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Diese Erfindung betrifft eine Spulenkörperherstellvorrichtung zur Herstellung eines Spulenkörpers für einen Elektromotor mit eisenloser Luftspaltwicklung aus mehreren Einzelspulen. Weiter betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren für einen Spulenkörper eines Elektromotors mit eisenloser Luftspaltwicklung.
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Elektromotoren mit eisenloser Luftspaltwicklung zeichnen sich dadurch aus, dass die Wicklung nicht um einen Eisenkern gelegt ist, sondern als Luftspule ausgebildet ist. Ein solcher Spulenkörper kann Teil eines Stators sein, jedoch auch mit dem rotierenden Teil des Elektromotors umlaufen. Es sind Motoren bekannt, bei denen der Rotor Permanentmagnete enthält; und es sind weitere Varianten bekannt, bei denen der Stator Permanentmagnete enthält. In vielen Varianten bildet ein Stator einen Eisenrückschlusskörper für den magnetischen Rückschluss zwischen verschiedenen Einzelspulen des Spulenkörpers. Der Spulenkörper kann mit einem solchen Eisenrückschlusskörper mechanisch fest gekoppelt sein. Dann trägt der Stator auf seiner Innenseite, an der der Spulenkörper anliegt, keine Nuten, sodass von einem Motor mit nutenloser Statorwicklung gesprochen werden kann. Insbesondere sind solche Motoren Gleichstrommotoren. Ein Beispiel für einen solchen Motor findet sich in der
CH 604 411 .
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Aus der
EP 0 795 951 B1 ist bekannt, Einzelspulen, die auf einer separaten Station gefertigt werden, über Stifte zu hängen, woraufhin die Einzelspulen mittels der Stifte in Nuten eines Stators eingezogen werden. Beim Einziehen ziehen diese Stifte die Einzelspulen an messerartigen Spulenführungen vorbei, die die Einzelspulen von einander trennen. Die Spulenführungen sind als Teil einer Einzieheinrichtung vor dem Statorkern angeordnet, in den die Einzelspulen eingezogen werden. Zwar separieren die Spulenführungen die Einzelspulen, bevor diese tatsächlich in den Statorkern eingezogen werden, jedoch ist nicht auszuschließen, dass sich Windungen der Einzelspulen im Inneren des Statorkerns ungeordnet übereinander legen. Dadurch kann die Dicke des Spulenkörpers negativ beeinflusst werden und es können unerwünschte elektrische und magnetische Effekte entstehen. Um diese schädlichen Auswirkungen zu lindern, wird ins Innere des zu erzeugenden Spulenkörpers zugleich mit dem Abstreifer eine Hülse in den Statorkern eingeführt, welche verhindert, dass die Einzelspulen sich frei in Richtung des Inneren des Statorkerns bewegen können. Dennoch kann auch diese Maßnahme nicht sicher verhindern, dass sich Teile von Einzelspulen beim Einziehen in den Statorkern überlagern können. Außerdem kann die Form der Einzelspulen als Teil des Spulenkörpers in dem Statorkern ungleichmäßig werden, beispielsweise wegen Ungleichmäßigkeiten der Drähte oder wegen schon vor dem Einziehen vorhandener Verbiegungen von Windungen der Einzelspulen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, das wenigstens einen dieser Nachteile vermeidet.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass während des Einziehens aufgrund der Führungslamellen sichergestellt ist, dass sich Windungen der Einzelspulen nicht in eine andere Einzelspule bewegen können. Außerdem wird den Windungen der Einzelspulen eine sicher definierte Position und Form zugewiesen.
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Insbesondere ist dazu zusätzlich der Abstand zwischen dem Außenumfang des Abstreifers und den Innenflächen der Führungslamellen klein genug, um das Durchtreten eines Drahtes zu verhindern. Um die Führungslamellen in die Aussparung in dem Rückschlussring einführen zu können, besteht ein Spiel zwischen den radial nach außen gerichteten Außenflächen der Führungslamellen ein Spiel zu der Innenfläche der Aussparung. Das Spiel ist klein genug, um zu verhindern, dass Wicklungen von einem Führungslamellenzwischenraum in einen anderen Führungslamellenzwischenraum übertreten können. Vorzugsweise ist der Abstreifer an seinem Ende in Einziehrichtung sich verjüngend ausgebildet. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Abschnitt des Abstreifers, der in den Rückschlussring eingeführt wird, etwas kleiner als Innendurchmesser der Führungslamellen, derart, dass einzelne Windungen von Einzelspulen in einem Führungslamellenzwischenraum nicht zu einem benachbarten Führungslamellenzwischenraum überspringen können. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Teil des Abstreifers beim Einziehen in den Führungslamellenzwischenräumen entlang geführt werden. Vorzugsweise sind die Führungslamellen auf einem Führungskörper angeordnet, der vorzugsweise alle Führungslamellen zu einem Teil verbindet. Besonders bevorzugt ist der Führungskörper im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt. Dabei können die Führungslamellen an einem axialen Ende eines Zylinders auf dessen Außenumfang so befestigt sein, dass sie die Zylindermantelfläche verlängern. Der Führungskörper ist vorzugsweise mit einer Durchgangsbohrung versehen, durch die der Abstreifer hindurchtreten kann. Wenn die Führungslamellen in die Aussparung des Rückschlussrings eingefahren sind, stehen die Führungslamellen vorzugsweise über den Rückschlussring hinaus vor. Die Führungslamellen sind bevorzugt in axialer Richtung der Aussparung gesehen länger als die axiale Durchgangslänge der Aussparung. Der Bergriff „nutenlos” als Eigenschaft der Aussparung bedeutet, dass keine Nuten im Sinne eines herkömmlichen, genuteten Stators eines Elektromotors in der Aussparung angeordnet sind.
