EP4635057A1 - Verfahren zur umformung und einbringung einer wicklung in einen rotor- oder statorkörper - Google Patents

Verfahren zur umformung und einbringung einer wicklung in einen rotor- oder statorkörper

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Publication number
EP4635057A1
EP4635057A1 EP23813276.5A EP23813276A EP4635057A1 EP 4635057 A1 EP4635057 A1 EP 4635057A1 EP 23813276 A EP23813276 A EP 23813276A EP 4635057 A1 EP4635057 A1 EP 4635057A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
rotor
stranded wire
sections
stator
Prior art date
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Pending
Application number
EP23813276.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian SELL-LE BLANC
Fabian Oehler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4635057A1 publication Critical patent/EP4635057A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/20—Shaping or compacting conductors or winding heads after the installation of the winding in the cores or machines; Applying fastening means on winding heads
    • H02K15/24—Shaping or compacting winding heads
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/04—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings prior to their mounting into the machines
    • H02K15/043—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings prior to their mounting into the machines winding flat conductive wires or sheets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, moulding insulation, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H02K3/14—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots with transposed conductors, e.g. twisted conductors

Definitions

  • the invention relates to a method for forming a winding and introducing the winding into a rotor or stator body.
  • Continuous copper coil windings are used to equip rotors or stators.
  • the disadvantage is a larger winding head and higher strand resistance compared to concentrated winding.
  • flat wire windings are often used. These consist of solid conductor wires with a rectangular cross-section, which often enable optimal use of the slot cross-section available in the rotor or stator. At high frequencies of the conductor current, however, current displacement effects (skin effect, proximity effect) mean that the conductor cross-section is no longer fully utilized, thus causing additional ohmic losses.
  • EP 3 934 067 A1 discloses a winding of an electrical machine which comprises a profiled stranded wire with a rectangular cross-section. Due to the large number of electrically insulated, comparatively thin individual wires of the profiled stranded wire, the current displacement effect and the associated losses are reduced.
  • Wave windings consist of a number of interwoven conductor wires that are bent several times in opposite directions, so that parallel straight wire sections or wire webs of the conductor wires, which are intended to fill the slots of stator or rotor bodies, are connected by roof-like winding heads that protrude beyond the front of the rotors or stators produced.
  • a flat and rotatable winding template and a wire handling device can be used to produce the wave winding as an initially flat winding mat.
  • DE102015120963A1 describes an example of a method for producing wave windings.
  • a magazine can be designed, for example, as an elongated linear magazine. It preferably has several receptacles for the conductor wires in the longitudinal direction. Alternatively, a magazine can also be designed as a rotary magazine. The receptacles are each formed between two webs, resulting in groove-shaped receiving spaces. In the case of a linear magazine, these groove-shaped receiving spaces often run perpendicular to the longitudinal direction in a width direction of the linear magazine.
  • a linear magazine usually has a greater length in the longitudinal direction than the width in the width direction of the linear magazine.
  • the winding mat can be compressed in the magazine and safely transferred from the manufacturing process step to a further process step in which the winding mat is drawn into a rotor or stator body.
  • a magazine is intended to ensure that the individual wires of the winding mat and in particular the straight wire sections of the winding mat intended for drawing into grooves are not displaced against one another during handling and compression. If a wave winding as described above is inserted into a magazine and in particular into a linear magazine, it results that in a start area and an end area of the wave winding only individual conductor wires lie in the slots of the linear magazine, whereby in a partial area of the linear magazine several Conductor wires can lie on top of each other in the grooves of the linear magazine.
  • the present invention is concerned with the optimization of a wave winding which is to be drawn into a rotor or stator as a coil winding.
  • rotors or stators Due to the essentially cylindrical shape of rotors or stators, rotors or stators have grooves which either have parallel groove flanks. Alternatively, these are designed in such a way that the tooth flanks of the teeth arranged between the grooves are parallel.
  • conical or trapezoidal groove cross sections result when viewed in cross section or axially in relation to the axis of rotation of the rotor or stator.
  • An advantage of this latter embodiment is that the magnetic resistance of each tooth is the same when viewed in the radial direction.
  • the slots are filled, it is desirable to achieve the highest possible filling factor, i.e. that the slots should be filled as completely as possible with the conductor wires in order to use the available installation space as completely as possible for electromagnetically relevant components (conductor wires).
  • the slots should be filled as completely as possible with the conductor wires in order to use the available installation space as completely as possible for electromagnetically relevant components (conductor wires).
  • US 2016 / 0 056 696 A1 discloses a method in which straight sections of a wave winding are inserted into receptacles of a magazine and are molded to the receptacles by reshaping the conductor wires.
  • the invention is based on the object of enabling a compact design of a stator or rotor of an electrical machine with advantageous electromagnetic properties.
  • the object is achieved with a method having the features of claim 1, a stator having the features of claim 11 and a rotor having the features of claim 12.
