DE202017007013U1

DE202017007013U1 - Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine

Info

Publication number: DE202017007013U1
Application number: DE202017007013.8U
Authority: DE
Original assignee: Coppering GmbH
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-10
Filing date: 2017-06-10
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2027-06-11

Abstract

Erwärmungsvorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d) zum induktiven Erwärmen und Warmhalten eines Stators (2) oder Ankers (3) einer Elektromaschine, insbesondere vor und während einer Träufelimprägnierung desselben, aufweisend wenigstens einen elektromagnetischen Induktor (8; 18, 21, 24; 70, 80), welcher koaxial oder achsparallel in Bezug zur Längsachse (5, 6) des Stators (2) oder Ankers (3) angeordnet ist und mittels dem dieser induktiv erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (8) oder die mehreren Induktoren (18, 21, 24; 70, 80) zur Erzeugung von wenigstens zwei elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine, insbesondere vor und während einer Träufelimprägnierung desselben. Außerdem betrifft die Erfindung eine hierfür ausgebildete Imprägniervorrichtung.
Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter dem Begriff „elektrische Maschine“ oder „Elektromaschine“ nur Elektromotoren und elektrische Generatoren verstanden, welche elektrische Energie in mechanische Energie oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Wicklung einer solchen Elektromaschine kann als Spulenwicklung oder als sogenannte Stabwicklung ausgebildet sein. Wenngleich in der Automotive-Industrie Elektromaschinen mit Stabwicklungen derzeit als zukunftsweisend angesehen werden, soll die Erfindung sowohl hinsichtlich eines Verfahrens als auch hinsichtlich einer Vorrichtung für Elektromaschinen aller Wicklungstypen nutzbar sein. Sofern nachfolgend die Begriffe „Wicktungskopf“ und „Wicklung“ genutzt werden, ist daher hierdurch keine Festlegung hinsichtlich Spulenwicklung oder Stabwicklung getroffen.
In der DD 47 392 B1 wurde bereits vorgeschlagen, für die Herstellung der Wicklung von leistungsstarken elektrischen Maschinen Stabwicklungen zu nutzen. Diese Stabwicklungen bestehen aus einer Vielzahl von massiven Stäben aus einem elektrisch gut leitenden Material. Die Stäbe werden nach deren Einsetzen in die Nuten von Anker- oder Statorblechpakete derart miteinander verbunden, dass sie je nach Ausführung wenigstens einen Wicklungsstrang bilden. Gemäß einer aus der GB 200,469 B bekannten Ausführungsform können die für den Aufbau einer Stabwicklung genutzten Stäbe eine weitgehend U-förmige Geometrie aufweisen, bei denen zwei zueinander parallele Schenkel mittels eines Verbindungsschenkels einstückig miteinander verbunden sind. Dabei ist die Querschnittsgeometrie der Schenkel rechteckig. Derartige Stäbe sind auch als sogenannte hairpins bekannt. Damit die beiden zueinander parallelen Schenkel der U-förmigen Stäbe in einem Anker- oder Statorblechpaket in radial versetzte Nuten eingesetzt werden können, weisen die aus der GB 200,469 B bekannten U-förmigen Stäbe im Bereich derer Verbindungsschenkel einen Versatzbereich aus, in dem der U-förmige Stab in sich verwunden ist.
Außerdem ist es bekannt, dass bei der Herstellung einer Elektromaschine, sei es nun ein Elektromotor oder ein Generator, eine Verfestigung der Wicklungen des Stators und Ankers vorgenommen werden muss. Dies geschieht heute neben dem sogenannten Tauchrollieren mittels eines Träufelverfahrens und einer diesbezüglichen Imprägniervorrichtung. Der Stator oder der Anker wird dazu aufgeheizt und hinsichtlich seiner Längsachse in der Imprägniervorrichtung eingespannt sowie um diese Längsachse gedreht. Der Stator oder Anker kann dabei geneigt oder horizontal ausgerichtet sein. Anschließend wird vorzugsweise auf das höher angeordnete axiale Ende des Stators oder Ankers, etwa auf dessen Wicklungskopf, ein bei Raumtemperatur zunächst flüssiges Kunstharz aufgeträufelt. Das Kunstharz kann aus einer oder mehreren Komponenten bestehen, beispielsweise aus einem Basis-Kunstharz und einem Härter.
Der Volumenstrom, mit dem das noch flüssige Kunstharz auf den Stator oder Anker aufgebracht wird, ist abgestimmt auf die jeweilige Aufnahmefähigkeit desselben. Nach dem Aufträufeln gelangt das Kunstharz in die Zwischenräume zwischen den Wicklungsdrähten sowie in die Zwischenräume zwischen den Wicklungsdrähten und den Blechen des Blechpakets und füllt diese Zwischenräume vollständig aus. Die einzelnen Bleche des Blechpakts sind dabei beispielsweise mit einem Backlack oder durch Verschweißen dauerhaft miteinander verbunden. Bei einem anschließenden Erwärmen des Stators oder Ankers geliert das Kunstharz zunächst und verliert dadurch seine Tropfneigung, so dass der Stator oder Anker dann üblicherweise horizontal gestellt werden wird, um ein Absacken des Harzes zum ansonsten tiefer gelegenen Teil des Stators oder Ankers zu verhindern. Hierdurch wird letztlich eine homogene Verteilung der in den Stator oder Anker eingebrachte Kunstharzmenge gewährleistet. Bei einem weiteren Aufheizen auf eine Aushärtetemperatur des Kunstharzes verfestigt sich dieses und wird zu einem Duroplast, welcher nach diesem Aushärten durch eine neuerliche Erwärmung nicht mehr verformbar ist. Hierdurch sind die mit dem Kunstharz in Kontakt gekommenen Bauteile des Stators oder Ankers fest miteinander verbunden. Das Duroplast erfüllt alle mechanischen und elektrisch isolierenden Anforderungen, die an eine stillstehende oder rotierende Elektromaschine gestellt werden.
Um ein optimales Eindringen des zunächst flüssigen Kunstharzes in den Stator oder Anker zu gewährleisten, wird zumindest der Stator oder Anker vor dem Beginn des Träufelvorgangs auf eine sogenannte Träufeltemperatur erhitzt sowie während des Träufelvorgangs auf dieser Temperatur gehalten. Die Träufeltemperatur kann abhängig von dem verwendeten Kunstharz beispielsweise zwischen 90°C und 120°C betragen. Nachdem eine vorbestimmte Menge des zunächst noch flüssigen Kunstharzes in den Stator oder Anker eingebracht wurde, wird dieser bis auf eine Aushärtetemperatur erhitzt, welche ebenfalls kunstharzabhängig beispielsweise zwischen 150°C und 170°C beträgt. Diese Aushärtetemperatur wird dann über einen vorbestimmten Zeitraum eingehalten, um so nach einem anfänglichen Gelieren des Kunstharzes ein vollständiges Aushärten desselben zu ermöglichen. Abschließend wird der Stator oder Anker auf Raumtemperatur abgekühlt und für weitere Herstellvorgänge zur Erzeugung der Elektromaschine bereitgestellt.
Die Erwärmung des Stators oder Ankers auf die Träufeltemperatur und die Aushärtetemperatur kann in einem dafür geeigneten Ofen erfolgen. Aus der DE 1 212 204 A und der DE 19 19 642 A ist es aber bereits bekannt, die Erwärmung des Stators oder Ankers mittels eines elektrischen Heizstromes zu erreichen, der durch die Wicklungen des Stators oder Ankers geleitet wird. Da ein einfaches Hindurchleiten eines Heizstromes durch die Wicklungen zu große Abweichungen der erreichbaren Ist-Temperaturen von den angestrebten Soll-Temperaturen entstehen lässt, wurde vorgeschlagen, das Erreichen und Aufrechterhalten der gewünschten Temperaturen durch eine Regelung des Heizstromes zu gewährleisten. Hierbei wurde die Erkenntnis genutzt, dass in einer Wicklung der Ohm'sche Widerstand mit ansteigender Temperatur zunimmt, so dass über den Ohm'schen Widerstand auf die Temperatur der Wicklung geschlossen werden kann. In der DE 1 212 204 A wurde daher vorgeschlagen, dass dann, wenn der für das Vorliegen der Träufeltemperatur oder Aushärtetemperatur erforderliche elektrische Widerstandswert der Wicklung erreicht ist, der durch die Wicklung des Stators oder Ankers geleitete Heizstrom abgeschaltet wird. Der Heizstrom wird erst dann wieder eingeschaltet, wenn ein vorbestimmt geringerer Widerstandswert der Wicklung gemessen wird, welches gleichbedeutend mit dem Unterschreiten einer unteren Grenztemperatur ist.
Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren und den dazu benutzten Vorrichtungen zum Imprägnieren eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine ist jedoch, dass die Temperaturregelung mittels eines durch die Wicklung geleiteten Heizstromes erfolgt, der technisch aufwendig in den sich drehenden Stator oder Anker einzuspeisen ist. Außerdem weisen die in den beiden Druckschriften vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen den Mangel auf, dass die Regelung des Heizstromes allein auf die Temperatur der von dem Heizstrom durchflossenen Wicklung abgestellt ist. Dies ist zumindest in denjenigen Zeiträumen unvorteilhaft, in denen die die Wicklungen umgebenden anderen Bauteile noch nicht die Temperatur der Wicklungen angenommen haben. Da das Kunstharz aber nicht nur zwischen benachbarte Drähte beziehungsweise Drahtabschnitte der Wicklungen sondern auch mit anderen Bauteilen des Stators beziehungsweise Ankers in Kontakt gelangt, ergibt sich für das dort vorhandene Kunstharz eine nicht genau bekannte Temperatur. Daher ist zumindest die Aufheizphase bis zum Erreichen der Träufeltemperatur aufgrund von Erfahrungswerten so zu verlängern, bis davon ausgegangen werden kann, dass die durch die elektrische Widerstandsmessung ermittelte Wicklungstemperatur auch bei allen anderen Bauteilen des Stators oder Ankers vorliegt. Erst dann kann mit dem Einträufeln des Kunstharzes in den Stator oder Anker mit der gewünschten Prozesssicherheit begonnen werden. Da diese Unsicherheit hinsichtlich der Temperaturen der Bauteile des Stators oder Ankers und des Kunstharzes auch zu Beginn des Aushärtevorgangs vorliegt, muss dieser ebenfalls nachteilig um einen Sicherheitszeitraum verlängert werden. Letztlich wird es als ungünstig beurteilt, dass die Erwärmung des Kunstharzes nur mittelbar durch den Wärmetransport zwischen den Wicklungsdrähten und demselben stattfindet. Auch dies führt dazu, dass das Erreichen der Träufeltemperatur und der Aushärtetemperatur vergleichsweise lange dauert.