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Dass die Führungslamellen aus der Aussparung ein- und ausfahrbar sind, hat den Vorteil, dass die Führungslamellen aus der Aussparung gezogen werden können, nachdem das Einziehen beendet ist. Sodann ergibt sich ein Spulenkörper im Inneren der Aussparung mit sicher voneinander getrennten Einzelspulen. Um das Einziehen und das Ausfahren der Führungslamellen aus der Aussparung zu erleichtern, können zumindest Teile der Oberfläche der Führungslamellen antihaftbeschichtet sein oder aus Antihaftmaterial hergestellt sein. Als Schichtmaterial oder Material für die Führungslamellen eignet sich etwa Polytetrafluorethylen oder andere Fluorpolymere.
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Der Rückschlussring ist typischerweise als ferromagnetischer Rückschlussring ausgebildet, der Magnetfelder eines Stators eines Elektromotors von einer Einzelspule zu einer anderen leiten kann. Der Rückschlussring umfasst zur Leitung des Magnetfeldes bevorzugt ein weichmagnetisches geblechtes Material oder Ferritmaterial. Der Rückschlussring durchsetzt nicht die Einzelspulen. Die Einzelspulen verbleiben nach ihrer Herstellung im Inneren des Rückschlussrings. Somit bildet der Rückschlussring für jeden Stator eine jeweilige Einziehmatrize für dessen Wicklung.
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Erfindungsgemäß wird in einem ersten Aspekt eine Spulenkörperherstellvorrichtung und in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Spulenkörpers vorgeschlagen.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Die Spulenkörperherstellvorrichtung weist vorzugsweise ein Spreizwerkzeug auf. Mittels diesem kann nach dem Einziehen der Einzelspulen der Spulenkörper weiter geformt werden. Dazu wird das Spreizwerkzeug in das Innere des Spulenkörpers eingeführt und danach aufgespreizt. Die Aussparung des Rückschlussrings dient dabei als Widerlager. Vorzugsweise wird das Aufspreizen nach dem Entfernen der Führungslamellen und des Abstreifers aus der Aussparung in dem Rückschlussring durchgeführt. Auf diese Weise kann eine gewünschte radiale Dicke des Spulenkörpers erreicht werden. Vorzugsweise wird dies im Zustand mit erweichtem Harz durchgeführt. Dann sind die Einzelspulen besonders gut verformbar. Außerdem kann danach abgewartet werden, bis das Harz ausgehärtet ist, sodass ein stabiler Spulenkörper unter Wahrung der Position durch das Spreizwerkzeug entsteht. Bei einem Formen des Spulenkörpers mit dem Spreizwerkzeug wird der Spulenkörper verdichtet und verfestigt, sodass insgesamt ein stabilerer Spulenkörper hergestellt wird.
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In einer Ausführungsform weist die Spulenkörperherstellvorrichtung eine Kontaktiereinrichtung auf. Es ergibt sich der Vorteil, dass die Einzelspulen mit Kontakten versehen werden können, welche nach der Fertigstellung des Spulenkörpers als Kontakte eines herzustellenden Motors verwendet werden können. Außerdem kann über die Kontakte Heizstrom zum Aufweichen und Aushärten von Harz auf den Spulendrähten in die Einzelspulen eingeleitet werden.
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Vorzugsweise weist die Spulenkörperherstellvorrichtung eine Halteeinrichtung für den Rückschlussring auf, mit der der Rückschlussring von außen gegriffen werden kann. Die Halteeinrichtung kann einen variablen Innendurchmesser aufweisen und zum Halten und Freigeben des Rückschlussrings geöffnet und geschlossen werden. Insbesondere kann der Innendurchmesser der Aussparung verändert werden, indem der Rückschlussring von Segmenten umgeben ist, insbesondere von Ringsegmenten, welche radial gegenüber dem Rückschlussring verschieblich angeordnet sind. Der Rückschlussring wird beim Einziehen mit Einziehkräften von dem Abstreifer beaufschlagt, welche aus dem Rückschlussring, abgeleitet werden müssen, sodass dieser sich nicht mit dem Abstreifer bewegt. Die relative Einziehbewegung zwischen dem Rückschlussring und dem Abstreifer wird mittels der Halteeinrichtung ermöglicht. Insbesondere wird die Halteeinrichtung geöffnet, wenn der Fertigungsvorgang beendet ist und der fertige Spulenkörper entnommen werden soll.
