DE69736028T2

DE69736028T2 - Gerät und Verfahren zur Herstellung eines nutenlosen Stators

Info

Publication number: DE69736028T2
Application number: DE69736028T
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Sandy Hook Gates
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1997-03-01
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2017-03-02
Also published as: US5829118A; EP0795951A1; DE69736028D1; JP3924036B2; JPH1023720A; EP0795951B1

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Elektromotoren und insbesondere solche Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von nutenlosen und zahnlosen Elektromotoren.
Hochleistungs-Servomotoren in nutenloser Konstruktion sind beispielsweise in US-A-4 679 313, US-A-4 868 970 und US-A-4 954 739 beschrieben. Eine nutenlose Statorwicklungskonstruktion besitzt viele Vorteile gegenüber den herkömmlicheren Konstruktionen mit Nuten und Zähnen. Nutenlose Konstruktionen ohne Zähne zeigen kein wesentliches Ruckeln und erheblich reduziertes Geräusch. Sie besitzen eine niedrige Induktivität und sind daher für Hochfrequenzerregungsschalten und sehr schnellen Betrieb geeignet. Nutenlose Konstruktionen besitzen ein verbessertes Leistungs/Gewicht-Verhältnis und einen hohen Betriebswirkungsgrad. Diese Konstruktionen besitzen keine Zähne und damit keine Zahnsättigungsprobleme. Ferner weisen die nutenlosen Konstruktionen generell eine verringerte Drehmomentwelligkeit und einen gleichmäßigeren Betrieb auf.
Obwohl nutenlose Motorkonstruktionen viele potentielle Vorteile besitzen, waren sie bisher in der Praxis aufgrund von bei der Herstellung auftretenden Schwierigkeiten schwierig zu realisieren. Bekannte Herstellungstechniken umfassen die im US-A-4 563 808. In dem Falle einer herkömmlichen mit Zähnen versehenen Statorkonstruktion werden vorgewickelte Spulen mittels eines Übertragungswerkzeuges auf ein Gestell in einer Platzierungsmaschine übertragen, welche die Spulen in ihre korrekte Position in dem Statorkern schiebt. Bei der herkömmlichen Konstruktion definieren die Zähne die Nutenbegrenzungen und werden von der Platzierungsmaschine genutzt, um die Spulen in ihre korrekte Position zu führen. Das vorstehend erwähnte Patent US-A-4 563 808 beschreibt eine einmalige Befestigung, welche die Platzierungsmaschine mit temporären Zähnen versieht, um die Spulen in Position zu führen. Die Spulen werden durch eine ausdehnbare Hülse an dem Mittelpunkt der Wicklung gehalten, sobald die Platzierungsmaschine entfernt wird.
EP-A-0 226 550 offenbart eine Vorrichtung zum Einführen vorgewickelter Spulen in die Hohlräume eines Stators, die dafür bestimmt ist, eine Wickelspule durch die Öffnungen zwischen benachbarten Zähnen hindurchzuführen, und somit diese um einen ausgewählten Zahn herum zu platzieren.
Sowohl in den früheren mit Nuten versehenen als auch nutenlosen Konstruktionen tendiert die Art der Montagevorrichtung, welche die vorgewickelten Spulen in ihre Lage schiebt, zum Beschränken der Magnetdrahtmenge, die in einem definierten Bereich untergebracht werden kann. Dieses beruht darauf, dass sich die Platzierungswerkzeuge üblicherweise den Schlitzbereich mit dem Magnetdraht teilen müssen. Nutenfüllungen (Verhältnis der Kupferquerschnittsfläche zur Gesamtnutfläche) in der Größenordnung von 30 bis 40% waren oft das maximal erreichbare bei Verwendung eines doppelt isolierten Magnetdrahtes.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.
Das Ausführungsgerät ist einfacher als bei den meisten herkömmlichen Techniken. Die Spulenleiter können genauer par allel zu der Motorachse platziert werden und es können höhere Nutenfüllungen erzielt werden.
