI ist in radialer Richtung durch eine Mehrzahl in Umfangrichtung angeordnete Statorzähne sowie in axialer Richtung durch Stirnflächen des Stators ST begrenzt. Die Statorzähne sind ausgehend von einem zylindrischen Statorjoch STJ in radialer Richtung ausgebildet und bilden eine entsprechende Mehrzahl Statornuten STN aus. Die Statornuten STN besitzen über die Länge des Statorinnenraums STI eine grundsätzlich einheitliche Breite in Umfangrichtung sowie eine einheitliche Tiefe in radialer Richtung, wobei sie im Bereich der Nutöffnungen zwischen den Statorzahnköpfen sowie im Bereich der Stirnflächen des Stators ST vollständig offen sind, sodass Spulen S bzw. Spulenseiten SS in radialer Richtung in diese einbringbar sind. Die Tiefe der Statornuten STN ist derart bemessen, dass jeweils zwei Spulenseiten SS übereinander liegend darin angeordnet werden können. Abhängig von der gewünschten Anordnung der Spulen in den Statornuten STN können die Statornuten alternativ ebenso eine Tiefe für die Aufnahme lediglich einer Spulenseite SS aufweisen.
In dem Stator ST ist ein Werkzeug W angeordnet, wobei dieses beispielsweise über die in der Figur vordere Stirnseite des Stators ST in dessen Statorinnenraum STI eingeführt wurde. Das Werkzeug W weist einen zylindrischen Werkzeugkörper WK auf, welcher beispielsweise aus einem massiven Körper aus Metall oder einer Metalllegierung durch maschinelle Bearbeitung geformt ist. Alternativ kann der Werkzeugkörper WK entsprechend dem Statorkern aus einem Blechpaket bestehen, wobei die Ausprägungen in dem Querschnitt des Blechpakets durch Stanzen der Bleche verwirklicht werden. Eine Länge des Werkzeugkörpers WK ist größer als die Länge des Stators ST gewählt, sodass dieser einen jeweiligen Vorsprung VS gegenüber den Stirnseiten des Statorkerns STK ausbildet. An der radialen Außenseite des Vorsprungs VS sind Aussparungen AS verteilt angeordnet, in welchen entsprechend angepasste Spulenführungen SF angeordnet werden. Die Spulenführungen SF sind in 1 rein zur Verdeutlichung um den Vorsprung VS herum und in einem radialen Abstand zu diesem angeordnet. Die Anzahl der Aussparungen AS in dem Vorsprung VS entspricht der Anzahl Statornuten STN bzw. der Anzahl in den Statornuten STN angeordneten Spulen S. Die Aussparungen AS sind jedoch gegenüber den Statornuten STN in Umfangrichtung versetzt angeordnet, sodass eine Aussparung AS zwischen jeweils zwei benachbarten Statornuten STN angeordnet ist. Entsprechend ist nach der Bestückung auch eine Spulenführung SF zwischen jeweils zwei benachbarten zweiten Spulenseiten SS2 angeordnet.
Der Werkzeugkörper WK weist an seiner radialen Außenseite ferner eine der Anzahl Statornuten STN entsprechende Anzahl äußere Werkzeugnuten WNA auf, welche in der 1 nicht speziell dargestellt sind. Eine Länge dieser äußeren Werkzeugnuten WNA entspricht vorzugsweise der Länge der Statornuten STN, während eine Tiefe der äußeren Werkzeugnuten WNA derart bemessen ist, dass eine Oberfläche eines in diesen angeordneten ersten Werkzeugteils WT1 bündig bzw. nahezu bündig mit der Außenfläche des Werkzeugkörpers WK abseits der äußeren Werkzeugnuten WNA abschließt. Neben der Anzahl äußere Werkzeugnuten WNA weist der Werkzeugkörper WK ergänzend eine Anzahl innere Werkzeugnuten WNI auf, welche in der 1 ebenfalls nicht speziell dargestellt sind. Diese inneren Werkzeugnuten WNI sind radial unterhalb der äußeren Werkzeugnuten WNA angeordnet und erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Werkzeugkörpers WK. In den inneren Werkzeugnuten WNI sind zweite Werkzeugteile WT2 angeordnet, welche mit den ersten Werkzeugteilen WT1 in den äußeren Werkzeugnuten WNA in jeweiligem mechanischen Kontakt stehen. Die Anzahl innere Werkzeugnuten WNI entspricht vorzugsweise der Anzahl äußere Werkzeugnuten WNA, alternativ ist jedoch ebenso eine geringere Anzahl innere Werkzeugnuten möglich.