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Besonders bevorzugt ist eine automatische Spulenkörperherstellvorrichtung mit wenigstens einem Arbeitstisch ausgestattet, der derart beweglich ist, dass Einzelspulen bzw. ein Spulenköper von einer Arbeitsstation zu einer nächsten übergeben werden kann. Dazu ist eine translatorische Bewegung des Arbeitstisches denkbar, bevorzugt wird jedoch eine Rotation eingesetzt. Die Einzelspulen können dabei in Zwischenräumen zwischen Führungslamellen abgelegt werden, wobei die Führungslamellen von einer Arbeitsstation zu einer anderen bewegt werden. Aus Einzelspulen hergestellte Spulenkörper können innerhalb eines Rückschlussrings angeordnet sein, welcher von einer Arbeitsstation zu einer anderen transportiert wird. Es ist denkbar, zugleich mit dem Spulenkörper auch einen darin befindlichen Abstreifer von einer Arbeitsstation zu einer anderen Arbeitsstation zu transportieren. Insbesondere wird der Abstreifer nach dem Transport aus dem Spulenkörper entnommen, sodass dieser fertiggeformt werden kann, beispielsweise durch ein Spreizwerkzeug. Bevorzugt wird der Abstreifer sodann ohne einen Spulenkörper zu der ersten der beiden Arbeitsstationen zurücktransportiert, vorzugsweise zu einer Einziehstation.
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In einer Ausführungsform kann der Abstreifer so ausgeführt sein, dass ein Ende in Einziehrichtung von diesem als Wickelkopfaufweiter dient. Beispielsweise kann der Abstreifer nach dem Einziehen durch die Endabschnitte der Einzelspulen, die den Wickelkopf in Einziehrichtung bilden, mittig hindurchstoßen, um beispielsweise Platz für eine Motorwelle zu schaffen, die nach der Demontage des Elektromotors durch den Wickelkopf verlaufen soll. Bei dem Vorgang des Durchstoßens kann zugleich der Abstreifer aus dem Inneren des Spulenkörpers entnommen werden. Um den Wickelkopf aufzuweiten, verjüngt sich vorzugsweise der Abstreifer zu seinem in Einziehrichtung liegenden Ende hin. Durch ein solches zugespitztes Ende des Abstreifers wird erreicht, dass der Innendurchmesser des Wickelkopfes vergrößert und der Wickelkopf dabei möglichst nicht beschädigt wird.
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Insbesondere sind die Drähte für die Einzelspulen harzgetränkt. Dies können vorgetränkte Drähte sein oder es kann während des Wickelns eine Tränkvorrichtung zum Einsatz kommen, mittels der ein Harz auf die Drähte aufgebracht wird. Um den Spulenkörper zu fixieren, kann Harz, das auf Spulendrähte von Einzelspulen aufgebracht ist, erwärmt werden. Die Erwärmung bewirkt bei vielen typischerweise verwendeten Harzsorten, dass diese zunächst erweichen und anschließend ein Härtungsprozess einsetzt, in dem das Harz chemisch vernetzt und aushärtet. Die Erwärmung des Harzes wird typischerweise vorgenommen, in dem ein Strom durch die Spulendrähte geleitet wird, wodurch sie sich durch ihren Innenwiderstand aufheizen. Vorzugsweise wird dazu eine Spannung von maximal 44 V verwendet. Der Strom kann durch Kontakte in die Spulendrähte eingeleitet werden, die von der Kontaktiereinrichtung der Spulenkörperherstellvorrichtung an Anschlussstellen der Spulendrähte angebracht wurden. Vorzugsweise werden die Führungslamellen aus dem Spulenkörper zurückgezogen, nachdem dieser erwärmt worden und das Harz auf den Spulendrähten erweicht ist. Dann sind die Führungslamellen besonders leicht entfernbar. Die Führungslamellen werden normalerweise in Axialrichtung der Aussparung in dem Rückschlussring zurückgezogen. Wenn das Harz auf den Spulendrähten erweicht ist, wird vorzugsweise außerdem der Abstreifer in Einziehrichtung aus dem Inneren des Spulenkörpers entfernt. Dabei weitet er den Spulenkopf auf, der in Einziehrichtung über den Rückschlussring hinaussteht. Dies ist durch die Erweichung des Harzes zu diesem Zeitpunkt besonders günstig.