Die geschilderten Zeiträume für die Imprägnierung eines Stators oder Ankers bedeuten im Ergebnis eine kostenintensive Verlängerung der Fertigungsdauer sowie eine Vergrößerung der Energiekosten zum Aufheizen sowie Konstanthalten der Träufel- und Aushärtungstemperatur.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum schnelleren Erwärmen sowie besseren Warmhaltens eines Stators oder Ankers vorzustellen, mit denen letztlich das Imprägnieren eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine mit einem unter Wärmeeinwirkung aushärtenden Kunstharz schneller, energiesparender und kostengünstiger als bisher erfolgen kann. Außerdem soll eine Imprägniervorrichtung vorgestellt werden, in der die genannte Vorrichtung integriert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit einer induktiv arbeitenden Erwärmungsvorrichtung erreicht, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Außerdem wird mit einem weiteren unabhängigen Vorrichtungsanspruch eine Imprägniervorrichtung beansprucht, in welcher eine erfindungsgemäß ausgebildete Erwärmungsvorrichtung integriert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüchen definiert.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass ein Stator oder Anker einer Elektromaschine aus unterschiedlichen Bauteilen besteht, welche unterschiedlich elektrisch leitfähig sind und sich daher unterschiedlich gut induktiv erwärmen lassen. Zu nennen sind hierbei insbesondere das aus einem Eisenwerkstoff bestehende Blechpaket, die beispielsweise aus Kupfer bestehenden Wicklungen, der zwischen den Wicklungsdrähten und dem Blechpaket anzuordnende Isolator, sowie das im Träufelverfahren in den Stator oder Anker einzubringende Kunstharz. Hinzu kommt, dass die Wicklungsdrähte im Bereich der axial endseitigen Wicklungsköpfe des Ankers oder Stators radial außen teilweise freiliegend angeordnet sind, während die Wicklungsdrähte im Bereich der Blechpakete zwischen diesen und weitgehend radial innen angeordnet sind.
Daraus war ersichtlich, dass bei einer induktiven Erwärmung eines Stators oder Ankers einige seiner Bauteile schneller erwärmt werden als andere, so dass zusätzlich zu der induktiven Erwärmung auch die Wärmeleitung und Wärmestrahlung zwischen benachbarten sowie unterschiedlich erwärmten Bauteilen oder Materialien des Stators oder Ankers genutzt werden muss, um diesen insgesamt auf eine gewünschte Temperatur zu bringen sowie auf dieser zu halten. Leider erfolgt die Wärmeübertagung zwischen zwei unmittelbar benachbarten Werkstoffen vergleichsweise langsam, wodurch das an sich bekannte Träufelverfahren zum Einbringen und Aushärten eines Kunstharzes in den Stator oder Anker insbesondere hinsichtlich der erwähnten mehrfachen Temperaturerhöhung verbesserungswürdig erschien.
Der Erfindung lag außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass die Eindringtiefe eines elektromagnetischen Feldes in ein Bauteil auch von dessen Frequenz abhängig ist. Ein solches elektromagnetisches Feld muss dabei hinsichtlich seiner Ausrichtung eine wechselnde Veränderung erfahren, um einen induktiven Effekt in einem unbewegten Stator oder Anker zu erzeugen. Prinzipiell erhöht sich die Eindringtiefe eines solchen Feldes mit sinkender Frequenz. Demzufolge kann mit einem tieffrequenten oder mittelfrequenten elektromagnetischen Feld tiefer in ein Bauteil eingedrungen und dort eine induktive Erwärmung erzeugt werden als mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld. Als ein tieffrequentes elektromagnetisches Feld wird ein solches definiert, das mit einer Frequenz von weniger als 8 kHz schwingt. Ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld schwingt gemäß dieser Definition mit 8 bis 60 kHz und ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld schwingt mit 61 bis 500 kHz. Schließlich lag der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass sich die aus Kupferdraht erzeugten Wicklungsköpfe eines Stators oder Ankers sehr gut mit einem hochfrequenten Feld induktiv erwärmen lassen, während die eisenhaltigen Bleche des Blechpakets eines Stators oder Ankers sich besonders gut mit einem mittelfrequenten Feld induktiv erwärmen lassen.
Die geschilderten Erkenntnisse führten zu der nachfolgend kurz beschrieben Erfindung. Daran anschließend werden verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben.
Die Erfindung ist demnach bei einem Verfahren zum induktiven Erwärmen und Warmhalten eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine nutzbar, insbesondere vor und während einer Träufelimprägnierung desselben, wobei das induktive Erwärmen mittels elektromagnetischer Felder unterschiedlicher Frequenz erfolgt.
Durch die Nutzung von elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ist es möglich, mit diesen radial unterschiedlich tief in den Stator oder Anker einzudringen und dessen Bauteile dort induktiv zu erwärmen. Außerdem werden durch die mit unterschiedlicher Frequenz schwingenden Felder die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Bauteile des Stators oder Ankers mit unterschiedlicher Intensität induktiv erwärmt, so dass zielgerichtet eine insgesamt schneller Temperaturerhöhung, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung trotz der verschiedenen Werkstoffe und einfachere Temperaturkonstanthaltung des Stators oder Ankers erreichbar ist.
Hierzu kann vorgesehen sein, dass die elektromagnetischen Felder unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig oder zeitlich nacheinander auf den Stator oder Anker einwirken. Es kann auch alternativ oder additiv dazu vorgesehen sein, dass die Felder unterschiedlicher Schwingungsfrequenz auf unterschiedliche axiale Bereiche des Stators oder Ankers einwirken.
Es wird außerdem als vorteilhaft beurteilt, wenn die genutzten elektromagnetischen Felder in einem Mittelfrequenzbereich zwischen 8 kHz und 60 kHz und im Hochfrequenzbereich zwischen 61 kHz und 500 kHz schwingen (einschließlich der Bereichsgrenzen), wobei die Frequenz des jeweiligen Feldes auf die radiale und induktiv erwärmend wirksame Eindringtiefe desselben im Stator oder Anker abgestimmt ist. Bei Statoren oder Anker mit einem vergleichsweise großen Durchmesser, von beispielsweise mehr als 0,5 Meter, können auch elektromagnetische Felder mit einer Frequenz von weniger als 8 kHz vorteilhaft zur Anwendung kommen.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass auf den Stator oder Anker wenigstens ein erstes elektromagnetisches Feld einwirkt, welches hauptsächlich zur induktiven Erwärmung seiner eisenhaltigen Bauteile führt, und dass auf den Stator oder Anker wenigstens ein zweites elektromagnetisches Feld mit einer hauptsächlich zur induktiven Erwärmung seiner kupferhaltigen Bauteile abgestimmten Frequenz einwirkt.
Noch konkreter wird vorzusehen sein, dass ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld auf einen axial mittleren Abschnitt des Stators oder Ankers einwirkt, in dem ein Blechpaket desselben als eisenhaltiges Bauteil angeordnet ist, und dass auf die beiden axialen Enden des Stators oder Ankers, dort wo Wicklungsköpfe desselben als kupferhaltiges Bauteil angeordnet sind, jeweils ein hochfrequentes Wechselfeld auf den Stator oder Anker einwirkt.
Um insbesondere bei axial langen Statoren oder Ankern eine gleichmäßige Erwärmung und Konstanthaltung deren erhöhter Temperatur erzielen zu können, kann vorgesehen sein, dass die elektromagnetischen Felder unterschiedlicher Frequenz koaxial oder parallel zur Längsachse des Stators oder Ankers hin und her bewegt werden. Dies geschieht durch eine vorzugsweise koaxiale Translation eines Induktors über die Länge des zu erwärmenden Bereichs des Stators oder Ankers. Bei einer nicht koaxialen Anordnung der elektromagnetischen Felder in Bezug zur Längsachse des Stators oder Ankers ist dieser zu dessen gleichmäßigen Erwärmung eben um diese Längsachse zu drehen.
Ein solcher Induktor besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen oder wendelförmigen Spulenkörper, dessen Wendelenden in zwei Radialstege übergehen. Diese beiden Radialstege sind mit einem Koppelstück verbunden, welches die Radialstege elektrisch gegeneinander insoliert und trägt. Das Koppelstück ist direkt oder über einen Koaxialtransformator mit dem Stellglied eines Axialaktuators verbunden, mittels dessen Hilfe der Induktor linear in Bezug zur Längsachse des Stators oder Ankers hin und her bewegbar ist. Die Radialstege und der ringförmige oder wendelförmige Spulenkörper bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Rohr, beispielsweise aus Kupfer, durch das eine Kühlflüssigkeit hindurch leitbar ist.
Die Translationsbewegung des Induktors kann zwischen den Bewegungsumkehrpunkten gleichförmig oder beschleunigt erfolgen. Es kann auch ein zuvor als optimal ermitteltes Bewegungsmuster genutzt werden, welches entlang einer Translationsstrecke Abschnitte mit geringerer oder höherer Geschwindigkeit für den Induktor vorgibt.
In bestimmten Anwendungsfällen kann von einer zur Längsachse des Stators oder Ankers koaxiale Translation des Induktors abgewichen werden, so dass im Ergebnis eine exzentrische Translationsbewegung zur genannten Längsachse durchgeführt wird. Hierdurch kann bei bestimmten Bauformen von Stator, Anker und/oder Induktor die induktive Erwärmung weiter optimiert werden. Dies setzt allerdings voraus, dass der Innendurchmesser des Induktors so groß ist, dass dessen ringförmige Induktionsspule nicht koaxial sondern achsparallel über dem Stator oder Anker hin- und her bewegt werden kann. Bei einer Anordnung des Induktors radial innerhalb eines Stators muss dementsprechend der Außendurchmesser des Induktors so klein sein, dass sich dieser ebenfalls nicht koaxial sondern achsparallel innerhalb des Stators sowie zu dessen Längsachse bewegen lässt.
Aus dem gleichen Grund sowie zur optimalen Verteilung des während des Träufelverfahrens in den Stator oder Anker einzufüllenden Kunstharzes kann vorgesehen sein, dass der Stator oder Anker während des Einwirkens der elektromagnetischen Felder unterschiedlicher Frequenz auf diesen um dessen Längsachse gedreht wird.
Hinsichtlich der Erzeugung der freqenzunterschiedlichen Felder kann gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass diese elektromagnetischen Felder unterschiedlicher Frequenz von einem einzigen Frequenzgenerator sowie einem einzigen Induktor zeitlich nacheinander erzeugt werden und auf den Stator oder Anker, diesen induktiv erwärmend, einwirken. Soweit dies technisch möglich ist, können mit dem einzigen Frequenzgenerator sowie mittels des einzigen Induktors gleichzeitig mehrere elektromagnetische Felder unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden, welche dann auf den Stator oder Anker einwirken.
Eine zweite Ausführungsform sieht im Unterschied dazu vor, dass mit mehreren Frequenzgeneratoren und mit nur einem Induktor elektromagnetische Felder mit jeweils unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden, und dass diese unterschiedlich frequenten Felder auf den Stator oder Anker diesen induktiv erwärmend einwirken.
Um eine negative gegenseitige Beeinflussung der benachbarten, unterschiedlich frequenten Felder zu reduzieren und um die Effektivität der induktiven Erwärmung des Stators oder Ankers zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass die unterschiedlich frequenten elektromagnetischen Felder zumindest hinsichtlich derer axialer Ausdehnung konzentriert werden.
Hierbei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das mittelfrequente elektromagnetische Feld auf denjenigen Bereich des Stators oder Ankers konzentriert wird, in dem dessen eisenhaltiges Blechpaket angeordnet ist, und dass zwei hochfrequente elektromagnetische Felder auf die beiden axialen Enden des Stators oder Ankers konzentriert werden, wo dieser seine kupferhaltigen Wicklungsköpfe aufweist.
Bevorzugt wird dabei das mittelfrequente elektromagnetische Feld nach radial innen konzentriert, und die beiden hochfrequenten elektromagnetischen Felder werden nach radial innen und axial außen konzentriert.
Eine gewisse Abschirmung einerseits sowie eine gewisse Verstärkung der Wirkung von axial benachbarten elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz kann auch mittels destruktiver oder konstruktiver Interferenz im Interferenzbereich derselben erzeugt werden.