Ein von einer nicht haftenden Umhüllung umgebenes (zum Beispiel Teflon-beschichtetes) Übertragungswerkzeug weist eine im allgemeine teleskopartige Struktur auf, und wird gemäß der Erfindung verwendet, um vorgewickelte Spulen in den zylindrischen Statorkern zu übertragen, welcher hierin als eine Statorschale bezeichnet wird. Zurückziehbare Anordnungsstifte erstrecken sich aus einem Ende des Werkzeuges und werden dazu verwendet, lose vorgewickelte Spulen zu positionieren. Spulenführungen werden verwendet, um die Leiter durchzukämmen, sobald das Werkzeug mit den lose positionierten Spulen durch den Statorkern geschoben wird. Wenn sich die Spulen in Position befinden, wobei sich die vorderen Endwindungen auf den Anordnungsstiften über den Statorkern hinaus erstrecken, werden die Anordnungsstifte zurückgezogen, um die vorderen Endwindungen freizugeben. Ein Abstreiferstößel wird dann nach oben geschoben, um die vorderen Endwindungen nach außen aufzudehnen. Das Übertragungswerkzeug wird dann unter Zurücklassung der Spulen und der nicht haftenden Umhüllung durch den Statorkern hindurchgezogen. Die Abschlussoperationen, wie zum Beispiel das Verbinden der Spulenleiter und das Imprägnieren der Wicklung mit einem geeigneten Harz werden dann durchgeführt.
Die nicht haftende Umhüllung kann dann aus der Mitte der Wicklung, falls dies gewünscht ist, entfernt werden.
Einige von den Vorteilen der Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung sind:

(1) durch Verwendung eines kombinierten Werkzeuges für Übertragung und Einsetzung wird ein Schritt in dem Verfahren eliminiert die die Möglichkeit für einen Platzierungsfehler reduziert;
(2) durch Positionieren der Spulen, die die nicht haftende Hülse umgeben, welche nach der Platzierung der Spulen in dem Statorkern verbleibt, wird ein Spulenleiter-Positionierungsfehler weiter reduziert und die Verarbeitung vereinfacht;
(3) durch Verwendung zurückziehbarer Anordnungsstifte, welche sich axial statt radial erstrecken, kann eine Nutfüllung in der Größenordnung von 65% erreicht werden;
(4) die Werkzeugkonstruktion ist in der Lage, relativ kleine Motoren (bis etwa 32 mm Durchmesser) herzustellen, und die Produktionszykluszeit wird verringert, da Bedienerfunktionen vereinfacht werden; und
(5) durch Austauschen von Übertragungswerkzeugen und wenigen anderen Komponenten kann die Vorrichtung leicht verändert werden, um Motoren mit unterschiedlichen Wicklungsmustern, Anzahlen von Polen oder Phasen und/oder Durchmessern und Längen verändert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden vollständiger in der nachstehenden Beschreibung beschrieben, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt und die Zeichnungen enthält, in welchen 1 bis 8 das Übertragungswerkzeug im Querschnitt und den fortschreitenden Ablauf gemäß den Verfahrungsschritten der Erfindung darstellen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das Übertragungswerkzeug 10 ist in verschiedenen Stadien in den 1 bis 8 während der Übertragung vorgewickelter Spulen 12 in einen zylindrischen Statorkern 14 dargestellt. Das Übertragungswerkzeug besitzt eine im Allgemeinen teleskopartige Struktur dergestalt, dass sein Betrieb durch von Scheiben 17, 19, und 21 repräsentierte vertikal verschiebbare Befestigungsbasen gesteuert werden kann. Die Scheiben 17 und 21 sind vom Aufbau her mit einem Linearbetätigungselement, wie zum Beispiel einem Luft/Hydraulik-Zylinderwelle so verbunden, dass sie sich gleichzeitig bewegen. Die Scheibe 19 wird bezüglich der Scheiben 17 und 21 mittels eines zweiten linearen Betätigungselementes bewegt. Der Übertragungswerkzeugdorn 16 ist das Hauptaufbauelement und liegt in der Form eines Zylinders vor, der an der Scheibe 19 mittels eines einfachen Drehverriegelungsverbinders verbunden