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Ein Aufweitungsabschnitt des Abstreifers, der in Einziehrichtung hinter dem in den Rückschlussring eingeführten Teil liegt, kann mit einem gegen die Einziehrichtung zunehmenden Durchmesser ausgestaltet sein, insbesondere konisch. So kann bei oder nach einem Einziehvorgang ein Wickelkopf, der sich auf der Seite des Rückschlussrings bildet, von der aus eingezogen wird, mittels des Aufweitungsabschnitts aufgeweitet werden. Dies kann insbesondere dazu dienen, Platz für den Durchtritt eines Rotors durch den Wickelkopf zu schaffen. Das Aufweiten des Wickelkopfes kann durchgeführt werden, indem der der Abstreifer so weit in den Rückschlussring eingefahren wird, dass der zunehmende Durchmesser an dem Aufweitungsabschnitt den Wickelkopf ausreichend weit nach außen drängt. Insbesondere kann dies durchgeführt werden, nachdem die Führungslamellen aus dem Rückschlussring gezogen wurden.
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Um den Wickelkopf in eine gewünschte Form zu bringen, ist es denkbar, mehrere Formbacken radial auf den Wickelkopf zu fahren, dessen Außendurchmesser anzupassen und ihn in dieser Form zu halten, bis er nach dem Erwärmen des Harzes ausgehärtet ist. Danach können diese Formbacken geöffnet werden, um das Entnehmen des Spulenkörpers zu ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel kann nach dem Öffnen der Formbacken für den Wickelkopf der Abstreifer aus dem Inneren des Spulenkörpers entnommen werden. Dabei können die Windungsenden in dem Wickelkopf weiter nach außen gedrückt werden. Im selben Arbeitszyklus kann das Öffnen der Greiföffnung der Halteeinrichtung stattfinden. Der Spulenkörper kann dann entnommen werden.
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Wenn die Spulenkörperherstellvorrichtung eine Wickelvorrichtung aufweist, hat dies den Vorteil, dass damit die Spulenkörperherstellvorrichtung weitgehend oder vollständig automatisiert werden kann. Alternativ können die Einzelspulen auch außerhalb der Spulenkörperherstellvorrichtung in ihre Vorform gebracht und in die Führungslamellenzwischenräume eingelegt werden. Die Wickelvorrichtung verfügt vorzugsweise über eine Wickelschablone, auf die die Einzelspulen aufgewickelt werden können. Die Wickelschablone ist vorzugsweise verstellbar ausgeführt, um verschieden große Einzelspulen herstellen zu können.
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Die Wickelstation ist eine erweiterte Form der Einlegestation, an der zusätzlich zum Einlegen von Einzelspulen in Führungslamellenzwischenräume Einzelspulen gewickelt werden. Die Einzelspulen sind Luftkernwicklungen, d. h., dass sie nicht um einen ferromagnetischen Kern gewickelt sind. Bevorzugt werden sechs Wicklungen in die Führungslamellenzwischenräume eingelegt, welche insbesondere für einen Drei-Phasen-Motor vorgesehen sein können.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine zentralperspektivische Ansicht einer Ausführungsform Einzieheinrichtung 1 einer Spulenkörperherstellvorrichtung nach der Erfindung,
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1a eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform der Einziehvorrichtung in 1 mit eingelegten Einzelspulen,
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2 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform in 1 der Spulenkörperherstellvorrichtung in einem Zustand mit eingefahrenen Führungslamellen,
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3 die schematische Draufsicht aus 2 mit ausgefahrenen Führungslamellen und eingefahrenem Spreizwerkzeug und
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4 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer automatischen Spulenkörperherstellvorrichtung nach der Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Teils einer Spulenkörperherstellvorrichtung, nämlich einer Einziehstation 1. Die Einziehstation 1 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Flansch 2, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Scheibe ausgeführt ist. Der Flansch 2 weist einen Durchbruch 12 auf, der von einem Kranz aus Führungslamellen 3 durchtreten wird. Die Führungslamellen 3 können in 1 nach unten durch den Flansch 2 hindurch und aus diesem herausgezogen werden. Zwischen den einzelnen Führungslamellen 3 befinden sich Führungslamellenzwischenräume 6. In diese Führungslamellenzwischenräume 6 sind Windungen von Einzelspulen 5 eingelegt, wie in 1a deutlicher zu erkennen ist. Um den Kranz aus Führungslamellen 3 herum ist in einem Abstand zu dem Flansch der Rückschlussring 7 mit einer innenliegenden Aussparung angeordnet, welcher eine Spielpassung mit