Um eine gegenseitige Beeinflussung der benachbarten, unterschiedlich frequenten elektromagnetischen Felder sehr weitgehend auszuschließen, kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das mittelfrequente elektromagnetische Feld gegen die beiden hochfrequenten elektromagnetischen Felder abgeschirmt wird, beispielsweise mittels gesonderter Abschirmelemente zwischen diesen. Diese Abschirmelemente werden vorzugsweise mit einem Kühlfluid aktiv gekühlt.
Weiter kann verfahrensgemäß vorgesehen sein, dass bei einem Stator elektromagnetische Felder gleicher oder unterschiedlicher Frequenz von radial innen und/oder von radial außen auf diesen einwirken, um dessen Bauteile induktiv zu erwärmen. Das radial von außen wirkende elektromagnetische Feld würde dabei von einem den Stator koaxial oder achsparallel sowie ringförmig umgebenden ersten Induktor erzeugt werden, während ein zumindest zweites elektromagnetisches Feld von wenigstens einem zweiten Induktor erzeugt wird. Durch diesen zweiten Induktor kann beispielsweise eine Halterung axial hindurchgeführt sein ist, welche den Stator um dessen Längsachse drehbar festhält.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wurde gelöst durch eine Erwärmungsvorrichtung zum induktiven Erwärmen und Warmhalten eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine, insbesondere vor und während einer Träufelimprägnierung desselben, welche wenigstens einen elektromagnetischen Induktor aufweist, der koaxial oder achsparallel in Bezug zur Längsachse des Stators oder Ankers angeordnet ist und mittels dem dieser induktiv erwärmbar ist, wobei der wenigstens eine Induktor oder die mehreren Induktoren zur Erzeugung von wenigstens zwei elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind.
Mittels dieser Erwärmungsvorrichtung sind demnach wenigstens zwei elektromagnetische Felder mit unterschiedlicher Frequenz erzeugbar, wobei deren jeweilige Frequenz so einstellbar ist, dass mit diesen unterschiedliche Werkstoffe sowie unterschiedliche radiale Tiefen des Stators oder Anker hinsichtlich deren induktiven Erwärmung optimal erreichbar sind. Dadurch erfolgt die vollständige Erwärmung aller Bestandteile des Stators oder Ankers schneller und gleichmäßiger als bisher, so dass sich die Prozessdauer zur Träufelimprägnierung derselben stark reduzieren lässt. Hierdurch werden im Ergebnis auch die Herstellkosten verringert.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung dieser Erwärmungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass der einzige Induktor koaxial oder achsparallel und radial innerhalb des Stators oder koaxial beziehungsweise achsparallel und radial außerhalb des Ankers angeordnet ist, dass dieser einzige Induktor über die gesamte axiale Länge des Stators oder Ankers hin und her beweglich angeordnet ist, und dass mit diesem einzigen Induktor im Bereich der beiden axialen Enden des Stators oder Ankers jeweils ein elektromagnetisches Feld erzeugbar ist, welche sich hinsichtlich der Schwingungsfrequenz von einem zwischen diesen beiden Enden wirksamen elektromagnetischen Feldes unterscheiden.
Hierdurch wird berücksichtigt, dass der Stator oder Anker axial endseitig zwei Wicklungsköpfe aus kupferhaltigen Wicklungsdrähten sowie in einem axial dazwischen angeordneten Bereich ein Blechpaket und Wicklungsdrähte aufweist. Diese Bereiche des Stators oder Ankers lassen sich aufgrund der dort angeordneten Werkstoffe sowie aufgrund deren Einbautiefe mit nur einem elektromagnetischen Feld nicht optimal induktiv erwärmen. Die Nutzung von zwei oder mehr elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ist hierzu besser geeignet, weil diese jeweils optimal auf diejenigen Bestandteile des Stators oder Ankers sowie deren radiale Einbautiefe abgestimmt werden können.
Vor diesem Hintergrund sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der genannten Erwärmungsvorrichtung vor, dass mittels des einzigen Induktors im Bereich der axialen Enden des Stators oder Ankers ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld und in dem dazwischen liegenden mittleren Bereich ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugbar ist.
Hierzu kann gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der einzige Induktor von einem einzigen Frequenzgenerator wechselweise oder gleichzeitig mit einer mittelfrequenten oder einer hochfrequenten elektrischen Spannung versorgbar ist.
Alternativ dazu kann gemäß einer zweiten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der einzige Induktor wechselweise oder gleichzeitig von einem Mittelfrequenzgenerator mit einer mittelfrequenten elektrischen Spannung oder von einem Hochfrequenzgenerator mit einer hochfrequenten elektrischen Spannung versorgbar ist.
Eine bevorzugte dritte Ausführungsform der Erwärmungsvorrichtung sieht jedoch vor, dass diese drei axial beweglich angeordnete Induktoren aufweist, welche axiale Abschnitte des Stators oder Ankers koaxial oder achsparallel umgeben, dass ein mittlerer Induktor über einem mittleren Axialabschnitt des Stators oder Ankers angeordnet ist, in welchem ein eisenhaltiges Blechpaket des Stators oder Ankers angeordnet ist, dass zwei axial endseitige Induktoren im Bereich der beiden axialen Enden des Stators oder Ankers angeordnet sind, in welchen kupferhaltige Wicklungsköpfe des Stators oder Ankers angeordnet sind, dass mit dem mittleren Induktor ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugbar ist, und dass mit den beiden axial endseitigen Induktoren jeweils ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugbar ist. Vorzugsweise werden die drei Induktoren von jeweils einem gesonderten Frequenzgenerator mit elektrischer Spannung versorgt.
Unabhängig von der Anzahl der angeordneten Induktoren ist bevorzugt vorgesehen, dass der jeweilige Induktor einen ringförmigen oder wendelförmigen Spulenkörper sowie einen zweiteiligen Radialsteg aufweist, dass die jeweiligen Radialstege spulenkörperfern jeweils mit einem Koppelstück verbunden sind, und dass diese Koppelstücke jeweils zumindest mittelbar mit einem zugeordneten Axialaktuator verbunden sind, mittels dem der Induktor samt den Radialstegen koaxial oder parallel zur Längsachse des Stators oder Ankers hin und her bewegbar ist.
Wie schon angedeutet wurde, kann in bestimmten Fällen von einer koaxialen Anordnung von Induktor und Stator oder Anker abgesehen werden sowie eine achsparallele Anordnung derselben vorgesehen sein. Hierdurch kann der Wirkungsabstand zwischen dem Induktor und dem Stator beziehungsweise Anker weiter optimiert sein. Es ist dazu aber notwendig, dass bei einer Anordnung des Induktors radial außen über dem Stator oder Anker der Innendurchmesser des ringförmigen Spulenkörpers groß genug ist, um eine exzentrische, achsparallele Anordnung desselben zuzulassen. Bei einer Anordnung des Induktors radial innerhalb des Stators muss dementsprechend der Außendurchmesser des Spulenkörpers des Induktors so klein sein, dass eine nicht koaxiale sondern achsparallele Anordnung derselben zueinander möglich ist.
Maßgeblich ist in diesem Zusammenhang die Größer und die Geometrie des radialen Spaltes zwischen dem Spulenkörper des Induktors und dem Stator oder Anker. Optimalerweise ist der Durchmesser des Spulenkörpers des Induktors genau an den Innendurchmesser oder Außendurchmesser des Stators beziehungsweise Ankers angepasst. Dieses Optimum ist aber unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht immer einhaltbar, denn idealerweise müsste für jeden Typ von Stator oder Anker, beziehungsweise zu deren Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser, ein dazu genau passender, individueller Induktor bereitgestellt werden. Auch um diesen Mehraufwand zu vermeiden, kann die vorgeschlagene, etwas versetzt zu der koaxialen Lage vorzusehende Anordnung des Stators oder Ankers in Bezug zu dem Spulenkörper des jeweiligen Induktors vorgesehen sein. Durch die Rotation des Stators oder Ankers während des Betriebes des Induktors werden die Auswirkungen eines durch die außermittige Anordnung des Stators oder Ankers entstehenden, teilweise etwas zu großen radialer Spaltes kompensiert.
An dem Koppelstück der Induktoren ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform jeweils ein Koaxialtransformator befestigt, zu dem eine mittelfrequente oder hochfrequente elektrische Spannung des zugeordneten Frequenzgenerators geleitet, dort transformiert und zu dem Spulenkörper des jeweiligen Induktors geführt wird. Die elektrischen Leitungen zwischen den jeweiligen Frequenzgeneratoren und den zugeordneten Induktoren sind vorzugsweise in Schlauchleitungen geführt, welche von einem Kühlmittel durchflossen werden.
Die räumlich vergleichsweise eng zueinander angeordneten Induktoren lassen im Betrieb durch gegenseitige Beeinflussung einen nachteiligen Transformator-Effekt entstehen. Dabei koppeln die hochfrequenten elektromagnetischen Felder in das mittelfrequente elektromagnetische Feld ein, so dass die dort induzierte Spannung zu einer Beschädigung von elektronischen Bauelementen (beispielsweise Transistoren) führen kann. Um dieser Gefährdung im Funktionsbereich des Mittelfrequenzinduktors beziehungsweise an dem zugeordneten Mittelfrequenzgenerator vorzubeugen kann ein Entstörungsmittel vorgesehen sein, welches beispielsweise eine zur Störinduktion komplementäre Entstörinduktion erzeugen kann, so dass sich beide gegenseitig kompensieren. Da hauptsächlich der Mittelfrequenzinduktor durch Störinduktion von den beiden hochfrequenten elektromagnetischen Feldern betroffen ist, reicht es aus, wenn das Entstörungsmittel in den elektrischen Leitungen eingebunden ist, welche im Bereich des Mittelfrequenzinduktors von dem Koaxialtransformator zu dem Mittelfrequenzgenerator führen.
Die genannten Radialstege der drei Induktoren sind zur Minimierung der gegenseitigen elektromagnetischen Beeinflussung sowie zur baulich günstigen Anordnung der Axialaktuatoren vorzugsweise um 120° in Bezug zur Längsachse des Stators oder Ankerns versetzt zueinander ausgerichtet. Es können bei Bedarf aber auch andere Winkellagen genutzt werden. Die Radialstege können dazu auch als abgewinkelte Bauteile ausgebildet sein.
Zur Reduzierung der gegenseitigen Beeinflussung sowie zur Verstärkung der Wirksamkeit der Induktoren kann gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass an dem wenigstens einen Induktor radial außen wenigstens ein Feldkonzentrator angeordnet ist, der aus wenigstens einem eisenhaltigen Körper besteht. Dieser Feldkonzentrator ist vorzugsweise derartig aufgebaut und angeordnet, dass mittels diesem das mittelfrequente elektromagnetische Feld nach radial innen konzentriert wird. Hierdurch wird eine besonders wirksame induktive Erwärmung der dort angeordneten Bleche des Blechpakets erreicht.
Sofern der wenigstens eine Induktor zur Anordnung radial innerhalb eines Stators ausgebildet ist, weist dieser an seiner radialen Innenmantelfläche bevorzugt wenigstens einen aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Feldkonzentrator auf, welcher das Wechselfeld des Induktors nach radial und axial außen konzentriert.