ist. "Nut"-Begrenzungen definierende Anordnungsstifte 18 sind an dem Dorn 16 befestigt und erstrecken sich von dem Dorn frei verlaufend durch den Abstreifer 20 nach oben. Der Abstreifer 20 besitzt einen Durchmesser gleich dem endgültigen Innendurchmesser des fertig gestellten Stators und ist an einem Stab befestigt, der vertikal durch den Mittelpunkt des Dorns 16 zu dem Endkontakt mit der Scheibe 21 verläuft. Eine zylindrische Hülse 15 mit einem Außendurchmesser gleich dem Innendurchmesser des fertig gestellten Stators gleitet frei über den Dorn 16 und liegt auf der Scheibe 17 auf, wenn sich die Dornanordnung in ihrer Lage befindet. Der Abstreifer 20 liegt auf der Oberseite der Hülse 15 auf. Die Hülse 15 ist bevorzugt ein dünnwandiger Zylinder mit einer Außenbeschichtung aus einem nicht haftenden Material (zum Beispiel Polytetrafluorethylen, wie etwa Teflon), was die Entfernung des Zylinders nach der Fertigstellung und Verbindung der Statorwicklung erleichtert. Die Hülse 15 kann auch ein dünnwandiges isolierendes Material (zum Beispiel Epoxidfaserglas) sein, welches zu einem integrierten Teil der Statorwicklung wird, sobald diese sich in ihrer Lage befindet.
Anordnungsstifte 18 (Anzahl gleich der Anzahl der die Wicklung definierenden "Nuten) sind durch den Abstreifer 20 in 1 sich hindurch erstreckend dargestellt, und die vorgeschriebene Anzahl von Spulen der Wicklung befindet sich in ihrer Lage auf diesen Stiften in ihrer korrekten Beziehung zueinander.
Der Statorkern 14 ist ein Teil des herzustellenden Motors. Der Statorkern 14 besteht aus einem magnetischen Material, bevorzugt laminierten Eisen und stellt einen Magnetflussrücklaufpfad für die Permanentmagnete des Rotors dar. Der Statorkern wird in Position zu der Achse des Übertragungswerkzeugs ausgerichtet durch eine obere Platte 28 gehalten. Spulenführungen 22 sind auf einer Unterseite der Platte 26 montiert, welche ebenfalls auf dem Statorkern zentriert ist. Die Spulenführungen kämmen die Spulen 12 während ihrer Einführung. Die Spulenführungen 22 werden bei einem Gelenk 23 geschwenkt und werden normalerweise durch die Federn 24, in der in 1 dargestellten Position gehalten.
In dem Verfahren der Erfindung werden die Spulen 12 zuerst auf einer herkömmlichen Wickelvorrichtung gemäß der Wicklungsauslegung für den herzustellenden Motor vorgewickelt. Das Übertragungswerkzeug 10, mit der Hülse 15 und dem Abstreifer 20 in ihrer Lage wird zum Übertragen der Spulen auf die in den 1 bis 8 dargestellte Platzierungsvorrichtung verwendet. Die Anzahl von Spulen anordnenden Stiften 18 ist gleich der Anzahl der "Nuten", in welchen die Spulen untergebracht werden. Die vorderen Endwindungen 11 jeder Spule 12 sind um einen anderen Satz von Stiften herum geschlungen, und die Spule ist über die Hülse 15 gemäß Darstellung in 1 hinweg nach unten gezogen. Das geladene Übertragungswerkzeug wird dann in Position auf den Scheiben 17 und 19 platziert und verriegelt. Eine Klemme 30 wird dann geschlos sen, um die Spulen 12 nach innen oder eng um die Hülse 15 gemäß Darstellung in 2 herum auszurichten.
Das Übertragungswerkzeug 10 mit dem Spulen in ihrer Lage wird dann nach oben in die in 3 dargestellte Position gedrückt, wobei sich die vorderen Endwindungen 11 der Wicklung über den Statorkern 14 hinaus erstrecken. Während sich das Übertragungswerkzeug nach oben bewegt, kämmen die Nutführungen 22 die Spulen, so dass die Leiter gerade und parallel zu der Achse sind. Dieser Kämmvorgang platziert die Spulen in ihrer entsprechenden "Nut"-Position. Die Klammer 30 weicht mit dem Vordringen des Übertragungswerkzeuges zurück. Anschließend werden die Anordnungsstifte 18 durch Absenken der Steuerscheibe 19 so zurückgezogen, dass die vorderen Entwicklungen 11 der Wicklung frei sind, wie es in 4 dargestellt ist.