nach außen gerichteten Oberflächen der Führungslamellen 3 hat. Die Aussparung in dem Rückschlussring ist an den Außenumfang des Kranzes aus Führungslamellen 3 anlegbar, um einen Übertritt von Windungen von Einzelspulen zu anderen Einzelpulen zu verhindern. In die Führungslamellenzwischenräume 6 in zumindest einem Teil des Bereichs von dem Ende der Führungslamellen 3 bis zu dem Rückschlussring 7 ist eine Stabilisiereinrichtung 11 eingebracht, welche die Führungslamellen 3 stützt und ihnen einen definierten Abstand zueinander gibt. Die Stabilisiereinrichtung 11 ist in Richtung des freien Endes der Führungslamellen 3 aus den Führungslamellenzwischenräumen 6 entfernbar. Wie in 1a gut erkennbar ist, verläuft ein Teil der eingelegten Einzelspulen 5 im Inneren des Kranzes aus den Führungslamellen 3. Von der Seite des Flansches 2 aus kann in das Innere des Kranzes aus Führungslamellen 3 ein Abstreifer 4 eingefahren werden. Dieser ergreift formschlüssig die im Inneren des Kranzes aus Führungslamellen 3 befindlichen Teile der Einzelspulen 5 und zieht diese in die Führungslamellenzwischenräume 6 ein, welche durch den Rückschlussring 7 zumindest teilweise nach außen verschlossen sind. Auf diese Weise werden die Einzelspulen 5 zu einem Spulenkörper vereinigt. Beim Einfahren des Abstreifers 4 wird die Stabilisiereinrichtung 11 aus den Führungslamellenzwischenräumen 6 ausgeschoben. Der Abstreifer 4 wird so weit ins Innere der Führungslamellen 3 eingefahren, bis aus dem Rückschlussring austretende Teile der Einzelspulen 5 einen Wickelkopf bilden. Die auf dem Flansch 2 befindlichen Teile der Einzelspulen 5 sind dann so weit in die Führungslamellenzwischenräume 6 eingezogen, dass sich ein Ende des Spulenkörpers auf der Seite des Flansches als ein zweiter Wickelkopf bildet, der unterhalb des Rückschlussrings 7 angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel kann der Abstreifer 4 durch das Innere der Führungslamellen 3 komplett hindurchgeschoben werden, bis er am oberen Ende wieder austritt, oder er kann im Inneren der Führungslamellen verbleiben, wobei der Abstreifer 4 und die Führungslamellen 3 und der erzeugte Spulenkörper zu einer anderen Station der Spulenkörperherstellvorrichtung transportiert werden kann.
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Alternativ kann der Abstreifer 4 auch aus dem Kranz aus Führungslamellen 3 zurück nach unten ausgezogen werden.
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1a zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Einziehstation 1, die in 1 gezeigt ist. Der Flansch 2 ist nicht explizit dargestellt, jedoch liegen auf ihm die Einzelspulen 5 mit ihrem Teil, der sich außerhalb des Rückschlussrings 7 befindet, auf. Die Einzelspulen 5 erstrecken sich weiter von dem Flansch durch die Führungslamellenzwischenräume 6 in das Innere des Kranzes aus Führungslamellen 3. Da die Einzelspulen 5 in diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch zwei verschiedene Führungslamellenzwischenräume 6 verlaufen, ergibt sich jeweils eine Schlaufe als Teil der Einzelspulen 5, die sich im Inneren des Kranzes aus Führungslamellen 3 befindet. Der in 1a dargestellte Rückschlussring 7 wird auf den Kranz aus Führungslamellen 3 erst dann aufgebracht, wenn die Einzelspulen 5 in die Führungslamellenzwischenräume 6 eingelegt sind. Der Rückschlussring 7 kann mit einer Halteeinrichtung 8 in ihrer Position fixiert werden. Dadurch können Einziehkräfte auf den Rückschlussring 7 in die Halteeinrichtung 8 übertragen werden. Dadurch bleibt der Rückschlussring 7 an seiner Position. Das Einziehen wird durchgeführt, indem der Abstreifer 4 in 1a auf den Betrachter zu aus der Darstellungsebene heraus bewegt wird. Dieser ergreift die Schlaufen der Einzelspulen 5, die in das Innere des Kranzes aus Führungslamellen 3 ragen. Durch die Bewegung des Abstreifers 4 werden die Einzelspulen in die Führungslamellenzwischenräume 6 eingezogen und durchtreten mit fortschreitender Bewegung des Abstreifers 4 vollständig die Führungslamellenzwischenräume 6, die an ihrer Außenseite durch den Rückschlussring 7 zumindest abschnittsweise abgeschlossen sind. Der Übersichtlichkeit halber sind nicht alle Einzelspulen 5 dargestellt, sondern nur ein Teil von diesen. Sie durchsetzen jeweils einen Abschnitt der Führungslamellenzwischenräume 6.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Einziehstation aus 1, nachdem das Einziehen beendet ist. In einigen der Lamellenzwischenräume 6 sind beispielhaft die Querschnitte von geschnittenen Windungen der Einzelspulen 5 erkennbar. Diese sind ins Innere des Rückschlussrings 7 und in die Lamellenzwischenräume 6 eingezogen.