Ergänzend weist der Werkzeugkörper WK eine zentrale zylindrische Durchführung WDF zur Aufnahme einer Werkzeugwelle WW auf. Die Werkzeugwelle WW dient einerseits der Lagerung des Werkzeugkörpers WK, andererseits ermöglicht sie eine rotatorische Bewegung bzw. eine Drehung des Werkzeugkörpers WK relativ zu dem Stator ST um eine Rotationsachse R, welche identisch mit der Rotationsachse eines Rotors der elektrischen rotierenden Maschine ist. Dabei kann der Werkzeugkörper WK drehbar auf einer starr aufgehängten Werkzeugwelle WW gelagert oder mit einer drehbar gelagerten Werkzeugwelle WW drehfest verbunden sein. Alternativ zu einer Durchführung WDF mit einer darin angeordneten Werkzeugwelle WW kann ebenso ein jeweiliger Zapfen an einer oder an beiden Stirnseiten des Werkzeugkörpers WK ausgebildet oder mit diesem mechanisch verbunden sein, welche wiederum drehbar gelagert sind. Alternativ kann ebenso der Werkzeugkörper WK unbeweglich gelagert sein, während der Stator ST beweglich gelagert ist und entsprechend eine relative Drehung zu dem starren Werkzeugkörper WK ausführen kann. Auch eine drehbare Lagerung sowohl des Werkzeugkörpers WK als auch des Stators ST, welche in gleicher Weise eine relative Drehbewegung der beiden zueinander ermöglicht, ist denkbar.
2 zeigt den Stator ST und das Werkzeug W der 1 mit ergänzend in den Statornuten STN angeordneten Spulen S in einer Grundform. Die Spulen S weisen in dieser Grundform jeweils zwei Spulenseiten SS sowie zwei Spulenköpfe SK auf, wobei letztere die Spulenseiten SS miteinander verbinden. Weiterhin weist jede Spule einen nicht speziell dargestellten Spulenanschluss auf, der im Bereich eines der beiden Spulenköpfe SK angeordnet ist. Vorzugsweise entspricht die Grundform einer zweidimensionalen ovalen Form mit zwei parallelen Geradenstücken als Spulenseiten SS und zwei die Geradenstücke verbindenden Kreisbögen in einer Ebene. Vorzugsweise ragen die Spulenseiten SS bzw. die ersten SS1 und die zweiten Spulenseiten SS2 über die Stirnseiten des Statorkerns STK hinaus, d.h. besitzen eine größere Länge als die Länge des Statorkerns STK bzw. der Statornuten STN, und bilden neben den Kreisbögen die Spulenköpfe SK. Die größere Länge zumindest der zweiten Spulenseite SS2 entspricht, wie in der 2 ersichtlich, zumindest der Länge des Werkzeugkörpers WK. Die Spulenköpfe SK der Spulen S sind zudem derart dimensioniert, dass einerseits das Einbringen der zweiten Spulenseite SS2 in eine Statornut STN, welche von der Statornut STN der ersten Spulenseite SS1 um einen bestimmten Nutsprung beabstandet ist, ermöglicht wird, andererseits die Spulenköpfe SK nach dem Einbringen der zweiten Spulenseiten SS2 in die Statornuten STN einen möglichst geringen Überstand in axialer Richtung aufweisen, um die gesamte Länge der elektrischen Maschine zu begrenzen.
Die Spulen S werden in der Grundform in den Statornuten STN beispielsweise durch eine Montagefachkraft oder automatisiert angeordnet. Die Spulen S sind dabei derart angeordnet, dass die erste Spulenseite SS1 im Bereich des Nutgrunds der Statornut angeordnet sind, während die zweite Spulenseite SS2 über die radiale Innenseite des Stators ST hinaus in den Statorinnenraum STI hineinragt. Die zweidimensionalen Spulen S weisen somit eine Ausrichtung in axialer sowie in radialer Richtung auf. Für eine elektrische Isolierung und einen mechanischen Schutz ist die Spule S in der Grundform bzw. bereits vor dem Formen in die Grundform mit mindestens einer Lage eines Glimmerbands sowie ergänzend mit einer oder mehreren Lagen eines Gewebebands vollständig umwickelt worden.
Ein Luftspalt zwischen der radialen Außenseite des Werkzeugkörpers WK und der radialen Innenseite des Statorkerns STK bzw. den zweiten Spulenseiten SS2 der in den Statornuten STN angeordneten Spulen S ist vorzugsweise derart bemessen, dass einerseits das Werkzeug W ohne Beschädigung der zweiten Spulenseiten SS2 in dem Statorinnenraum STI angeordnet werden kann, andererseits ein sicheres Formen der Spulenköpfe SK und Einbringen der zweiten Spulenseiten SS2 in die Statornuten STN durch das Werkzeug W ermöglicht wird. Vorzugsweise wird bei der Anordnung des Werkzeugs W in dem Stator ST sichergestellt, dass der Luftspalt konstant bzw. nahezu konstant über den gesamten Umfang ist.