Gemäß Darstellung in 5 arbeitet der Abstreifer 20 dann als ein Stößel, da er nach oben geschoben wird, um die Entwicklungen nach außen zu drücken und die Hülse 15 in ihre Endposition zu bringen. Gemäß Darstellung in 6 werden die Stifte 18 dann durch den Abstreifer 20 hindurch ausgefahren, wobei sie ohne die Spulen sind, da die Scheibe 19 in ihrer Ausgangsposition bezüglich der Scheibe 17 und 21 zurückgezogen worden ist.
Nachdem sich die Wicklung in ihrer Lage befindet, wird das Übertragungswerkzeug von den Steuerscheiben entkoppelt und aus der Hülse 15 gezogen, was die Hülse, den Statorkern und die Wicklung, wie in 7 dargestellt hinterlässt. Anschließend werden die Hülse, die Wicklung und der Statorkern gemäß Darstellung in 8 entfernt. Die abschließenden Operationen werden danach durchgeführt und umfassen das Verbinden der Spulen, das Imprägnieren der Wicklung mit einem geeigneten Harz und das Einbauen des Rotors und des Motorgehäu ses. Das lineare Betätigungselement führt die Scheiben 17, 19 und 21 in die Ausgangsposition zurück.
Eine Variante des vorstehenden Verfahrens besteht in der Verwendung eines kleberbeschichteten Drahtes, so dass die Spulenleiter klebend an benachbarten Leitern befestigt werden können. Mit dieser Anordnung bilden die Spulen eine selbsttragende Struktur, welche die korrekte Ausrichtung der Leiter während des Übertragungsprozesses beibehält.
Gemäß Darstellung in den 1 bis 8 bewegen sich die Scheiben 17 und 21 immer zusammen und können daher kombiniert und von nur einem einzigen Betätigungselement gesteuert werden. Die Scheibe 19 bewegt sich im Bezug auf die Scheiben 17 und 21, und wird daher von einem getrennten Betätigungselement gesteuert.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines nutenlosen, zahnlosen Stators, für eine elektrische Maschine, wobei die Wicklungsspulen an dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sind, die eine zylindrische Statorschale (14) und auf der zylindrischen Innenoberfläche der Statorschale platzierte und daran befestigte Wicklungspulen (12) aufweist, mit den Schritten der Bereitstellung vorgewickelter Wickelspulen (12); Anordnen und temporäres Sichern und Befestigen der vorgewickelten Wicklungsspulen auf einem zylindrischen Übertragungswerkzeug (10); Anordnen des Übertragungswerkzeuges (10) mit den temporär gesicherten Wicklungsspulen (12) innerhalb der zylindrischen Statorschale (14); Platzieren der vorgewickelten Wickelspulen auf der zylindrischen Innenoberfläche der Statorschale und Entfernen des zylindrischen Übertragungswerkzeuges (10), wobei die Wicklungsspulen auf der zylindrischen Innenoberfläche der Statorschale zurückbleiben, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Bereitstellen des Übertragungswerkzeugs (10) mit zurückziehbaren Anordnungsstiften (18) an einem Ende; Anordnen der vorgewickelten, vorgeformten Wicklungsspulen (12) auf den Anordnungsstiften (18) des Übertragungswerkzeuges (10); Bewegen des Übertragungswerkzeugs (10) mit den Wicklungsspulen (12) darauf durch eine untere Platte (26), wobei die Statorschale (14) und eine obere Platte (28), die zylindrische Statorschale (14) in einer Position aus gerichtet auf der Achse des Übertragungswerkzeugs (10), des zylindrischen Hohlraums der Statorschale (14) und der Bodenplatte (26) halten, wobei Spulenführungen (22) auf der Unterseite der Platte (26) befestigt sind; Verwenden der Spulenführungen (22) der unteren Platte (26) zum Kämmen der Spule (12), während sie durch die Schale (14) bewegt wird, so dass innerhalb der Statorschale (14) lokalisierte Abschnitte der Spulen (12) zwischen den Endwindungen (11) der Wicklungsspulen im wesentlichen parallel sind; und