Bei den beiden axialen Enden des Stators oder Ankers zugeordneten Induktoren sind die dortigen Feldkonzentratoren derartig aufgebaut und angeordnet, dass das durch diese jeweils erzeugte hochfrequente elektromagnetisch Feld nach radial innen und axial außen konzentriert wird. Hierdurch wird einerseits eine gute induktive Wirksamkeit an den Wicklungsköpfen des Stators oder Ankers erreicht, und zudem wird eine unerwünschte Wechselwirkung der hochfrequenten elektromagnetischen Felder mit dem axial dazwischen wirksamen mittelfrequenten elektromagnetischen Feld minimiert.
Zur Abschirmung der endseitigen Kanten des Blechpakets vor einer extremen Wechselwirkung mit den beiden hochfrequenten elektromagnetischen Feldern kann vorgesehen sein, dass jeweils im Bereich dieser endseitigen Kanten ein Feldabschirmbauteil angeordnet ist, welches diese vor einer zu starken Einkopplung des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und somit vor einer zu starken Erwärmung schützt. Diese Feldabschirmbauteile bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Sie weisen zudem endseitig offene Kühlkanäle auf, durch die ein Kühlfluid hindurchleitbar ist.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Vorrichtung zur Erwärmung eines Stators oder Ankers kann vorgesehen sein, dass die Feldkonzentratoren sowie die Feldabschirmbauteile derart ausgebildet und angeordnet sind, dass mittels diesen konstruktive und/oder destruktive Interferenzen der elektromagnetischen Felder erzeugbar sind, welche die Erwärmungsleistung an den Axialabschnitten des Stators oder Ankers eisenspezifisch (Blechpaket) und/oder kupferspezifisch (Wicklung) optimieren.
Während die Induktoren zur Erzeugung des mittelfrequenten elektromagnetischen Feldes und der beiden hochfrequenten elektromagnetischen Felder axial hin und her beweglich angeordnet sind, ist hinsichtlich der Feldabschirmbauteile vorgesehen, dass diese im Betrieb der Erwärmungsvorrichtung axial fixiert sowie koaxial über den endseitigen Kanten des Blechpakets des Stators oder des Ankers angeordnet sind.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Stellglied eines Axialaktuators über einen Koaxialtransformator mit dem wenigstens einen Radialsteg eines Induktors verbunden ist.
Weiter kann hinsichtlich der beschriebenen Erwärmungsvorrichtung vorgesehen sein, dass bei der Anordnung mit mehreren Induktoren in der Vorrichtung im Leitungsbereich zwischen dem Mittelfrequenzinduktor und dem zugeordneten Mittelfrequenzgenerator ein elektrotechnisches Entstörungsmittel angeordnet oder ausgebildet ist, mittels dem elektronische Bauteile des Mittelfrequenzgenerator schützbar sind.
Um einen hohlzylindrischen Stator gleichzeitig von radial innen und radial außen induktiv erwärmen zu können, sind vorzugsweise zwei axial endseitig an einem Stator wirksame Induktoren als sogenannte Doppelinduktoren ausgebildet. Diese Doppelinduktoren weisen jeweils zwei radial zueinander versetzt angeordnete, ringförmige oder wendelförmige Spulenkörper auf, an die jeweils eine mittelfrequente oder hochfrequente elektrische Spannung angelegt wird. Hierdurch erzeugen die Induktoren in Wechselwirkung mit den Werkstoffen des Stators elektromagnetische Felder. Der radial innere Spulenkörper ist hinsichtlich seiner Abmessungen so ausgebildet, dass dieser in dem zylindrischen Hohlraum des Stators angeordnet sowie in diesem berührungsfrei axial hin und her bewegt werden kann. Der radial äußere Spulenkörper ist hinsichtlich seiner Abmessungen derartig ausgebildet, dass dieser radial über dem Stator berührungsfrei axial hin und her bewegt werden kann.
Um die Wirksamkeit dieser Doppelinduktoren weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass an der radialen Außenseite des radial äußeren Spulenkörpers ein äußerer Feldkonzentrator angeordnet ist, welcher ein elektromagnetisches Feld nach radial innen sowie gegebenenfalls auch nach axial außen konzentriert, und dass an der radialen Innenseite des radial inneren Spulenkörpers ein innerer Feldkonzentrator angeordnet ist, welcher ein elektromagnetisches Feld nach radial außen sowie gegebenenfalls auch nach axial außen konzentriert.
Die Nutzung von zwei axial endseitigen Doppelinduktoren sowie eines axial dazwischen angeordneten mittleren Induktors ist zwar sehr vorteilhaft, es muss jedoch bei dieser Ausführungsvariante darauf geachtet werden, dass der Stator in der Erwärmungsvorrichtung drehbar festgehalten werden soll. Da das Festhalten des Stators bevorzugt radial innen an diesem erfolgen soll, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass durch den radial inneren Spulenkörper zumindest eines Doppelinduktors ein Bauteil einer Halte- und Antriebsvorrichtung hindurchführbar ist, mittels welchem der Stator um seine Längsachse antreibbar festgehalten ist.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass nur an einem axialen Ende ein Doppelinduktor sowie daneben ein zweiter Induktor (wie vorne beschrieben) zur Erwärmung des Stators radial über diesem angeordnet ist. Der zweite Induktor überstreicht dabei hin und her bewegt einen Bereich zwischen den axialen Enden des Stators. In diesem Fall wäre das freie Ende des Stators, also dort, wo kein endseitiger Doppelinduktor angeordnet ist, mit einem Element einer Halte- und Antriebsvorrichtung verbunden.
Bei dem wenigstens einen Doppelinduktor kann vorgesehen sein, dass die beiden ringförmigen oder wendelförmigen Spulenkörper in dem gleichen Axialabschnitt oder axial zueinander versetzt angeordnet sind. Eine Anordnung der beiden Spulenkörper im gleichen Axialabschnitt ist dann vorteilhaft, wenn sowohl der radial innere als auch der radial äußere Spulenkörper dasselbe Gebiet des Stators aufheizen oder dort eine erreichte Temperatur beibehalten sollen. Ein solcher Bereich kann beispielsweise ein Spulenkopf eines Stators sein.
Sofern jedoch der radial innen angeordnete Spulenkörper des Doppelinduktors einen anderen Bereich des Stators bevorzugt erwärmen soll, dann kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der beiden axial endseitigen Doppelinduktoren derartig ausgebildet ist, dass dessen radial innerer Spulenkörper axial näher an einem axial dazwischen platzierten mittleren Induktor angeordnet ist als die jeweiligen radial äußeren Spulenkörper.
Letztlich wird auch eine Imprägniervorrichtung beansprucht, welche ein Gestell, einen an dem Gestell um seine Längsachse drehbar gelagert aufnehmbaren Stator oder Anker einer Elektromaschine, eine Zuführeinrichtung zur Zuführung eines flüssigen und unter erhöhter Wärmeeinwirkung aushärtenden Kunstharzes sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung des Stators oder Ankers aufweist, und welche wenigstens einen elektromagnetischen Induktor aufweist, der koaxial oder achsparallel zu dem Stator oder Anker angeordnet ist, wobei dieser wenigstens eine Induktor oder die mehreren Induktoren zur Erzeugung von wenigstens zwei elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ausgebildet ist beziehungsweise angeordnet sind.
Diese Imprägniervorrichtung kann auch weitere der oben genannten Merkmale aufweisen, entsprechend wenigstens einem der die Erwärmungsvorrichtung betreffenden Vorrichtungsansprüche.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist eine Zeichnung beigefügt, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Imprägniervorrichtung, in der eine Erwärmungsvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform integriert ist,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Erwärmungsvorrichtung ähnlich der von 3, jedoch mit Abschirmelemente,
5 die Erwärmungsvorrichtung gemäß 4 in einem teilweisen Axialschnitt zusammen mit einem darin angeordneten Anker einer Elektromaschine,
6 die Erwärmungsvorrichtung gemäß 4 in einem perspektivischen Axialschnitt,
7 eine Erwärmungsvorrichtung ähnlich der gemäß 4 in einer Längsschnittdarstellung, jedoch ohne Abschirmelemente,
8 die Erwärmungsvorrichtung gemäß in 4, jedoch zusammen mit einem darin angeordneten Stator einer Elektromaschine sowie mit Abschirmbauteilen,
9 eine axial auseinandergezogene Darstellung einer drei Induktoren aufweisenden Erwärmungsvorrichtung, von denen die beiden axial endseitigen Induktoren jeweils zwei radial beabstandete Spulenkörper aufweisen, und
10 die Erwärmungsvorrichtung gemäß 9 in einem schematischen Längsschnitt.

Demnach zeigt 1 eine erste Ausführungsform einer die Merkmale der Erfindung aufweisenden Erwärmungsvorrichtung 1a, die in einer Imprägniervorrichtung 50 integriert ist. Die Erwärmungsvorrichtung 1a dient im dargestellten Beispiel zum möglichst schnellen sowie gleichmäßigen Aufheizen und Warmhalten eines noch unfertigen Ankers 3 eine Elektromaschine. Zur Imprägniervorrichtung 50 gehört ein Gestell 51, an dem unter anderem eine Zuführvorrichtung 52 für ein Kunstharz 55, ein Axialaktuator 11 und ein Frequenzgenerator 13 gefestigt sind. Die Zuführvorrichtung 52 weist einen nicht dargestellten Vorratstank sowie zumindest eine nicht eingezeichnete Pumpe auf. Mittels der Pumpe wird noch flüssiges Kunstharz 55 über zwei Zuführleitungen 53, 54 zu den beiden axialen Enden 5a, 5b des Ankers 3 geleitet, wo dieses in den Anker 3 eingeleitet wird sowie dort alle Hohlräume zwischen den Wicklungsleitungen und den Bauteilen eines Blechpakets 4 ausfüllt. Spätestens beim Einströmen des noch flüssigen Kunstharzes 55 wird der Anker 3 mittels eines Antriebsmotors 44 um seine Längsachse 7 gedreht, so dass sich das Kunstharz 55 optimal verteilt. Vor dem Befüllen des Ankers 3 mit dem Kunstharz 55 wird der Anker 3 auf eine sogenannte Träufeltemperatur von beispielsweise 100°C erwärmt, um das gleichmäßige Verteilen des Kunstharzes 55 in dem Stator 3 zu begünstigen. Auch hierbei kann der Anker 3 schon um seine Längsachse gedreht werden, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung zu erreichen. Sobald der Anker 3 mit dem Kunstharz 55 vollständig befüllt ist, wird dieser auf eine Aushärtungstemperatur von beispielsweise 170°C erhitzt, bei welcher das Kunstharz 55 zu einem Duroplast aushärtet.
Zur Erwärmung des Ankers 3 auf die Träufeltemperatur sowie später auf die Aushärtetemperatur wird die Erwärmungsvorrichtung 1a genutzt, welche den Ankers 3 induktiv aufheizen kann. Diese Erwärmungsvorrichtung 1a weist den schon erwähnten Axialaktuator 11 auf, dessen Stellglied 10 in Form einer Koppelstange mit einem Koppelstück 29 verbunden ist. Wie in 1 anhand der Verbindung 90 andeutet ist, kann das jeweilige Stellglied 10 des Axialaktuators 11 auch direkt mit dem Koaxialtransformator 59 des Induktors 8 verbunden sein. In das Koppelstück 29 sind über einen Koaxialtransformator 59 zwei elektrisch leitende, draht-, rohr- oder schlauchförmige elektrische Leitungen 14, 15 geführt, welche mittels einer nicht dargestellten Kühleinrichtung durch ein Kühlfluid gekühlt sind. Die elektrischen Leitungen 14, 15 sind mit deren anderen Ende jeweils mit dem schon erwähnten Frequenzgenerator 13 verbunden, welcher einen hinsichtlich der elektrischen Spannung und Stromstärke geeigneten elektrischen Strom durch diese schickt.