3 zeigt den Stator ST und das Werkzeug W, wobei die in der 2 schematisch in einem Abstand um den Werkzeugvorsprung VS herum angeordneten Spulenführungen SF in den Aussparungen AS des Werkzeugvorsprungs VS angeordnet sind. Wie vorstehend bereits erläutert, ist jede Spulenführung SF zwischen zweiten Spulenseiten SS2 von zwei in Umfangrichtung benachbarten Spulen S angeordnet und vorzugsweise zumindest mit einer zweiten Spulenseite SS2 in mechanischem Kontakt, um diese in dem Schritt der relativen Drehung des Werkzeugs W zu dem Stator ST, beispielsweise entsprechend der angegebenen Drehrichtung DR, mitzunehmen und damit den Spulenkopf SK dieser von der Spulenführung SF geführten Spule S zu formen.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Werkzeugs W bzw. speziell des Werkzeugkörpers WK, der Aussparungen AS sowie der Spulenführungen SF. Die Spulenführungen SF sind hierbei an ihrem in radialer Richtung unteren Ende bzw. an ihrer Basis über einen zentralen Spulenführungsring SFR miteinander verbunden. Für die Aufnahme des Spulenführungsrings SFR ist an der Stirnseite des Werkzeugkörpers WK bzw. an dessen Vorsprung VS eine Spulenführungsnut SFN vorgesehen. Ferner sind die Aussparungen AS an der radialen Außenseite des Vorsprungs VS durchgängig bis zu der Spulenführungsnut SFN sowie zur Stirnseite des Vorsprungs VS hin offen ausgestaltet. Die Spulenführungsnuten SFN sowie der Spulenführungsring SFR sind dabei beispielhaft derart ausgestaltet, dass radial unterhalb des Spulenführungsrings SFR die inneren Werkzeugnuten WNI angeordnet sein können und die darin angeordneten zweiten Werkzeugteile WT2 von der Stirnseite des Werkzeugkörpers WK aus bewegbar sind.
5 zeigt ergänzend zu der 4 den in der Spulenführungsnut SFN angeordneten Spulenführungsring SFR sowie die in den Aussparungen AS angeordneten Spulenführungen SF. Wie insbesondere aus 5 ersichtlich ist, können durch das Zusammenfassen der Spulenführungen SF zu einem, obgleich komplexeren, Werkzeugteil die Spulenführungen SF in einem Montageschritt zwischen den zweiten Spulenseiten SS2 der Spulen S angeordnet und fixiert werden. Entsprechend kann dieses Werkzeugteil nach dem Formen der Spulenköpfe SK oder nach dem Einbringen der zweiten Spulenseiten SS2 in die Statornuten SFN in einfacher Weise wieder aus dem Werkzeugkörper WK entfernt werden, um schließlich auch den Werkzeugkörper WK wieder aus dem Stator ST entfernen zu können.
Ausgehend von dem in 3 dargestellten Zustand des in dem Statorinnenraum STI angeordneten Werkzeugs W werden nachfolgend die Spulenköpfe SK der Spulen S geformt sowie die zweiten Spulenseiten SS2 der Spulen S in die Statornuten STN eingebracht. Dies erfolgt durch eine Drehbewegung des Werkzeugs W relativ zu dem Statorkern STK, wobei die Drehbewegung ausgeführt wird, um die zweiten Spulenseiten SS2 der Spulen S aus einer ersten rotatorischen Position, in welcher die Spulenführungen SF zwischen den zweiten Spulenseiten SS2 angeordnet wurden, in eine zweite rotatorischen Position zu bringen, in welcher die zweiten Spulenseiten SS2 von den ersten Werkzeugteilen WT1 in die Statornuten STN eingebracht werden. Auf diese Weise wird der Nutsprung zwischen den beiden Spulenseiten SS einer Spule S, d.h. der räumliche Abstand der Spulenseiten SS im Statorkern STK voneinander, verwirklicht. Die relative Drehbewegung erfolgt durch eine Drehung des Werkzeugkörpers WK um die Rotationsachse R in der mittels eines Pfeils angegebenen Drehrichtung DR, während der Statorkern STK ortsfest ist. Dabei bewirkt die relative Drehbewegung nicht nur ein Auseinanderbewegen bzw. Spreizen der Spulenseiten SS der jeweiligen Spule S, sondern auch ein dreidimensionales Formen der Spulenköpfe SK.
Nach der relativen Drehbewegung bzw. dem Formen der Spulenköpfe SK werden die zweiten Spulenseiten SS2 der Spulen S in die Statornuten STN eingebracht. Dies erfolgt durch Bewegen der zweiten Spulenseiten SS2 in radialer Richtung, wie nachfolgend zu 6 und 7 näher erläutert wird. Der Betrag der der Bewegung ist vorzugsweise derart bemessen ist, dass die zweiten Spulenseiten SS2 soweit in die Statornuten STN eingebracht werden, dass sie unmittelbar radial oberhalb der ersten Spulenseiten SS1 angeordnet sind. Da in den Statornuten STN jeweils erste und zweite Spulenseiten SS1, SS2 unterschiedlicher Spulen S angeordnet sind, entspricht deren Annäherung keiner Stauchung der in der Grundform parallelen und beabstandeten Spulenseiten einer Spulen, sondern vielmehr einem weiteren Teilschritt bei der dreidimensionalen Formung der Spulen S.