  • Embodiments of the invention can be found in the dependent claims.
  • the method according to the invention serves to form and insert a winding into a rotor or stator body of an electrical machine equipped with slots.
  • a stranded wire is first provided.
  • the stranded wire is preferably provided in the form of a twisted stranded wire in which the individual, electrically insulated strands have a twist.
  • the advantage of such a twist is that the individual strands continuously change their position in relation to the cross-sectional area of the conductor bundle over the axial extension of a conductor bundle formed into a stranded wire.
  • a strand arranged centrally at one axial point is positioned at another axial point in the outer area of the conductor bundle and can thus transfer the heat generated in the strand to the groove flanks of the rotor or stator.
  • the twist contributes to improved thermal conductivity compared to a conductor bundle with wires arranged in parallel.
  • the strand structure can have either a single stranding or twisting step of a stranded wire or a multi-stage structure with several stranding and twisting steps, which then differ in the twisting direction of the individual or stranded wire and the entire strand.
  • the particularly twisted stranded wire is then preformed into the winding, wherein the straight sections of the stranded wire are connected via bent winding head sections of the stranded wire to form a wave or loop winding.
  • the preformed winding is then inserted into the rotor or stator body.
  • the straight sections lie in the slots while the winding head sections of the winding protrude from the axial end faces of the rotor or stator body.
  • the invention is based on the finding that in a stator or rotor with distributed winding and a structure according to the invention made of a stranded wire, there is a considerable potential for reducing the axial length.
  • a distributed winding has a greater axial load, i.e. in the area of the front winding heads, than a concentrated winding.
  • flat wire windings or bar windings which have a comparatively high rigidity, are often used, particularly for high-performance electrical machines such as those used for traction drives in electromobility, for example with a continuous output of > 50 kW.
  • the winding heads are pre-formed during the production of the flat winding mat.
  • the formability of the winding heads is only possible to a very limited extent, since the high rigidity of the conductors would require very high bending forces, which, among other things, poses the risk of damaging the winding insulation.
  • the inventive design of the winding based on a stranded wire enables the winding head sections to be compacted after the winding has been introduced into the rotor or stator body. This is due to the significantly higher flexibility of the stranded wires.
  • the final compaction step greatly reduces the axial projection of the winding heads, making it possible to provide an electrical machine with distributed winding and a significantly reduced axial length compared to the prior art.
  • the stranded wire is provided as a profiled stranded wire, e.g. with a rectangular cross-section, a very large slot filling factor can be achieved.
  • the stranded wire can already be pre-configured as a profiled stranded wire or alternatively can be formed into the desired profile in a magazine with corresponding slot-shaped holders.
  • the straight wire sections of the stranded wires are pressed into the receptacles of the magazine, whereby the straight wire sections are reshaped and the stranded wires with the straight wire sections are molded onto the receptacles.
  • the magazine is designed as a linear magazine.
  • the magazine is designed as a rotary magazine.
  • the method described above has the advantage that the magazine with its receptacles serves as a type of template for forming the stranded wire winding.
  • the respective receptacles of the magazine preferably have the same cross-section as the slots of the rotor or stator into which the winding is drawn after forming and removal from the magazine.
  • the stranded wires are formed in the receptacles to form a substantially conical cross-section.
  • This is particularly advantageous when the tooth flanks of the rotor or stator, which is intended for the winding, are parallel.
  • the parallel nature of the tooth flanks has the advantage that the magnetic conductance of the tooth flanks remains essentially constant along their radial extension. Due to the parallel tooth flanks, the slot flanks in a substantially cylindrical rotor or stator body are not parallel, resulting in a substantially trapezoidal slot cross-section.
  • the winding can then be rolled spirally before being inserted into the rotor or stator body, inserted axially into the rotor or stator body and expanded radially into the slots of the rotor or stator body.
  • Such a method is particularly suitable for a stator of an internal rotor machine or a rotor of an external rotor machine.
  • an embodiment of the invention is also advantageous in which the winding is introduced into a segmented stator or rotor body.
  • the individual segments can be brought into engagement with a winding mat that has been rolled essentially to its final outer diameter and then connected to one another.
  • the winding heads are compacted, which is particularly effective when using the stranded wire.
  • the winding head sections are pressed axially against the rotor or stator body using a compacting press.
  • a support finger can be mounted on each stator tooth to protect a slot projection of a slot insulation during the pressing process. This prevents damage to the slot insulation during the pressing process.
  • the support fingers also protect the wire insulation from damage during pressing.
  • a forming tool is arranged to enclose the winding head sections, a radial spreading of the winding head sections during the pressing process can be limited and thus the radial installation space of the machine can be kept as compact as possible.
  • compacting of the winding head sections in the radial direction in addition to the axially directed compacting is achieved by using a compacting press for axial pressing, which has bevels through which the winding head sections are pressed radially outwards, while the compacting press is moved axially in the direction of the rotor or stator package.