Das Koppelstück 29 ist außerdem mit einem zweiarmigen Radialsteg 9 eines Induktors 8 verbunden, welcher koppelstückfern zu einem ringförmigen oder wendelförmigen Spulenkörper 49 geformt ist. Der Spulenkörper 49 und der zweiarmige Radialsteg 9 bestehen einstückig aus einem wendelförmig gebogenen Kupferrohr, welches von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Radial innerhalb des Spulenkörpers 49 ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel unter Ausbildung eines Ringspalts der zu temperierende Anker 3 aufgenommen. Der Spulenkörper 49 ist über den zweiarmigen Radialsteg 9 sowie über das Koppelstück 29 mit den genannten elektrischen Leitungen 14, 15 elektrisch verbunden, so dass an den Spulenkörper 49 eine elektrische Spannung anlegbar ist.
Demnach wird bei einer Axialbewegung des Stellgliedes 10 des Axialaktuators 11 der Spulenkörper 49 des einzigen Induktors 8 koaxial zur Längsachse 7 des Ankers 3 bewegt. Der Doppelpfeil 12 in 1 veranschaulicht die beiden Bewegungsrichtungen. Da die elektrischen Leitungen 14, 15 flexibel ausgebildet sind, machen diese die Axialbewegung unbeschadet mit.
In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird der einzige Induktor 8 zur induktiven Erwärmung auf die genannte Träufeltemperatur sowie zum Konstanthalten der genannten Aushärtungstemperatur koaxial über der radialen Außenmantelfläche des Ankers 3 periodisch hin und her bewegt. Dies geschieht durch eine vorzugsweise koaxiale Translation des Induktors 8 über die Länge des zu erwärmenden Bereiches des Stators oder Ankers 3. Die Translationsbewegung des Induktors 8 kann zwischen den axial endseitigen Bewegungsumkehrpunkten gleichförmig oder beschleunigt erfolgen. Es kann auch ein zuvor als optimal ermitteltes Bewegungsmuster genutzt werden, welches entlang einer Translationsstrecke Abschnitte mit geringerer oder höherer Geschwindigkeit für den Induktor 8 vorgibt.
In bestimmten Anwendungsfällen kann von einer zur Längsachse 6, 7 des Stators 2 oder Ankers 3 koaxialen Translation des Induktors 8 abgewichen werden, so dass im Ergebnis eine exzentrische Translationsbewegung zur genannten Längsachse durchgeführt wird. Hierdurch kann bei bestimmten Bauformen von Stator 2, Anker 3 und/oder Induktor 8 deren induktive Erwärmung weiter optimiert werden. Außerdem können hierdurch identische Induktoren für unterschiedlich durchmessergroße Statoren oder Anker 3 genutzt werden, ohne für diese jeweils bautypabhängig individuelle Induktoren bereithalten zu müssen. Dies setzt allerdings voraus, dass der Innendurchmesser des Induktors 8 so groß ist, dass dessen Spulenkörper 49 nicht koaxial sondern achsparallel über dem Stator 2 oder Anker 3 hin und her bewegt werden kann, sowie dass der Stator oder Anker rotieren kann. Bei einer Anordnung des Induktors radial innerhalb eines Stators 2 muss dementsprechend der Außendurchmesser des Spulenkörpers des Induktors so klein sein, dass sich dieser ebenfalls nicht koaxial sondern achsparallel innerhalb des Stators 2 bewegen lässt. Hierauf wird im Zusammenhang mit der in den 9 und 10 dargestellten Ausführungsvariante noch eingegangen.
Von besonderer Bedeutung ist nun, dass der einzige Induktor 8 während seines Betriebes im Bereich der beiden axialen Enden des Ankers 3, also dort wo dessen Wicklungsköpfe 5a, 5b ausgebildet sind, jeweils ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches jeweils eine höhere Frequenz aufweist als ein drittes elektromagnetisches Feld, das in dem zwischen diesen beiden Wicklungsköpfen 5a, 5b ausgebildeten mittleren Bereich des Ankers 3 wirksam ist. In diesem mittleren Bereich des Ankers 3 sind die eisenhaltigen Bleche eines Blechpakets 4 angeordnet. Die Wicklungsdrähte bestehen dagegen aus einem Material mit anderen elektromagnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Die beiden axial endseitig generierten elektromagnetischen Felder sowie das axial mittig generierte elektromagnetische Feld sind hinsichtlich derer Schwingungsfrequenz so eingestellt, dass die Hauptbestandteile des Ankers 3 jeweils optimal schnell und gleichmäßig induktiv erwärmt werden. Daher erzeugt der einzige Frequenzgenerator 13 dann, wenn sich der einzige Induktor 8 im Bereich des Blechpaktes 4 befindet, eine mittelfrequente Spannung, mittels der durch den einzigen Induktor 8 ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Sobald der einzige Induktor 8 sich jedoch im Bereich eines der beiden Wicklungsköpfe 5a, 5b befindet, erzeugt der einzige Frequenzgenerator 13 eine hochfrequente Spannung, mittels der durch den einzigen Induktors 8 ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt wird.
In 1 sind diejenigen beiden Bereiche, in denen ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld auf den Anker 3 wirkt, mit dem Bezugszeichen HF versehen, während der axial dazwischen angeordnete Bereich, in dem ein mittelfrequentes Feld auf den Anker 3 wirkt, mit dem Bezugszeichen MF versehen ist. Das hochfrequente elektromagnetische Feld wirkt radial zwar nicht tief in den Anker 3 hinein, dafür lässt sich der Kupferwerkstoff der in den Wicklungsköpfen 5a, 5b frei zu Tage tretenden Wicklungsleitungen dadurch besonders effektiv induktiv erwärmen. Im Unterschied dazu kann das mittelfrequente elektromagnetische Feld radial vergleichsweise tief in den Anker 3 eindringen, und es kann Energie besonders vorteilhaft induktiv in die eisenhaltigen Bleche des Blechpakts 4 des Ankers 3 einkoppeln sowie dort in Wärme umgewandelt werden.
In den 2 und 3 sind zwei weitere Ausführungsformen von Erwärmungsvorrichtungen 1b, 1c dargestellt, welche die Merkmale der Erfindung aufweisen. Die Bauteile der Imprägniervorrichtung 50 sind dabei zur Vereinfachung der Abbildungen weggelassen worden.
Demnach zeigt 2 eine Erwärmungsvorrichtung 1b, welche ebenfalls nur einen Axialaktuator 11 mit Stellglied 10, ein Koppelstück 29, einen zweiarmigen Radialsteg 9 und nur einen einzigen Induktor 8 mit einem wendelförmigen Spulenkörper 49 aufweist. Auch hierbei umgreift der wendelförmige Spulenkörper 49 des einzigen Induktors 8 den Anker 3 koaxial, und der Induktor 8 beziehungsweise sein Spulenkörper 49 sind koaxial zur Längsachse 7 des Ankers 3 unter Einhaltung eines in 2 nicht erkennbaren Ringspaltes über diesen hin und her bewegbar. Im Unterschied zu der Erwärmungsvorrichtung 1a gemäß 1 weist die in 2 dargestellte Erwärmungsvorrichtung 1b zwei Frequenzgeneratoren 16a, 16b auf. Der erste Frequenzgenerator 16a kann eine mittelfrequente elektrische Spannung erzeugen, und der zweite Frequenzgenerator 16b eine hochfrequente elektrische Spannung. Die elektrischen Spannungen der beiden Frequenzgeneratoren 16a, 16b werden über einen doppelt wirksamen Koaxialtransformator 60 zu dem Spulenkörper 49 des einzigen Induktors 8 geleitet, wobei auch dieser Koaxialtransformator 60 an einem Koppelstück 29 befestigt ist.
Der einzige Induktor 8 beziehungsweise dessen Spulenkörper 49 wird zeitlich nacheinander mit einer der beiden mittelfrequenten oder hochfrequenten elektrischen Spannungen beaufschlagt, so dass dieser einzige Induktor 8 zwei elektromagnetische Felder unterschiedlicher Frequenz erzeugt. Dabei wird die mittelfrequente Spannung des ersten Frequenzgenerators 16a dann zu dem einzigen Induktor 8 geleitet, wenn sich dieser im Bereich des Blechpakets 4 beziehungsweise axial zwischen den beiden Wicklungsköpfen 5a, 5b befindet. Die hochfrequente Spannung des zweiten Frequenzgenerators 16b wird hingegen dann zu dem einzigen Induktor 8 geleitet, wenn sich dieser im Bereich der jeweiligen Wicklungsköpfe 5a, 5b befindet. Geringfügige Positionierungsungenauigkeiten sind hierbei nicht sonderlich schädlich, da alle elektrisch leitenden Bereiche des Ankers 3 zur induktiven Erwärmung desselben beitragen, jedoch mit unterschiedlicher Wirksamkeit.
Die beiden Frequenzgeneratoren 16a, 16b können gemäß einer anderen Ausführungsform in einem einzigen Gerät integriert sein, welches eine Umschaltvorrichtung zur Umschaltung zwischen den beiden Frequenzgeneratoren 16a, 16b aufweist, und welches über gemeinsame elektrische Zuleitungen über den Koaxialtransformator 60 mit dem einzigen Induktor 8 verbunden ist. Dieser Koaxialtransformator 60 ist dann als ein Doppel-Koaxialtransformator ausgebildet.
Es kann bei speziellen Anwendungsfällen vorgesehen sein, dass gleichzeitig mittelfrequente und hochfrequente elektromagnetische Felder erzeugt werden, die zur Erwärmung und Warmhaltung eines Stators oder Ankers auf vorbestimmte Temperaturen genutzt werden.
Bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform einer die Merkmale der Erfindung aufweisenden Erwärmungsvorrichtung 1c für einen Stator 2 oder Anker 3 sind insgesamt drei einzelne Induktoren 18, 21, 24 vorhanden, welche jeweils mittels eines gesonderten Axialaktuators 17, 20, 23 axial beweglich angeordnet sind. Die drei Axialaktuatoren 17, 20, 23 weisen jeweils ein Stellglied 10 auf, welche über jeweils ein Koppelstück 29, 30, 31 mit jeweils einem zweiarmigen Radialsteg 26, 27, 28 der drei Induktoren 18, 21, 24 verbunden sind. Die drei Induktoren 18, 21, 24 weisen jeweils einen wendelförmigen Spulenkörper 49a, 49b, 49c auf, welche koaxial über einem Anker 3 angeordnet sind. Jeder der drei Induktoren 18, 21, 24 wird im Betrieb von jeweils einem gesonderten Frequenzgenerator 19, 22, 25 mit einer mittelfrequenten oder hochfrequenten elektrischen Spannung versorgt, so dass die Spulenkörper 49a, 49b, 49c elektromagnetische Felder mit verschiedener Frequenz erzeugen können.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Frequenzgeneratoren 19, 22, 25 über elektrische Leitungen 14, 15 mit jeweils einem Koaxialtransformator 56, 57, 58 verbunden, welche an dem jeweils zugeordneten Koppelstück 29, 30, 31 der Induktoren 18, 21, 24 befestigt sind. Von dort führen die zweiarmigen Radialstege 26, 27, 28 zu den Spulenkörpern 49a, 49b, 49c der drei Induktoren 18, 21, 24. In der elektrischen Leitung 14, 15 zwischen dem Mittelfrequenzgenerator 19 und dem Mittelfrequenzinduktor 18 ist ein elektronisches Entstörungsmittel 48 angeordnet, mittels dem die elektronischen Bauteile des Mittelfrequenzgenerators 19 vor den Einwirkungen der beiden hochfrequenten Wechselfelder geschützt werden.