Nach dem Einbringen der zweiten Spulenseiten kann das Werkzeug W wiederum über eine Stirnseite des Statorkerns STK aus dem Statorinnenraum STI entfernt werden.
6 und 7 zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Werkzeugs W zur Erläuterung des Einbringens der zweiten Spulenseiten SS2 einer Spule S in eine Statornut STN mittels erster und zweiter Werkzeugteile WT1, WT2.
6 zeigt einen Längsschnitt durch den Werkzeugkörper WK des Werkzeugs W entlang der zentralen Rotationsachse R, wobei der Schnitt mittig durch eine innere WNI und eine äußere Werkzeugnut WNA geht und lediglich der Bereich oberhalb der Rotationsachse R dargestellt ist. Radial oberhalb des Werkzeugkörpers WK bzw. der äußeren Werkzeugnut WNA und durch einen Luftspalt LS getrennt ist eine Statornut STN des Statorkerns STK ergänzend dargestellt, wobei ein Nutgrund im oberen Bereich der Statornut angeordnet ist. Das Statorjoch des Statorkerns STK ist hingegen nicht gesondert dargestellt.
Das Werkzeug W weist einen zylindrischen Werkzeugkörper WK mit einem bestimmten Durchmesser und einer bestimmten Länge auf, wobei die Länge des Werkzeugkörpers WK größer als die Länge des Stators ST ist, sodass der Werkzeugkörper WK einen jeweiligen Vorsprung VS gegenüber der Stirnseite des Statorkerns STK ausbildet. Ausgehend von der Rotationsachse R weist der Werkzeugkörper WK eine Durchführung WDF mit einem bestimmten Durchmesser zur Aufnahme einer entsprechend angepassten Werkzeugwelle WW auf, auf welcher der Werkzeugkörper WK drehfest gelagert ist. In radialer Richtung RR oberhalb eines sich über die vollständige Länge erstreckenden Stegs des Werkzeugkörpers WK ist eine durchgängige innere Werkzeugnut WNI angeordnet, welche der Aufnahme eines zweiten Werkzeugteils WT2 dient. Das zweite Werkzeugteil WT2 ist insbesondere derart ausgestaltet, dass es von den Stirnseiten des Werkzeugkörpers WK aus in der inneren Werkzeugnut WNI angeordnet und durch eine Montagefachkraft bzw. automatisiert in dieser in axialer Richtung AR bewegbar ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind über die Stirnseite des Werkzeugkörpers WK hinausragende Bestandteile des zweiten Werkzeugteils WT2 nicht spezifisch dargestellt.
In radialer Richtung RR oberhalb der inneren Werkzeugnut WNI ist ein weiterer Steg des Werkzeugkörpers WK vorgesehen, welcher die innere Werkzeugnut WNI von der äußeren Werkzeugnut WNA räumlich trennt, wobei die äußere Werkzeugnut WNA wiederum in radialer Richtung RR oberhalb des weiteren Stegs angeordnet ist. Der weitere Steg weist zwei über dessen Länge verteilte Öffnungen OE bzw. Durchbrüche auf, welche innere WNI und äußere Werkzeugnuten WNA räumlich verbinden.
In radialer Richtung RR oberhalb des weiteren Stegs des Werkzeugkörpers WK bzw. im Nutgrund der äußeren Werkzeugnut WNA ist ein erstes Werkzeugteil WT1 angeordnet. Nach dem Beispiel der 6 weist das erste Werkzeugteil WT1 an seiner radialen Oberseite eine durchgängige Fläche auf, mittels welcher das erste Werkzeugteil WT1 eine zweite Spulenseite SS2 der Spule S mechanisch kontaktiert. Weiterhin weist das erste Werkzeugteil WT1 an seiner radialen Unterseite weitere Flächen, mittels welcher sich das zweite Werkzeugteil WT2 auf dem weiteren Steg des Werkzeugkörpers WK abstützt, sowie zwei Ausprägungen in radialer Richtung in Form einer jeweiligen Finne FI auf. Die Finnen FI ragen durch die Öffnungen OE in die innere Werkzeugnut WNI hinein und weisen jeweils eine Flanke mit einer bestimmten Steigung bzw. einem bestimmten Winkel relativ zu der Rotationsachse R auf.