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Formstation 30. Denkbar ist, in einer Variante die Einziehstation 1 und die Formstation 30 in einer Station zu vereinen. Der in 3 gezeigte Querschnitt verläuft durch den Rückschlussring 7, durch den Spulenkörper 13, der aus mehreren Einzelspulen zusammengesetzt ist, und durch ein Spreizwerkzeug 9. Der Spulenkörper 13 ist im Inneren einer Aussparung in dem Rückschlussring 7 angeordnet. Im Inneren des Spulenkörpers 13 ist das Spreizwerkzeug 9 angeordnet. Das Spreizwerkzeug 9 bringt durch Pfeile 14 angedeutete Spreizkräfte auf den Innenumfang des Spulenkörpers 13 auf. Dieser wird dadurch verdichtet und auf eine vorgegebene radiale Dicke 10 gebracht. Dabei können die Zwischenräume zwischen den Einzelspulen, in denen sich die Führungslamellen befunden haben, zusammengedrückt werden und verschwinden. Die Einzelspulen grenzen dann wenigstens näherungsweise aneinander an. Vorzugsweise wird durch die Einzelspulen vor dem Aufspreizen des Spreizwerkzeugs 9 ein Strom geleitet, um die Spulendrähte zu erwärmen. Auf den Spulendrähten aufgebrachtes Harz erweicht dadurch, sodass der Spreizvorgang leichter ausgeführt werden kann. Durch das Ineinanderfließen des aufgeweichten Harzes entsteht ein durchgehendes Konglomerat aus Harz und Windungen. Nach dem Aufspreizen des Spreizwerkzeugs 9 und dem Erreichen der gewünschten Dicke des Spulenkörpers 10 wird diese Position des Spreizwerkzeugs 9 gehalten, bis das Harz ausgehärtet ist oder durch Erkalten ausreichend Festigkeit gewonnen hat. Nachdem der Spulenkörper 13 ausreichend Festigkeit aufweist, wird das Spreizwerkzeug 9 zusammengezogen und aus dem Inneren des Spulenkörpers 13 entfernt. Optional kann der Rückschlussring 7 bei dem Vorgang von einer Halteeinrichtung 8 gehalten werden.
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4 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine automatisierte Spulenkörperherstellvorrichtung. Diese umfasst eine Wickelstation 31, eine Einziehstation 1 und eine Formstation 30. Zur Fertigung eines Spulenkörpers durchläuft ein Draht als Ausgangsmaterial zunächst die Wickelstation 31, in der der Draht zu Einzelspulen gewickelt wird. Diese Einzelspulen werden mit Hilfe einer Wickelschablone 20, die Spulenhalteelemente 19 aufweist, gewickelt. Die Spulenhalteelemente 19 lassen sich in ihrem Abstand zueinander verstellen, sodass es möglich ist, Spulen mit unterschiedlicher Größe und damit für verschiedene Motorleistungen herzustellen. Der zur Spulenwicklung benötigte Spulendraht ist neben seiner elektrischen Isolierung zusätzlich mit einem Harz getränkt, welches unter Wärmeeinwirkung zunächst erweicht und sich dann verfestigt. Die Wickelstation 31 umfasst einen zylinderförmigen Führungskörper 16, an dessen freiem Ende ein Kranz von Führungslamellen 3 mit dazwischenliegenden Führungslamellenzwischenräumen angeordnet ist. Eine fertig gewickelte Einzelspule 5 ist in zwei dieser Führungslamellenzwischenräume eingehängt dargestellt. Der Führungskörper 16 ist auf einem Drehtisch 17 angeordnet. Der Drehtisch 17 ist um eine theoretische Achse 18 drehbar gelagert. Auf demselben Radius wie der Führungskörper 16 ist auf dem Drehtisch 17 ein weiterer Führungskörper 16 angeordnet. Die Positionen der Führungskörper 16 können vertauscht werden, wenn der Drehtisch 17 um die Drehachse 18 um 180° verdreht wird. So können je ein Führungskörper 16 an der schon beschriebenen Wickelstation 31 und an einer Einziehstation 1 positioniert werden. Auf diese Weise können Einzelspulen 5, die an der Wickelstation 31 in Führungslamellenzwischenräume eingehängt werden, von der Wickelstation 31 zu der Einziehstation 1 transportiert werden.
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An der Einziehstation 1 oder noch an der Wickelstation 31 wird über den Außenumfang der Führungslamellen 3 ein Rückschlussring angeordnet. Um den Rückschlussring herum ist an der Einziehstation 1 eine Halteeinrichtung 8 angeordnet, welche mehrere Segmente umfasst, die in ihrer Mitte den Rückschlussring greifen können und die von einer Mitte des Kranzes aus Führungslamellen 3 aus gesehen radial verschieblich angeordnet sind. Auf diese Weise können der Innendurchmesser der Halteeinrichtung 8 verändert und der Rückschlussring gehalten werden. Zum Einziehen der Einzelspulen 5 in die Führungslamellenzwischenräume wird der Rückschlussring um die Führungslamellen 3 herum angeordnet, indem er mit seiner Aussparung auf die Führungslamellen 3 aufgesteckt wird, sodass die Führungslamellenzwischenräume radial nach außen verschlossen werden. Die Segmente der Halteinrichtung 8 werden bis an den Außenumfang des Rückschlussrings bewegt, um diesen zu halten.