Im Betrieb der Erwärmungsvorrichtung 1c erzeugt der axial mittlere Induktor 18 im Blechpaket 4 des Ankers 3 ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld, dessen Wirkbereich MF fast die gesamte axiale Länge des Ankers 3 überdeckt. Damit dieses mittelfrequente elektromagnetische Feld in allen Bereichen des Ankers 3 mit gleicher Intensität sowie mit gleicher radialer Wirktiefe in den Anker 3 eindringen kann, wird der erste Induktor 18 mittels des ersten Axialaktuators 17 koaxial oder achsparallel über der zylindrischen Außenumfangsfläche des Ankers 3 hin und her bewegt. Auch die beiden axial endseitig, im Bereich der beiden Wicklungsköpfe 5a, 5b angeordneten Induktoren 21, 24 werden im Betrieb der Erwärmungsvorrichtung 1c mittels der zugeordneten Axialaktuatoren 20, 23 axial hin und her bewegt. Hierbei überstreichen diese beiden Induktoren 21, 24 aber nur die jeweils zugeordneten Wicklungsköpfe 5a, 5b. Eine Kollision der drei Aktuatoren 18, 21, 24 wird selbstverständlich vermieden. Die beiden koaxial über den Wicklungsköpfen 5a, 5b angeordneten Induktoren 21, 24 erzeugen jeweils ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, dessen jeweiliger Wirkbereich HF in 3 durch Doppelpfeile markiert ist. Diese hochfrequenten elektromagnetischen Felder sind wie schon erläutert bestens dazu geeignet, die Kupferdrähte der beiden Wicklungsköpfe 5a, 5b induktiv zu erwärmen. Von dort gelangt Wärme über die Wicklungsdrähte durch Wärmeleitung auch in das Innere des Ankers 3.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Erwärmungsvorrichtungen 1a, 1b, 1c gemäß den 1 bis 3 haben alle den Vorteil, dass mehrere elektromagnetische Felder an unterschiedlichen Stellen eines Stators 2 oder Ankers 3 auf diese einwirken können. Hierdurch lassen sich die unterschiedlichen Werkstoffe, aus denen ein Stator oder Anker hergestellt ist und die zudem in unterschiedlicher radialer Tiefe im Stator oder Anker angeordnet sind, jeweils optimal induktiv erwärmen. Im Unterschied dazu wurde bisher bei gattungsgemäßen Erwärmungsvorrichtungen der Stator oder Anker in einem Ofen als Ganzes oder durch ein Aufheizen seiner Wicklungsdrähte zum größten Teil indirekt auf eine gewünschte Träufeltemperatur gebracht und/oder auf einer bestimmten Aushärtetemperatur gehalten. Bei der Erwärmungsvorrichtung 1c gemäß der 3 können sogar gleichzeitig drei unterschiedliche elektromagnetische Felder auf einen Stator 2 oder Anker 3 einwirken und diesen induktiv erwärmen, wodurch eine homogene Temperaturverteilung in diesem erreicht wird und ein besonders kurzer Zeitraum vergeht, bis alle Bestandteile des Stators oder Ankers die gewünschte Temperatur erreicht haben.
Da mit dem vorgestellten Verfahren und der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung 1a, 1b, 1c sowohl die Wicklungsdrähte als auch die Bleche des Blechpakets 4 des Stators 2 oder Ankers 3 bei der Verwendung nur eines Induktors 8 fast gleichzeitig und insbesondere bei der Verwendung von drei Induktoren 18, 21, 24 gleichzeitig induktiv erwärmt werden, wird eine besonders kurze Aufwärmdauer bis zum Erreichen einer bestimmten Träufeltemperatur sowie eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht. Auch das Aufheizen des Stators 2 oder Ankers 3 bis zum Erreichen der Geliertemperatur und der Aushärtetemperatur erfolgt sehr schnell und homogen. Dies liegt vor allem daran, dass eine indirekte Erwärmung von Bestandteilen des Stators 2 oder Ankers 3 durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung nur in geringem Umfang benötigt wird, denn gemäß der Erfindung werden nur noch die elektrisch mehr oder minder isolierend wirkenden Bestandteile des Stators 2 oder Ankers 3 mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung aufgeheizt, wie zum Beispiel die Isolationsschicht um die Wicklungsdrähte und gegebenenfalls in den Stator 2 oder Anker 3 eingelegte Isolationsmaterialien.
Der durch Erwärmen aus dem eingeträufelten Kunstharz gebildete Duroplast ist wegen des schnellen und gleichmäßigen Erreichens der einzelnen Temperaturbereiche für die jeweiligen Herstellprozessschritte besonders gleichmäßig im gesamten Stator oder Anker ausgebildet und weist dadurch durchgehend die gleichen Eigenschaften auf, wodurch dieser zu einer optimalen Produktqualität des Stators oder Ankers beiträgt.
Nachdem der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtungen 1a, 1b, 1c erläutert wurden, wird nachfolgend auf besondere Weiterentwicklungen eingegangen, die in den 4 bis 8 dargestellt sind. In diesen Figuren sind jeweils Erwärmungsvorrichtungen 1c mit stets drei Induktoren 18, 21, 25 in unterschiedlichen Ansichten dargestellt, welche im Wesentlichen den Aufbau und die Wirkungsweise der Erwärmungsvorrichtungen 1c gemäß 3 aufweisen. Daher wird nachfolgend nur auf die darüber hinausgehenden Weiterentwicklungen eingegangen.
Die 4 bis 6 zeigen in einer Explosionsdarstellung, in einem Axialschnitt sowie in einer teilweise aufgeschnittenen Darstellung die drei erwähnten Induktoren 18, 21, 24 der Erwärmungsvorrichtung 1c gemäß 3, welche hinsichtlich ihres Aufbaus schematisch vereinfacht gezeichnet sind, im Bereich derer ringförmigen Spulenkörpern 45, 46, 47 jedoch erkennbar jeweils eine hohlzylindrische Aufnahmeöffnung 41, 42, 43 aufweisen. In diese Aufnahmeöffnung 41, 42, 43 wird der dargestellte Anker 3 oder ein Stator 2 eingesetzt, und zwar so, dass der Spulenkörper 45 des Mittelfrequenzinduktors 18 zumindest einen axialen Abschnitt des Blechpakets 4 des Ankers 3 koaxial oder achsparallel umgibt, und dass die beiden Hochfrequenzinduktoren 21, 24 zumindest einen Axialabschnitt der beiden axial endseitig angeordneten Wicklungsköpfe 5a, 5b des Ankers 3 koaxial oder achsparallel umgeben.
Wie 4 zeigt, sind bei der dort dargestellten Ausführungsform vier plattenförmige Abschirmelemente 32, 33, 34, 35 vorhanden, welche axial beidseitig neben dem Mittelfrequenzinduktor 18 angeordnet sind, also axial zwischen dem Mittelfrequenzaktuator 18 und den beiden Hochfrequenzinduktoren 21, 24. Die Anordnung der Abschirmelemente 32, 33, 34, 35 ist dabei so gestaltet, dass diese radial über den beiden wicklungskopfnahnen Enden beziehungsweise axialen Kanten des Blechpakets 4 positioniert sind. Hierdurch sind die Abschirmelemente 32, 33, 34, 35 dazu in der Lage, die axial endseitigen Kanten des Blechpakets 4 vor einer zu starken Kopplung der elektromagnetischer Felder und somit vor einer zu starken Erwärmung zu schützen.
Außerdem ist vorgesehen, dass die Position der Feldabschirmbauteile 32, 33; 34, 35 zwar an die axiale Länge des jeweils zu erwärmenden Stators 2 oder Ankers 3 beziehungsweise dessen Blechpakets 4 anpassbar ist, sie sind im Betrieb jedoch axial unbeweglich angeordnet.
Die Abschirmelemente 32, 33, 34, 35 bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Sie haben eine weitgehend rechteckige Geometrie mit einer kreisbogenförmigen Ausnehmung 39, welche dicht über der Oberfläche des Ankers 2 angeordnet wird. Hierbei stoßen die radial inneren und benachbarten Abschnitte der einander zugeordneten Abschirmelemente 32, 33; 34, 35 vorzugswiese spaltfrei aneinander. Außerdem weisen die Abschirmelemente 32, 33, 34, 35 jeweils eine Zuführöffnung 40a und eine Abführöffnung 40b auf, durch die ein Kühlfluid zur aktiven Kühlung der Abschirmelemente 32, 33, 34, 35 hindurch leitbar ist.
Die 7 zeigt die drei schon erwähnten Induktoren 18, 21, 24 mit deren schematisch dargestellten Spulenkörpern 45, 46, 47, welche koaxial über einem noch nicht abschließend fertiggestellten Anker 3 einer Elektromaschine angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsvariante ist an den Induktoren 18, 21, 24 radial außen, also außerhalb der Spulenkörper 45, 46, 47, jeweils ein Feldkonzentrator 36, 37, 38 angeordnet. Die Feldkonzentratoren 36, 37, 38 bestehen jeweils bevorzugt aus einem eisenhaltigen Material. Der an dem axial mittleren Induktor 18 befestigte und eine kreisförmige oder kreissegmentförmige Geometrie aufweisende Feldkonzentrator 36 ist derartig aufgebaut und angeordnet, dass mittels diesem das mittelfrequente elektromagnetische Feld dieses Induktors 18 nach radial innen konzentriert wird, so dass es die Bleche des Blechpakets 4 des Ankers 3 auch in möglichst großer radialer Tiefe erreicht. Im Unterschied dazu ist vorgesehen, dass die an den beiden axial endseitigen Induktoren 21, 24 befestigten Feldkonzentratoren 37, 38 derartig aufgebaut und angeordnet sind, dass durch diese das hochfrequente elektromagnetische Feld dieser Induktoren 21, 24 nach radial innen und axial außen konzentriert wird. Hierdurch wird ein möglicherweise schädlicher Einfluss der hochfrequenten elektromagnetischen Felder in den elektronischen Bauteilen des Mittelfrequenzgenerators gering gehalten, und zudem können die hochfrequenten elektromagnetischen Felder den jeweils zugeordneten Wicklungskopf 5a, 5b besonders wirkungsvoll induktiv erwärmen.
8 zeigt einen teilweisen schematischen Längsschnitt durch einen Stator 2, welcher mittels der drei schon beschriebenen Induktoren 18, 21, 24 induktiv aufheizbar ist, um in diesen ein Kunstharz einzuträufeln und es dort aushärten zu lassen. Die drei Induktoren 18, 21, 24 sind koaxial zur Längsachse 6 des Stators 2 radial über dessen Außenmantelfläche angeordnet sowie mittels der schon beschriebenen Axialaktuatoren 17, 20, 23 über dieser axial hin und her bewegbar. Die Induktoren 18, 21, 24 weisen radial außen jeweils einen Feldkonzentrator 36, 37, 38 auf, mittels denen wie gerade beschrieben die von den Induktoren 18, 21, 24 erzeugten elektromagnetischen Felder in gewünschte Richtungen konzentrierbar sind. Außerdem sind axial nahe zu den beiden Hochfrequenzinduktoren 21, 24 sowie radial über dem jeweiligen axialen Ende des Blechpaketes 4 jeweils zwei Abschirmelemente 32, 33; 33, 34 angeordnet, mittels denen die axial endseitigen Kanten des Blechpakets 4 vor einer zu starken Energieeinkopplung durch die hochfrequenten elektromagnetischen Felder abschirmbar sind. Die Abschirmelemente 32, 33; 33, 34 sind in diesem Beispiel erkennbar fluchtend zu den axialen Kanten des Blechpakets 4 angeordnet.