Das zweite Werkzeugteil WT2 weist entsprechende Einschnitte ES zur Aufnahme der Finnen FI des ersten Werkzeugteils WK1 auf, wobei die Einschnitte ES jeweils eine Flanke mit einer Steigung aufweisen, welche mit der Steigung der Finnen FI des ersten Werkzeugteils WT1 kompatibel ist. Über die Flanken der Einschnitte ES und Finnen FI stehen das erste WT1 und das zweite Werkzeugteil WT2 miteinander in mechanischem Kontakt.
Alternativ zu der dargestellten räumlichen Trennung der äußeren Werkzeugnut WNA bzw. des ersten Werkzeugteils WT1 und der inneren Werkzeugnut WNI mittels eines weiteren Stegs mit über die Länge verteilt angeordneten Öffnungen kann auch eine einzige, in radialer Richtung RR vom Nutgrund bis zur Nutöffnung bzw. bis zur radialen Außenseite des Werkzeugkörpers WK durchgehende Werkzeugnut vorgesehen sein. Eine solche einzige Werkzeugnut kann beispielsweise im Bereich des in 6 dargestellten weiteren Stegs eine Verjüngung aufweisen, welche die Breite in der Werkzeugnut in diesem Bereich über die gesamte Länge des Werkzeugkörpers WK verringert. Diese Verjüngung kann als eine die gesamte Länge der Werkzeugnut umfassende Öffnung betrachtet werden. Das zweite Werkzeugteil WT2 weist gegenüber dieser Verjüngung eine größere Breite auf, welche beispielsweise weitgehend der Breite der Werkzeugnut entspricht. Hierdurch kann das zweite Werkzeugteil WT2 entsprechend in axialer Richtung AR in der Werkzeugnut bewegt werden, jedoch nicht in der radialen Richtung RR. Die Finnen FI des ersten Werkzeugteils WT1 weisen hingegen eine geringere Breite als die Verjüngung auf, sodass sie in radialer Richtung RR bewegbar sind. Vorzugsweise weisen die Finnen FI jedoch im unteren Bereich der Flanken, d.h. im Bereich der Kontaktfläche mit dem Einschnitt ES des zweiten Werkzeugteils WT2 jeweils eine Verdickung bzw. eine größere Breite als die Verjüngung auf. Vorzugsweise ist ebenso der obere Bereich des ersten Werkzeugteils WT1, welcher in Kontakt mit der zweiten Spulenseite SS2 gebracht wird, breiter als die Verjüngung ausgeführt. Ein Profil des ersten Werkzeugteils kann somit weitgehend dem des lateinischen Großbuchstabens I entsprechen.
Eine solche alternative Ausgestaltung der Werkzeugnut sowie der ersten und zweiten Werkzeugteile ermöglicht einerseits, beide Werkzeugteile von einer Stirnseite des Werkzeugkörpers in die Werkzeugnut einzuführen, andererseits ein Herausfallen des ersten Werkzeugteils WT1 in radialer Richtung RR aus der Werkzeugnut zu verhindern. Vorteilhaft können hierdurch alle Werkzeugnuten bereits vor dem Einführen des Werkzeugs W in den Statorinnenraum STI mit ersten und zweiten Werkzeugteilen WT1, WT2 bestückt werden, weiterhin können die Werkzeugteile in den Werkzeugnuten verbleiben, wenn das Werkzeug W wieder aus dem Statorinnenraum STI entfernt wird.
6 zeigt einen ersten Zustand des Werkzeugs W, in einer ersten rotatorischen Position relativ zu dem Stator ST, nachdem es in den bereits mit Spulen S bestückten Stator ST eingeführt wurde. In der ersten rotatorischen Position ist das Werkzeug W in dem Stator ST derart ausgerichtet, dass die äußeren Werkzeugnuten WNA des Werkzeugkörpers WK bzw. die radialen Oberflächen der ersten Werkzeugteile WT1 und die Statornuten STN des Stators ST einander direkt gegenüberliegen, und dass die Oberflächen der ersten Werkzeugteile WT1 und die zweiten Spulenseiten SS2 durch einen über den Umfang des Werkzeugkörpers WK bzw. des Stators ST möglichst konstanten Luftspalt LS voneinander beabstandet sind. Die erste Spulenseite SS1 der Spule S ist im Bereich des Nutgrunds der Statornut STN angeordnet, während die dazu parallele zweite Spulenseite SS2 in den Statorinnenraum STI ragt. Erste und zweite Werkzeugteile WT1, WT2 befinden sich im ersten Zustand in einer Ausgangsposition, in welcher das erste Werkzeugteil WT1 an dem weiteren Steg des Werkzeugkörpers WK anliegt.
Zur besseren Unterscheidung sind die Spulenseiten SS1, SS2 in den 6 bis 8 durch unterbrochene Linien angegeben, wobei nur jeweils eine Teillänge der Geradenstücke dargestellt ist und die in axialer Richtung AR anschließenden Spulenköpfe SK nicht speziell dargestellt sind.