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Auf das freie Ende der Führungslamellen 3 kann zu deren Stabilisierung eine Stabilisierungseinrichtung 11 aufgesetzt werden, mit der die Abstände der Führungslamellen 3 fixiert werden. Außerdem stützt die Stabilisierungseinrichtung 11 die Führungslamellen 3, sodass diese weniger oder nicht schwingen. Von der Seite des Drehtisches 17 aus kann in das Innere des Führungskörpers 5 ein Abstreifer 4 eingefahren werden. Dieser durchtritt auch das Innere des Kranzes aus Führungslamellen 3. Dabei nimmt der Abstreifer 4 die Teile der Einzelspulen 5 mit, die aus den Führungslamellenzwischenräumen ins Innere des Kranzes aus Führungslamellen vorstehen. Auf diese Weise werden die Einzelspulen 5 in die Führungslamellenzwischenräume eingezogen, bis sie oberhalb des Rückschlussrings austreten. Bei diesem Vorgang wird die Stabilisierungseinrichtung 11 von dem Ende der Führungslamellen 3 entfernt. Nach dem Einziehen bildet sich oberhalb des Rückschlussrings ein Wickelkopf.
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Die mehrere Segmente umfassende Halteeinrichtung 8 ist an einem zweiten Drehtisch 22 angeordnet. Der Drehtisch 22 ist um eine theoretische Achse 23 drehbar gelagert. Die Halteeinrichtung 8 an dem Drehtisch 22 kann so positioniert werden, dass sie mit dem Führungskörper 5 fluchtet, der mit dem Drehtisch 17 an der Einziehstation 1 positionierbar ist. Der Drehtisch 22 weist eine weitere, nicht dargestellte Halteeinrichtung auf, die der Halteeinrichtung 8 an der Einziehstation 1 in Bezug auf die Drehachse 23 um 180° versetzt an einer Formstation 30 gegenüberliegt. Die beiden Halteeinrichtungen sind durch Verdrehen des Drehtisches 22 austauschbar, wodurch ein Spulenkörper und ein Abstreifer 4 von der Einziehstation 1 zu der Formstation 30 transportiert werden können.
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Nach dem Einziehen der Einzelspulen 5 in die Führungslamellenzwischenräume mittels des Abstreifers 4 wird der Führungskörper 5 mit dessen Führungslamellen 3 in axialer Richtung des Spulenkörpers aus dem Spulenkörper gezogen. An den Stellen, an denen sich die Führungslamellen 3 zuvor befunden haben, ergeben sich in dem Spulenkörper Hohlräume. Mittels der in Segmente unterteilten Halteeinrichtung 8 können der neuentstandene Spulenkörper und der zugehörige Rückschlussring an dem Drehtisch 22 fixiert bleiben. Insbesondere ist der Spulenkörper zwischen dem Rückschlussring und dem Abstreifer 4 im Inneren des Spulenkörpers angeordnet. Dadurch, dass die Führungslamellen außer Eingriff mit dem Spulenkörper getreten sind, kann der Drehtisch 22 nunmehr frei gedreht werden. Durch eine Drehung um 180° wird der Spulenkörper mit dem darin befindlichen Abstreifer 4 zu der Formstation 30 transportiert. Zugleich wird eine leere Halteeinrichtung 8 von der Formstation 30 zu der Einziehstation 1 transportiert, sodass hier ein weiterer Einziehvorgang stattfinden kann. Dazu wird außerdem der Drehtisch 17 um 180° gedreht, sodass ein Führungskörper 16 mit weiteren Einzelspulen 5 von der Wickelstation 31 zu der Einziehstation 1 transportiert wird. Die Bewegungen der Drehtische 17 und 22 finden vorzugsweise zeitgleich statt.
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An der Formstation 30 werden an Anschlussstellen 15 des Spulenkörpers, die bei der Verwendung in einer elektrischen Maschine Kontaktierungsstellen bilden, mittels einer nicht dargestellten Kontaktierungseinrichtung Kontakte 24 angebracht. Mittels dieser Kontakte 24 wird ein Heizstrom in die Spulen des Wicklungskörpers eingebracht, um diese zu erwärmen. Zugleich oder danach wird der Abstreifer 4 in in Einziehrichtung aus dem Spulenkörper ausgestoßen. Der Abstreifer 4 weist an seinem Ende in Einziehrichtung eine Verjüngung auf. Beim Ausstoßen des Abstreifers 4 aus dem Spulenkörper bewirkt diese Verjüngung, dass der an dem Rückschlussring in Einziehrichtung befindliche Wickelkopf 25 derart geweitet wird, dass der Abstreifer 4 hindurchtreten kann. Dies bewirkt zugleich, dass eine Welle eines Elektromotors mit gleichem Durchmesser wie der Abstreifer 4 durch den Wickelkopf 26 treten kann. Durch die Erwärmung der Wicklungen wird das Harz auf den Windungen erweicht, sodass sich bei der Verformung des Wickelkopfes 26 das Harz benachbarter Windungen vermischt