Die Feldkonzentratoren 36, 37, 38 und die Feldabschirmbauteile 32, 33; 34, 35 können hierbei derart ausgebildet und angeordnet sein, dass mittels diesen konstruktive und/oder destruktive Interferenzen der miteinander wechselwirkenden elektromagnetischen Felder erzeugbar sind, welche die Erwärmungsleistung an den Axialabschnitten des Stators 2 oder Ankers 3 eisenspezifisch (Blechpaket) und/oder kupferspezifisch (Wicklung) optimieren.
Die 9 und 10 zeigen in unterschiedlichen Ansichten jeweils eine die Merkmale der Erfindung aufweisenden Erwärmungsvorrichtung 1d, welche zwei axial endseitig an einem Stator 2 wirksame Induktoren hat, die als sogenannte Doppelinduktoren 70, 80 ausgebildet sind. Axial zwischen diesen beiden Doppelinduktoren 70, 80 ist ein Induktor 18 angeordnet, welcher die bereits beschriebene Bauform gemäß den 1 bis 8 aufweist. Dieser mittlere Induktor 18 weist demnach einen hier ringförmig dargestellten, im Detail jedoch ringförmig oder wendelförmig mit oft nur einer Windung ausgebildeten Spulenkörper 45 auf, dessen hohlzylindrische Aufnahmeöffnung 41 radial über der Wicklung 4 des Stators 2 hin und her bewegt werden kann.
Die Doppelinduktoren 70, 80 weisen abweichend davon jeweils zwei radial versetzt angeordnete, ringförmige Spulenkörper 74, 76; 84, 86 auf, deren nicht sichtbaren rohförmigen elektrischen Leiter die Spulenkörper 74, 76; 84, 86 jeweils als fast vollständig zu einem geschlossenen Ring ausgebildet haben. Deutlich erkennbar sind die Spulenkörper 74, 76; 84, 86 umfangsbezogen jeweils durch einen Radialspalt nicht geschlossen ausgebildet, von denen nur zwei Radialspalte 91, 92 in 9 bezeichnet sind.
Durch die elektrischen Leiter der Spulenkörper 74, 76; 84, 86 ist jeweils ein mittelfrequenter und/oder hochfrequenter elektrischer Strom zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern hindurchleitbar. Die Enden der elektrischen Leiter der radial inneren und radial äußeren Spulenkörper 74, 76; 84, 86 gehen gleichpolig jeweils in einen axial ausgerichteten Zuleitungsabschnitt 61, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 69 über. Sodann sind jeweils zwei gleichpolige Zuleitungsabschnitte 61, 62; 63, 64; 66, 67; 68, 69 mit jeweils einem von zwei Radialstegen 71, 72; 81, 82 verbunden. Diese Radialstege 71, 72; 81, 82 sind spulenkörperfern über nicht dargestellte Koppelstücke direkt oder indirekt mit den bereits geschilderten Frequenzgeneratoren elektrisch verbunden sind. Die Radialstege 71, 72; 81, 82 sind außerdem, wie schon im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbespielen beschreiben, über einen Koaxialtransformator oder ein Koppelstück mit dem Stellglied 10 eines jeweils zugeordneten Axialaktuators verbunden, der die Radialstege 71, 72; 81, 82 und damit letztlich auch die Spulenkörper 74, 76; 84, 86 axial hin und her bewegen kann.
Die beiden Spulenkörper 74, 76; 84, 86 der beiden Doppelinduktoren 70, 80 sind jeweils derartig ausgebildet, dass mittels ihnen der Stator 2 gleichzeitig sowohl von radial innen als auch von radial außen induktiv erwärmt werden kann. Hierzu ist jeweils der radial innere Spulenkörper 74; 84 hinsichtlich seiner Abmessungen so ausgebildet, dass dieser in dem zylindrischen Hohlraum 65 des Stators 2 angeordnet sowie in diesem berührungsfrei axial hin und her bewegt werden kann. Demgegenüber ist der radial äußere Spulenkörper 76, 86 hinsichtlich seiner Abmessungen so ausgebildet, dass dieser radial über dem Stator 2 berührungsfrei axial hin und her bewegt werden kann.
Zur Lenkung des von dem jeweiligen Spulenkörper 74, 76; 84, 86 erzeugten elektromagnetischen Feldes kann auch bei dieser Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass an der radialen Außenseite des radial äußeren Spulenkörpers 76, 86 ein äußerer Feldkonzentrator 78, 88 angeordnet ist, welcher ein elektromagnetisches Feld nach radial innen sowie axial außen konzentriert, und dass an der radialen Innenseite des jeweiligen radial inneren Spulenkörpers 74, 84 ein innerer Feldkonzentrator 77, 87 angeordnet ist, welcher ein elektromagnetisches Feld nach radial und axial außen konzentriert.
Wie insbesondere in 9 erkennbar ist, kann gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des in der Zeichnung links dargestellten Doppelinduktors 70 vorgesehen sein, dass durch den radial inneren, ringförmig ausgebildeten Spulenkörper 74 ein Bauteil 79 einer Halte- und Antriebsvorrichtung hindurchführbar ist, mittels welchem der Stator 2 um seine Längsachse 6 drehbar festgehalten wird.
Weiter kann bei dieser Erwärmungsvorrichtung 1d vorgesehen sein, dass die beiden ringförmigen Spulenkörper 74, 76; 84, 86 eines Doppelinduktors 70, 80 wie dargestellt in der gleichen Radialebene beziehungsweise im gleichen Axialabschnitt oder aber in unterschiedlichen Radialebenen und damit axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Bei einer Anordnung der Spulenkörper 74, 76; 84, 86 in der gleichen Radialebene ist eine besonders gezielte Erwärmung beispielsweise der axial endseitigen Wicklungsköpfe 5a, 5b des Stators 2 möglich. Bei einer Anordnung der Spulenkörper 74, 76; 84, 86 in unterschiedlichen Radialebenen, also zueinander axial versetzt, kann der Stator 2 gleichzeitig von radial innen und radial außen an verschiedenen Stellen erwärmt werden. So kann bei dieser Erwärmungsvorrichtung 1d vorgesehen sein, dass die beiden axial endseitigen Doppelinduktoren 70, 80 derartig ausgebildet sind, dass deren radial innere Spulenkörper 74; 84 näher an dem axial dazwischen angeordneten mittleren Induktor 18 angeordnet sind als die jeweiligen radial äußeren Spulenkörper 76, 86.
Mit den die Merkmale der Erfindung aufweisenden Erwärmungsvorrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine sehr effiziente Träufelimprägnierung von Statoren 2 und Ankern 3 möglich, welche für die Herstellung von Elektromaschinen vorgesehen sind.
Bezugszeichenliste

1a: Erwärmungsvorrichtung (erste Ausführungsform)
1b: Erwärmungsvorrichtung (zweite Ausführungsform)
1c: Erwärmungsvorrichtung (dritte Ausführungsform)
1d: Erwärmungsvorrichtung (vierte Ausführungsform)
2: Stator
3: Anker
4: Eisenhaltiges Bauteil, Blechpaket
5a: Erstes axiales Ende des Ankers oder Stators, erster Wicklungskopf
5b: Zweites axiales Ende des Ankers oder Stators, zweiter Wicklungskopf
6: Längsachse des Stators
7: Längsachse des Ankers
8: Einziger Induktor
9: Radialsteg des einzigen Induktors 8
10: Stellglied des Axialaktuators 11
11: Erster Axialaktuator
12: Stellrichtung des Stellgliedes 10
13: Einziger Frequenzgenerator
14: Erste elektrische Leitung (fluidgekühlt)
15: Zweite elektrische Leitung (fluidgekühlt)
16a: Erster Frequenzgenerator
16b: Zweiter Frequenzgenerator
17: Mittlerer Axialaktuator
18: Mittelfrequenzinduktor
19: Mittelfrequenzgenerator
20: Erster endseitiger Axialaktuator
21: Erster Hochfrequenzinduktor
22: Erster Hochfrequenzgenerator
23: Zweiter endseitiger Axialaktuator
24: Zweiter Hochfrequenzinduktor
25: Zweiter Hochfrequenzgenerator
26: Radialsteg des Mittelfrequenzinduktors 18
27: Radialsteg des ersten Hochfrequenzinduktors 21
28: Radialsteg des zweiten Hochfrequenzinduktors 24
29: Erstes Koppelstück
30: Zweites Koppelstück
31: Drittes Koppelstück
32: Erstes Abschirmelement
33: Zweites Abschirmelement
34: Drittes Abschirmelement
35: Viertes Abschirmelement
36: Mittelfrequenz-Feldkonzentrator
37: Erster Hochfrequenz-Feldkonzentrator
38: Zweiter Hochfrequenz-Feldkonzentrator
39: Ausnehmung am Abschirmelement
40a: Zuführöffnung für Kühlfluid am Abschirmelement
40b: Abführöffnung für Kühlfluid am Abschirmelement
41: Aufnahmeöffnung am Mittelfrequenzinduktor
42: Aufnahmeöffnung am ersten Hochfrequenzinduktor
43: Aufnahmeöffnung am zweiten Hochfrequenzinduktor
44: Antriebsmotor
45: Spulenkörper des ersten Induktors bzw. Mittelfrequenzinduktors 18
46: Spulenkörper des zweiten Induktors bzw. Hochfrequenzinduktors 21
47: Spulenkörper des dritten Induktors bzw. Hochfrequenzinduktors 24
48: Entstörungsmittel
49: Spulenkörper des einzigen Induktors 8
49a: Spulenkörper des Mittelfrequenzinduktors 18
49b: Spulenkörper des Hochfrequenzinduktors 21
49c: Spulenkörper des Hochfrequenzinduktors 24
50: Imprägniervorrichtung
51: Gestell
52: Zuführvorrichtung für Kunstharz
53: Erste Zuführleitung der Imprägniervorrichtung
54: Zweite Zuführleitung der Imprägniervorrichtung
55: Kunstharz
56: Koaxialtransformator
57: Koaxialtransformator
58: Koaxialtransformator
59: Koaxialtransformator
60: Koaxialtransformator
61: Zuleitungsabschnitt
62: Zuleitungsabschnitt
63: Zuleitungsabschnitt
64: Zuleitungsabschnitt
65: Zylindrischer Hohlraum des Stators 3
66: Zuleitungsabschnitt
67: Zuleitungsabschnitt
68: Zuleitungsabschnitt
69: Zuleitungsabschnitt
70: Erster Doppelinduktor
71: Erster Radialsteg des Doppelinduktors 70
72: Zweiter Radialsteg des Doppelinduktors 70
74: Radial innerer Spulenkörper des Doppelinduktors 70
76: Radial äußerer Spulenkörper des Doppelinduktors 70
77: Radial innerer Feldkonzentrator des Doppelinduktors 70
78: Radial äußerer Feldkonzentrator des Doppelinduktors 70
79: Bauteil einer Halte- und Antriebsvorrichtung
80: Zweiter Doppelinduktor
81: Erster Radialsteg des Doppelinduktors 80
82: Zweiter Radialsteg des Doppelinduktors 80
84: Radial innerer Spulenkörper des Doppelinduktors 80
86: Radial äußerer Spulenkörper des Doppelinduktors 80
87: Radial innerer Feldkonzentrator des Doppelinduktors 80
88: Radial äußerer Feldkonzentrator des Doppelinduktors 80
90: Verbindung zwischen Stellglied 10 und Koaxialtransformator 59
91: Radialspalt am Spulenkörper 74
92: Radialspalt am Spulenkörper 76
MF: Wirkbereich eines mittelfrequenten Wechselfeldes
HF: Wirkbereich eines hochfrequenten Wechselfeldes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 47392 B1 [0003]
GB 200469 B [0003]
DE 1212204 A [0007]
DE 1919642 A [0007]

Claims

Erwärmungsvorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d) zum induktiven Erwärmen und Warmhalten eines Stators (2) oder Ankers (3) einer Elektromaschine, insbesondere vor und während einer Träufelimprägnierung desselben, aufweisend wenigstens einen elektromagnetischen Induktor (8; 18, 21, 24; 70, 80), welcher koaxial oder achsparallel in Bezug zur Längsachse (5, 6) des Stators (2) oder Ankers (3) angeordnet ist und mittels dem dieser induktiv erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (8) oder die mehreren Induktoren (18, 21, 24; 70, 80) zur Erzeugung von wenigstens zwei elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind.