Im Bereich des jeweiligen Vorsprungs VS des Werkzeugkörpers WK ist, in Umfangrichtung versetzt zu der äußeren Werkzeugnut WNA und damit hinter der Schnittebene, eine Aussparung AS angeordnet, die zur radialen Außenseite des Vorsprungs VS hin offen ist. In dieser Aussparung AS wird nach dem Einbringen des Werkzeugs W in den Statorinnenraum STI und Anordnen des Werkzeugkörpers WK in der ersten rotatorischen Position eine Spulenführung SF angeordnet. Aussparung AS und Spulenführung SF sind dabei jeweils derart dimensioniert, dass eine während der nachfolgenden Drehung des Werkzeugkörpers WK relativ zu dem Stator ST wirkende Kraft beschädigungsfrei von dem Werkzeugkörper WK auf die zweite Spulenseite SS2 übertragen werden kann.
7 zeigt einen zweiten Zustand des Werkzeugs W, in einer zweiten rotatorischen Position des Werkzeugkörpers WK relativ zu dem Stator ST, d.h. nachdem der Werkzeugkörper WK relativ zu dem Stator ST um die Rotationsachse R gedreht wurde. Entsprechend sind die in 7 dargestellte erste Spulenseite SS1 und Statornut STN andere als die in der 6 dargestellten. In dieser zweiten rotatorischen Position wird, wie mittels eines in die axiale Richtung weisenden Pfeils angegeben, das zweite Werkzeugteil WT2 in der inneren Werkzeugnut WNI in axialer Richtung AR bewegt, d.h. tiefer in die innere Werkzeugnut WNI hineingeschoben. Eine hierfür erforderliche Kraft wird ausgehend von der linken Stirnseite des Werkzeugkörpers WK beispielsweise durch eine Montagefachkraft oder maschinell aufgebracht. Die Bewegung des zweiten Werkzeugteils WT2 in axialer Richtung AR bewirkt aufgrund des mechanischen Kontaktes der Flanken der Einschnitte ES des zweiten Werkzeugteils WT2 mit den Flanken der Finnen FI des ersten Werkzeugteils WT1 eine Bewegung des ersten Werkzeugteils WT1 in radialer Richtung RR, wie mittels in die radiale Richtung RR weisende Pfeile angegeben. Diese Bewegung des ersten Werkzeugteils WT1 bewirkt das Einbringen der zweiten Spulenseite SS2 in die radial gegenüberliegende andere Statornut STN.
Nach erfolgtem Einbringen der zweiten Spulenseiten SS2 der Spulen S in eine jeweils andere Statornut STN werden die zweiten Werkzeugteile WT2 wieder in die in 6 dargestellte Ausgangsposition zurückgeführt werden, sodass keine Krafteinwirkung auf die zweiten Spulenseiten SS2 durch die ersten Werkzeugteile WT1 mehr besteht. In diesem Zustand und nach Entfernen der Spulenführungen SF aus den Aussparungen AS an zumindest einer Stirnseite des Werkzeugkörpers WK kann das Werkzeug W über beispielsweise die dargestellte linke Stirnseite des Statorkerns STK aus dem Statorinnenraum STI entfernt werden.
8 zeigt schließlich eine alternative Ausgestaltung des Werkzeugs W mit einem Spulenführungsring SFR entsprechend der Darstellung in 5 sowie in einem ersten Zustand entsprechend der 6. Hierbei ist in dem jeweiligen Vorsprung VS des Werkzeugkörpers WK und radial oberhalb der inneren Werkzeugnut WNI eine Spulenführungsnut SFN angeordnet, in welcher der Spulenführungsring SFR sowie die an diesen radial anschließenden Spulenführungen SF wie dargestellt angeordnet werden. Die Aussparungen AS sind wie die Spulenführungsnut SFN von der Stirnseite des Werkzeugkörpers WK aus zugänglich, sodass der Spulenführungsring SFR samt Spulenführungen SF in axialer Richtung AR in die Spulenführungsnut SFN bzw. die Aussparungen AS eingeführt werden können. Wie in der 8 verdeutlicht, kann der jeweilige Vorsprung VS des Werkzeugkörpers WK, d.h. die zusätzliche Länge gegenüber der Länge des Statorkerns STK geringer ausfallen, wobei der Werkzeugkörper WK auch einen identische oder sogar geringere Länge als der Statorkern STK aufweisen kann. Wesentlich für das Formen der Spulenköpfe SK der Spulen S sind die Spulenführungen SF, welche den Werkzeugkörper WK in axialer Richtung AR auch überragen können. Vorzugsweise überragen die in axialer Richtung AR äußeren Flanken der Spulenführungen SF den Statorkern STK, wodurch verhindert werden kann, dass es bei der Formung der Spulenköpfe zu einer Verformung der zweiten Spulenseiten SS2 im Bereich der Stirnseiten des Statorkerns STK kommt, welche das anschließende Einbringen der zweiten Spulenseiten SS2 in die anderen Statornuten STN verhindern könnte. Vorzugsweise könne diese äußeren Flanken der Spulenführungen AS auch eine Rundung aufweisen, um eine mögliche Beschädigung der Isolierung der zweiten Spulenseiten SS2 bei der Drehbewegung zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