Zurückziehen der Anordnungsstifte (18), nachdem die Wicklungsspulen (12) innerhalb der Statorschale (14) angeordnet sind; Bewirken, dass sich die Endwindungen (11) des Anordnungsstiftes (18) des Übertragungswerkzeuges (10) nach außen aufweiten; und Entfernen des Übertragungswerkzeugs (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt der Entfernung der vorgewickelten Wicklungsspulen (12) von den Anordnungsstiften (18) mittels eines Abstreifers (20) umfasst, der an einem Ende des Übertragungswerkzeugs (10) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungswerkzeug (10) eine teleskopartige Struktur in der Weise besitzt, dass das Zurückziehen der Anordnungsstifte und das Ausfahren des Abziehers von einem Ende des Übertragungswerkzeuges aus gesteuert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungswerkzeug (10) mit einer nicht haftenden Hülse (15) vor der Anordnung der vorgewickelten, vorgeformten Wicklungsspulen (12) auf den Anordnungsstiften (18) des Übertragungswerkzeugs (10) versehen wird; die Wicklungsspulen (12) mit der Hülse auf der Innenoberflä che der Statorschale übertragen und platziert werden und das Übertragungswerkzeug entfernt wird, was die Wicklungsspulen und die Hülse in ihrer Lage in dem Statorkern hinterlässt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsspulen (12) mit einem Harz vor dem Entfernen der Hülse imprägniert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsspulen (12) ohne Entfernung der Hülse imprägniert werden, wobei die Wicklungsspulen und die Hülse ein integriertes Teil des Stators werden.
Vorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung eines nutenlosen, zahnlosen Stators eines Elektromotors, wobei die Statorwicklung aus vorgewickelten Spulen (12) besteht, die zwischen der zylindrischen Innenoberfläche einer Statorschale (14) und einem mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor angeordnet werden, wobei die Vorrichtung ein Übertragungswerkzeug (10) und Spulenführungen (22) aufweist, wobei das Übertragungswerkzeug (10) Einrichtungen zum Anordnen der vorgewickelten Wicklungsspulen auf ihrer zylindrischen Oberfläche, Übertragen der Wicklungsspulen auf zylindrischen Innenoberfläche der Statorschale (14) durch Einführen des Übertragungswerkzeuges (10) in die zylindrische Öffnung der Statorschale, Platzieren der Windungswicklungen auf der zylindrischen Oberfläche der Statorschale und zum Entfernen des Übertragungswerkzeuges nach der Platzierung der Wicklungsspulen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungswerkzeug (10) aufweist: zurückziehbare Anordnungsstifte (18) an einem Ende zum Anordnen der vorgewickelten vorgeformten Wicklungsspulen (12) auf seiner Oberfläche; und eine Einrichtung zum Zurückziehen der Anordnungsstifte (18) nach dem Platzieren und Anordnen der Wicklungsspulen auf der Innenoberfläche der Statorschale, so dass das Übertragungswerkzeug entfernt werden kann, wobei die Spulenführungen (22) angeordnet sind, um zum Kämmen der Wicklungsspulen während der Einführung des Übertragungswerkzeugs in die zylindrische Öffnung der Statorschale aktiviert zu werden, so dass Abschnitte der innerhalb der Zylinderöffnung der Statorschale angeordnete Wicklungsspulen zwischen den Endwindungen (11) im wesentlichen parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstreifer (20) an einem Ende des Übertragungswerkzeuges zum Entfernen der Wicklungsspulen (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungswerkzeug (10) eine teleskopartige Struktur in der Weise aufweist, dass das Zurückziehen der Anordnungsstifte und das Ausfahren der Abstreifeinrichtung von einem Ende des Übertragungswerkzeuges aus gesteuert werden können.