und insgesamt ein Konglomerat aus Harz und Windungen entsteht. Um den Außenumfang des Wickelkopfes 26 zu formen, sind an dem Drehtisch 22 ein Kranz von Ringsegmenten angeordnet, die radial um die Mitte des Spulenkörpers verschieblich angeordnet sind und die gemeinsam eine Wickelkopfformeinrichtung 25 bilden. Durch radiales Heranfahren an den Außenumfang des Wickelkopfes 26 kann dieser geformt werden. Dies findet vorzugsweise statt, bevor das Harz ausgehärtet oder erkaltet ist. Außerdem befindet sich während des Formens des Äußeren des Wickelkopfes 26 der Abstreifer 4 noch im Inneren des Wickelkopfes 26. Nachdem der Abstreifer 4 aus dem Inneren des Spulenkörpers entfernt ist, wird in das Innere des Spulenkörpers ein nicht dargestelltes Spreizwerkzeug eingefahren. Der Außenumfang des Rückschlussrings, in dem der Spulenkörper angeordnet ist, ist zu diesem Zeitpunkt von den Segmenten der Halteeinrichtung 8 gehalten. Das Harz um die Windungen des Spulenkörpers ist noch nicht ausgehärtet oder erkaltet, sodass der Spulenkörper gut formbar ist. In diesem Zustand wird das Spreizwerkzeug aufgespreizt und verdichtet den Spulenkörper, bis dieser eine gewünschte Wandstärke bzw. Dicke aufweist. Dabei können die Hohlräume, die durch das Entfernen der Führungslamellen entstanden sind, verkleinert oder mit Windungen gefüllt werden. Wenn die gewünschte Dicke des Wicklungskörpers erreicht ist, verbleibt das Spreizwerkzeug in dieser Position, bis der Spulenkörper abgekühlt oder ausgehärtet ist und eine ausreichende Eigenfestigkeit aufweist, um ihn mit seinem Rückschlussring beschädigungsfrei aus der Halteeinrichtung 8 entnehmen zu können. Nach dem Aushärten bzw. Erkalten wird das Spreizwerkzeug aus dem Inneren des Spulenkörpers entfernt und die Segmente der Halteeinrichtung 8 geöffnet. Sodann kann der Wicklungskörper mit seinem Rückschlussring aus der inneren Öffnung der Halteeinrichtung 8 bzw. aus dem Drehtisch 22 entnommen werden. Optional kann davor auch der untere Wickelkopf, der nicht durch das Durchziehen der Wicklung durch die Führungslamellenzwischenräume entstanden ist, sondern die außerhalb der Führungslamellenzwischenräume verbliebenen Enden der Einzelspulen darstellt, vor der Entnahme des Spulenkörpers aus der Halteeinrichtung 8 mittels geeigneten Formwerkzeugen in eine gewünschte Form gebracht werden. Dies gilt unabhängig von dieser Ausführungsform für alle denkbaren Ausführungsformen. Schließlich kann der Spulenkörper bei geöffneter Halteeinrichtung 8 und geöffneter Wickelkopfformeinrichtung 25 aus der Spulenkörperherstellvorrichtung entnommen werden.
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Die Arbeitsweise der Spulenkörperherstellvorrichtung umfasst somit das simultane Ausführen mehrerer Herstellungsschritte. Insbesondere werden gleichzeitig Einzelspulen 5 gewickelt, Einzelspulen 5 eingezogen, Kontakte 24 an Anschlussstellen 15 des Spulenkörpers befestigt und Wicklungsköpfe geformt und/oder die Wandung des Spulenkörpers auf eine vorgegebene Dicke komprimiert. Zwischen diesen Arbeitszyklen findet ein Transportzyklus statt, in dem beide Drehtische 17 und 22 um 180° verdreht werden, um die Zwischenprodukte der jeweils vorangehenden Station zu der nächsten Station zu transportieren. Vor dem Rücktransport der Halteeinrichtung 8 von der Formstation 30 zu der Einziehstation 1 wird der Spulenkörper mit seinem Rückschlussring an der Formstation 30 aus der Halteeinrichtung 8 entnommen. Das Einhängen der Einzelspulen 5 in die Führungslamellenzwischenräume kann manuell oder bevorzugt automatisiert ausgeführt werden.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 4 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einziehstation
- 2
- Flansch
- 3
- Führungslamellen
- 4
- Abstreifer
- 5
- Einzelspulen
- 6
- Führungslamellenzwischenräume
- 7
- Rückschlussring
- 8
- Halteeinrichtung
- 9
- Spreizwerkzeug
- 10
- Radiale Dicke des Spulenkörpers
- 11
- Stabilisierungseinrichtung
- 12
- Durchbruch
- 13
- Spulenkörper
- 14
- Spreizkräfte
- 15
- Anschlussstellen
- 16
- Führungskörper
- 17
- Drehtisch
- 18
- Drehachse des Drehtischs 17
- 19
- Spulenhalteelemente
- 20
- Wickelschablone
- 21
- Aussparung
- 22
- Drehtisch
- 23
- Drehachse des Drehtischs 22
- 24
- Kontakte
- 25
- Wickelkopfformeinrichtung
- 26
- Wickelkopf
- 30
- Formstation
- 31
- Einziehstation