AR: Axiale Richtung
AS: Aussparung
DR: Drehrichtung
ES: Einschnitt
FI: Finne
LS: Luftspalt
OE: Öffnung
R: Rotationsachse
RR: Radiale Richtung
S: Spule
SF: Spulenführung
SFN: Spulenführungsnut
SFR: Spulenführungsring
SK: Spulenkopf
SS: Spulenseite
SS1: erste Spulenseite
SS2: zweite Spulenseite
ST: Stator
STI: Statorinnenraum
STJ: Statorjoch
STK: Statorkern
STN: Statornut
VS: Vorsprung
W: Werkzeug
WDF: (Werkzeug-) Durchführung
WK: Werkzeugkörper
WNA: äußere Werkzeugnut
WNI: innere Werkzeugnut
WT1: erstes Werkzeugteil
WT2: zweites Werkzeugteil
WW: Werkzeugwelle

Claims

Verfahren zum Formen und Einbringen von Spulen (S) in einen Stator (ST) einer elektrischen rotierenden Maschine, wobei der Stator (ST) einen Statorkern (STK) zur Aufnahme eines um eine Rotationsachse (R) drehbaren Rotors in einem zylindrischen Statorinnenraum (STI) aufweist, und wobei der Statorkern an seiner radialen Innenseite Statornuten (STN) zur Aufnahme der Spulen (S) aufweist, mit zumindest folgenden Schritten: a) Formen der Spulen (S) in eine jeweilige Grundform, wobei die Grundform eine erste Spulenseite (SS1) und eine zweite Spulenseite (SS2) aufweist, deren Enden durch einen jeweiligen Spulenkopf (SK) miteinander verbunden sind, und die erste Spulenseite (SS1) und die zweite Spulenseite (SS2) parallel in einer Ebene angeordnet sind, b) Bestücken der Statornuten (STN) mit den ersten Spulenseiten (SS1), c) Anordnen, in einer ersten rotatorischen Position, eines Werkzeugs (W) in dem Stator (ST), wobei das Werkzeug (W) einen zylindrischen Werkzeugkörper (WK) aufweist, an dessen radialen Außenseite im Bereich des Statorinnenraums erste Werkzeugteile (WT1) bewegbar angeordnet sind und im Bereich der Stirnseiten Aussparungen (AS) vorgesehen sind, in welchen Spulenführungen (SF) anordenbar sind, und wobei der Werkzeugkörper (WK) relativ zu dem Stator (ST) um die Rotationsachse (R) drehbar ist, d) Bestücken der Aussparungen (AS) mit einer jeweiligen Spulenführung (SF), wobei die Spulenführungen (SF) jeweils zwischen zwei zweiten Spulenseiten (SS2) angeordnet werden, e) Drehen des Werkzeugs (W) relativ zu dem Stator (ST) in eine zweite rotatorische Position, wobei die Spulenköpfe (SK) mittels der Spulenführungen (SF) geformt werden, und f) Einbringen, in der zweiten rotatorischen Position, der zweiten Spulenseite (SS2) in die Statornuten (STN) mittels der ersten Werkzeugteile (WT1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug (W) ferner aufweist: innere Werkzeugnuten (WNI), welche radial unterhalb der der ersten Werkzeugteile (WT1) in dem Werkzeugkörper (WK) angeordnet sind und in welchen zweite Werkzeugteile (WT2) bewegbar angeordnet sind, wobei in Schritt f) eine Bewegung der zweiten Werkzeugteile (WT2) eine Bewegung der ersten Werkzeugteile (WT1) in radialer Richtung (RR) bewirkt, wodurch die zweiten Spulenseiten (SS2) in die Statornuten (STN) eingebracht werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei in Schritt d) die Aussparungen (AS) sequenziell oder gleichzeitig mit den Spulenführungen (SF) bestückt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt f) die zweiten Spulenseiten (SS2) sequenziell oder gleichzeitig in die Statornuten (STN) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt a) die Spulen (S) jeweils aus zumindest einer Windung eines Flachdrahts in die Grundform geformt werden, wobei der Flachdraht insbesondere eine Querschnittsfläche im Bereich zwischen einschließlich 4 mm² und einschließlich 30mm² aufweist.