Erwärmungsvorrichtung (1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Induktor (8) koaxial oder achsparallel und radial innerhalb des Stators (2) oder koaxial oder achsparallel und radial außerhalb des Ankers (3) angeordnet ist, dass dieser einzige Induktor (8) über die gesamte axiale Länge des Stators (2) oder Ankers (3) hin und her beweglich angeordnet ist, und dass mit diesem einzigen Induktor (8) im Bereich der beiden axialen Enden (5a, 5b) des Stators (2) oder Ankers (3) jeweils ein elektromagnetisches Feld erzeugbar ist, welche sich hinsichtlich der Schwingungsfrequenz von einem zwischen diesen beiden Enden (5a, 5b) wirksamen elektromagnetischen Feldes unterscheiden.
Erwärmungsvorrichtung (1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des einzigen Induktors (8) im Bereich der axialen Enden (5a, 5b) des Stators (2) oder Ankers (3) ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld und in dem dazwischen liegenden mittleren Bereich ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugbar ist.
Erwärmungsvorrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Induktor (8) von einem einzigen Frequenzgenerator (13) wechselweise oder gleichzeitig mit einer mittelfrequenten oder einer hochfrequenten elektrischen Spannung versorgbar ist.
Erwärmungsvorrichtung (1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Induktor (8) wechselweise oder gleichzeitig von einem Mittelfrequenzgenerator (16a) mit einer mittelfrequenten elektrischen Spannung oder von einem Hochfrequenzgenerator (16b) mit einer hochfrequenten elektrischen Spannung versorgbar ist.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese drei axial beweglich angeordnete Induktoren (18, 21, 24; 70, 80) aufweist, welche axiale Abschnitte des Stators (2) oder Ankers (3) koaxial oder achsparallel umgeben, dass ein mittlerer Induktor (18) über einem mittleren Axialabschnitt des Stators (2) oder Ankers (3) angeordnet ist, in welchem ein eisenhaltiges Blechpaket (4) des Stators (2) oder Ankers (3) angeordnet ist, dass zwei axial endseitige Induktoren (21, 24) im Bereich der beiden axialen Enden des Stators (2) oder Ankers (3) angeordnet sind, in welchen kupferhaltige Wicklungsköpfe (5a, 5b) des Stators (2) oder Ankers (3) angeordnet sind, dass mit dem mittleren Induktor (18) ein mittelfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugbar ist, und dass mit den beiden axial endseitigen Induktoren (21, 24) jeweils ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugbar ist.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Induktor (8; 18, 21, 24; 70, 80) einen ringförmigen oder wendelförmigen Spulenkörper (45, 46, 47; 49; 74, 76; 84, 86) sowie einen zweiteiligen Radialsteg (9; 26, 27, 28; 71, 72; 81, 82) aufweist, dass die jeweiligen Radialstege (9; 26, 27, 28; 71, 72; 81, 82) spulenkörperfern jeweils mit einem Koppelstück (29, 30, 30) verbunden sind, und dass diese Koppelstücke (29, 30, 30) jeweils zumindest mittelbar mit einem zugeordneten Axialaktuator (11; 17, 20, 23) verbunden sind, mittels dem der Induktor (8; 18, 21, 24; 70, 80) samt den Radialstegen (9; 26, 27, 28; 71, 72; 81, 82) koaxial oder parallel zur Längsachse (6, 7) des Stators (2) oder Ankers (3) hin und her bewegbar ist.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialstege (26, 27, 28; 71, 72; 81, 82) von drei Induktoren (18, 21, 24; 70, 80) um 120° in Bezug zur Längsachse (6, 7) des Stators (2) oder Ankers (3) versetzt zueinander ausgerichtet sind.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Spulenkörper (45, 46, 47; 76; 86) von wenigstens einem Induktor (18, 21, 24; 70, 80) radial außen ein Feldkonzentrator (36, 37, 38; 78; 88) angeordnet ist, der aus wenigstens einem eisenhaltigen Körper besteht.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der an dem Spulenkörper (45) des axial mittleren Induktors (18) befestigte Feldkonzentrator (36) derartig aufgebaut und angeordnet ist, dass mittels diesem das mittelfrequente elektromagnetische Feld nach radial innen konzentriert wird.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem jeweiligen Spulenkörper (45, 46, 47; 76; 86) der beiden axial endseitigen Induktoren (21, 24; 70, 80) befestigten Feldkonzentratoren (37, 38; 78, 88) derartig aufgebaut und angeordnet sind, dass durch diese das hochfrequente elektromagnetische Feld nach radial innen und axial außen konzentriert wird.
Erwärmungsvorrichtung (1c; 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils im Bereich der axial endseitigen Kanten des Blechpakets (4) ein Feldabschirmbauteil (32, 33; 34, 35) angeordnet ist, welche diese Kanten vor einer zu starken Einkopplung des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und somit vor einer zu starken Erwärmung schützen.
Erwärmungsvorrichtung (1c, 1d) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldabschirmbauteile (32, 33; 34, 35) aus Kupfer bestehen und mittels eines durch diese hindurchleitbaren Fluids aktiv kühlbar sind.
Erwärmungsvorrichtung (1c, 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldkonzentratoren (37, 38; 78, 88) und die Feldabschirmbauteile (32, 33; 34, 35) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass mittels diesen konstruktive und/oder destruktive Interferenzen der elektromagnetischen Felder erzeugbar sind, welche die Erwärmungsleistung an den Axialabschnitten des Stators oder Ankers eisenspezifisch (Blechpaket) und/oder kupferspezifisch (Wicklung) optimieren.
Erwärmungsvorrichtung (1c, 1d) nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldabschirmbauteile (32, 33; 34, 35) axial unbeweglich sowie koaxial über dem Stator (2) oder dem Anker (3) angeordnet sind.
Erwärmungsvorrichtung (1a; 1b, 1c, 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (8; 18, 21, 24; 70, 80) über einen Koaxialtransformator (56, 57, 58; 59; 60) mit dem zugeordneten Frequenzgenerator (13; 16a, 16b; 19, 22, 25) elektrisch verbunden ist.
Erwärmungsvorrichtung (1a; 1b, 1c, 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (10) eines Axialaktuators (11) über einen Koaxialtransformator (59) mit dem wenigstens einen Radialsteg (9) eines Induktors (8) verbunden ist (Verbindungselement (90)).
Erwärmungsvorrichtung (1c, 1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anordnung mit mehreren Induktoren (18, 21, 24) in der Vorrichtung (1c) im Leitungsbereich zwischen dem Mittelfrequenzinduktor (18) und dem zugeordneten Mittelfrequenzgenerator (19) ein elektrotechnisches Entstörungsmittel (48) angeordnet oder ausgebildet sind, mittels dem elektronische Bauteile des Mittelfrequenzgenerator (19) schützbar sind.
Erwärmungsvorrichtung (1d) nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei axial endseitig an einem Stator (2) wirksame Induktoren als Doppelinduktoren (70, 80) ausgebildet sind, dass diese Doppelinduktoren (70, 80) jeweils zwei zueinander radial versetzt angeordnete, ringförmige oder wendelförmige Spulenkörper (74, 76; 84, 86) aufweisen, an die jeweils eine mittelfrequente oder hochfrequente elektrische Spannung anlegbar ist, von denen der radial innere Spulenkörper (74, 84) hinsichtlich seiner Abmessungen so ausgebildet ist, dass dieser in dem zylindrischen Hohlraum (65) des Stators (2) angeordnet sowie berührungsfrei axial hin und her bewegt werden kann, und von denen der radial äußere Spulenkörper (76, 86) hinsichtlich seiner Abmessungen so ausgebildet ist, dass dieser radial über dem Stator (2) berührungsfrei axial hin und her bewegt werden kann.
Erwärmungsvorrichtung (1d) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass an der radialen Außenseite des radial äußeren Spulenkörpers (76, 86) eines Doppelinduktors (70, 80) ein äußerer Feldkonzentrator (78, 88) angeordnet ist, welcher ein elektromagnetisches Feld nach radial innen sowie axial außen konzentriert, und dass an der radialen Innenseite des radial inneren Spulenkörpers (74, 84) ein innerer Feldkonzentrator (77, 87) angeordnet ist, welcher ein elektromagnetisches Feld nach radial sowie axial außen konzentriert.
Erwärmungsvorrichtung (1d) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch den radial inneren Spulenkörper (74) eines Doppelinduktors (70) ein Bauteil (79) einer Halte- und Antriebsvorrichtung führbar ist, mittels dem der Stator (2) um seine Längsachse (6) drehbar festhaltbar ist.
Erwärmungsvorrichtung (1d) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ringförmigen oder wendelförmigen Spulenkörper (74, 76; 84, 86) des Doppelinduktors (70, 80) in dem gleichen Axialabschnitt oder axial zueinander versetzt angeordnet sind.
Erwärmungsvorrichtung (1d) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden axial endseitigen Doppelinduktoren (70, 80) derartig ausgebildet sind, dass deren radial innere Spulenkörper (74; 84) axial näher an einem dazwischen angeordneten mittleren Induktor (18) angeordnet sind als die jeweiligen radial äußeren Spulenkörper (76, 86).
Imprägniervorrichtung (50), aufweisend - ein Gestell (51), in dem ein Stator (2) oder Anker (3) einer Elektromaschine um seine Längsachse (6, 7) drehbar gelagert aufgenommen werden kann, - eine Zuführeinrichtung (52) zur Zuführung eines flüssigen und unter erhöhter Wärmeeinwirkung aushärtenden Kunstharzes (55) hin zu wenigstens einem axialen Ende (5a, 5b) des Stators (2) oder Ankers (3), und eine Vorrichtung zur Erwärmung des Stators (2) oder Ankers (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsvorrichtung (1a, 1b, 1c) wenigstens einen elektromagnetischen Induktor (8; 18, 21, 24) aufweist, welcher koaxial oder achsparallel zum Stator (2) oder Anker (3) angeordnet ist, und dass der wenigstens eine Induktor (8) oder die mehreren Induktoren (18, 21, 24) zur Erzeugung von wenigstens zwei elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind.
Imprägniervorrichtung (50) mit den Merkmalen des Anspruchs 24 sowie mit Merkmalen von wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24.