Werkzeug (W) zum Formen und Einbringen von Spulen (S) in einen Stator (ST) einer elektrischen rotierenden Maschine, wobei der Stator (ST) einen Statorkern (STK) aufweist, dessen zylindrischer Statorinnenraum (STI) einer Aufnahme eines um eine Rotationsachse (R) drehbaren Rotors der Maschine dient und an dessen radialen Innenseite Statornuten (STN) zur Aufnahme erster und zweiter Spulenseiten (SS1, SS2) einer Mehrzahl Spulen (S) ausgebildet sind, wobei das Werkzeug (W) zumindest aufweist: - einen zylindrischen Werkzeugkörper (WK), welcher in dem Statorinnenraum (STI) anordenbar und relativ zu dem Stator (ST) um eine Rotationsachse (R) drehbar ist, - eine Mehrzahl erster Werkzeugteile (WT1), welche an einer radialen Außenseite des Werkzeugkörpers (WK) im Bereich des Statorinnenraums (STI) angeordnet und jeweils ausgestaltet sind, eine Bewegung in radialer Richtung (RR) auszuführen, und - eine Mehrzahl Aussparungen (AS), welche an der radialen Außenseite des Werkzeugkörpers (WK) im Bereich einer jeweiligen Stirnseite angeordnet und jeweils ausgestaltet sind, eine Spulenführung (SF) aufzunehmen, wobei - die ersten Werkzeugteile (WT1) ferner jeweils ausgestaltet sind, einer zweiten Spulenseite (SS2) in einer bezüglich der Rotationsachse (R) ersten Position des Werkzeugkörpers (WK) relativ zu dem Stator (ST) radial gegenüberzuliegen, wobei eine erste Spulenseite (SS1) in einer Statornut (STN) verbleibt, - die Aussparungen (AS) ferner ausgestaltet sind, in der ersten Position des Werkzeugkörpers (WK) relativ zu dem Stator (ST) eine jeweilige Spulenführung (SF) aufzunehmen, sodass die Spulenführungen (SF) jeweils zwischen zwei in Umfangrichtung benachbart angeordnete zweite Spulenseiten (SS2) angeordnet sind, - der Werkzeugkörper (WK) ferner ausgestaltet ist, eine Drehung von der ersten Position zu einer bezüglich der Rotationsachse (R) zweiten Position relativ zu dem Stator (ST) auszuführen, um erste und zweite Spulenseiten (SS1, SS2) jeweils verbindende Spulenköpfe (SK) der Spulen (S) mittels der Spulenführungen (SF) zu formen, und - die ersten Werkzeugteile (WT1) ferner jeweils ausgestaltet sind, in der zweiten Position mittels einer Bewegung in radialer Richtung (RR) die zweite Spulenseite (SS2) in eine Statornut (STN) einzubringen.
Werkzeug (W) nach Patentanspruch 6, wobei das Werkzeug (W) ferner aufweist: - eine Mehrzahl innere Werkzeugnuten (WNI), welche radial unterhalb der ersten Werkzeugteile (WT1) in dem Werkzeugkörper (WK) angeordnet sind und in welchen zweite Werkzeugteile (WT2) bewegbar angeordnet sind, wobei die zweiten Werkzeugteile (WT2) von zumindest einer Stirnseite des Werkzeugkörpers (WK) aus bewegbar sind und die ersten (WT1) und die zweiten Werkzeugteile (WT2) ausgestaltet sind, mittels einer Bewegung der zweiten Werkzeugteile (WT2) eine Bewegung der ersten Werkzeugteile (WT1) in radialer Richtung (RR) zu bewirken.
Werkzeug (W) nach Patentanspruch 6 oder 7, wobei der Werkzeugkörper (WK) eine größere Länge als der Statorkern (STK) aufweist, sodass der Werkzeugkörper (WK) nach der Anordnung in dem Statorinnenraum (STI) einen jeweiligen Vorsprung (VS) gegenüber dessen Stirnseiten ausbildet, und die Aussparungen (AS) an der radialen Außenseite des jeweiligen Vorsprungs (VS) angeordnet sind.
Werkzeug (W) nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, wobei das Werkzeug (W) ferner aufweist: - eine an einer jeweiligen Stirnseite des Werkzeugkörpers (WK) radial unterhalb der Aussparungen (AS) angeordnete ringförmige Spulenführungsnut (SFN), wobei die Aussparungen (AS) mit der Spulenführungsnut (SFN) verbunden und von der Stirnseite des Werkzeugkörpers (WK) zugänglich sind, und - einen Spulenführungsring (SFR), welcher die Spulenführungen (SF) mechanisch miteinander verbindet und derart ausgestaltet ist, dass der Spulenführungsring (SFR) in der Spulenführungsnut (SFN) von der Stirnseite des Werkzeugkörpers (WK) aus anordenbar ist.
Verwendung eines Werkzeugs (W) nach einem der Patentansprüche 6 bis 9 zum Formen und Einbringen von Spulen (S) in einen Stator (ST) einer elektrischen rotierenden Maschine.