  • baking of the winding to fix the winding is carried out as an optional step after compacting the winding head sections to reduce the axial overhang.
  • a material bond is made by baking the wires using a baking varnish. This baking varnish is usually thermally activated and liquefies.
  • the baked varnish is typically a layer of special varnish that is applied during the production of individual strands or individual wires.
  • Fig. 1 A, B a schematic representation of the process sequence for two different variants of forming the stranded wires in a linear magazine
  • Fig. 2 a schematic partial representation of a top view of the linear magazine with an inserted wave winding
  • Fig. 3 a schematic partial axial sectional view of a part of a wave winding drawn into a rotor or stator body
  • Fig. 4 a schematic sectional view of a stator body with inserted wave winding
  • Fig. 5 a schematic sectional view of the stator body with inserted wave winding during compaction of the winding heads with a first embodiment of a compaction press
  • Fig. 6 a schematic sectional view of the stator body with inserted wave winding after compacting the winding heads 24 with the first embodiment of the compacting press 40;
  • Fig. 7 another schematic sectional view of a stator body with inserted wave winding
  • Fig. 8 a schematic sectional view of the stator body with inserted wave winding during compaction of the winding heads 24 with a second embodiment of a compaction press 40;
  • Fig. 9 a schematic sectional view of the stator body with inserted wave winding after compacting the winding heads 24 with the second embodiment of the compacting press 40;
  • Fig. 10A and 10B a side view of the winding heads before and after compacting
  • Fig. 11A, B and C a side view of the winding heads during rotation of the compacting press during the pressing process.
  • Figure 1 shows a receptacle 12 with straight wire sections 22, 22', 22", 22'" of a winding 20 designed as a wave winding. It can be seen from Figure 2 that a linear magazine 10 has several such receptacles 12 along its longitudinal direction L.
  • Figure 1 A and Figure 1 B each show a schematic representation of the process sequence for two different variants of forming stranded wires 25 in the linear magazine 10.
  • straight wire sections 22, 22', 22", 22'" of the stranded wires 25 of the winding 20 are first inserted into a linear magazine 10.
  • the linear magazine For this purpose, magazine 10 has receptacles 12, wherein the receptacles 12 are delimited in the longitudinal direction L of the linear magazine by webs 14, 14'.
  • the receptacles 12 have an opening 16 through which the straight wire sections 22, 22', 22", 22'" can be inserted into the receptacles 12, so that the straight wire sections 22, 22', 22", 22'” lie in the receptacles 12 perpendicular to the longitudinal direction L of the linear magazine, i.e. in a width direction B.
  • the receptacle 12 has a receiving space with a conical cross-section, wherein the width of the receptacle 12 in the region of the opening 16 of the receptacle 12 is greater than in a lower region of the receptacle 12.
  • the stranded wires 25 with their straight sections 22, 22', 22", 22'" are inserted into the receptacle 12, wherein the wire width 26 essentially corresponds to the width of the receptacle 12 in the upper region and the width of the receptacle 12 decreases with increasing depth of the receptacle and is smaller than the wire width 26.
  • step 2) the wave winding with its straight wire sections 22, 22', 22", 22'" located in the receptacles 12 of the linear magazine 10 is pressed by means of a pressing tool 30, whereby the stranded wires 25 are reshaped and the stranded wires 25 with their straight wire sections 22, 22', 22", 22'" are formed onto the receptacles 12 and in particular onto the webs 14, 14'.
  • a wire width of 26 was chosen, which corresponds approximately to the average width of the holder 12. This means that after the Pressing achieves the lowest possible degree of deformation on average across all deformations of the conductor wires 25, whereby the insulation of the stranded wires 25 is subjected to little stress.
  • the lower straight wire section 22' is compressed in the direction of the receiving width or in the longitudinal direction L of the linear magazine 10, and the upper wire section 22 is stretched in the direction of the receiving width or in the longitudinal direction L of the linear magazine 10.
  • the width of the holder 12 or the extension of the holder in the longitudinal direction L of the linear magazine was selected such that the wire width 26 is smaller than or equal to the smallest width of the tapered holder 12. This results in all straight wire sections 22, 22' being stretched in the longitudinal direction L of the linear magazine 10. There is no displacement of the straight wire sections 22, 22' perpendicular to this, which advantageously prevents any insulation damage.
  • step 3 the final state of the formed stranded wires 25 is shown in the linear magazine 10.
  • the conductor wires 25 or the wave winding 20 are removed from the linear magazine 10 and transferred into a pulling-in tool or into a rotor or stator body 100.
  • the expert recognizes that more than two layers of straight wire sections 22, 22', 22", 22'” can be placed in the respective holder 12 of the linear magazine 10.
  • the pressing takes place in step 2) with a suitable th pressing tool 30, which engages in the receptacles 12 and there effects the deformation of the straight wire sections 22, 22', 22", 22'” or conductor wires 25 by shaping them onto the webs 14, 14' of the receptacles 12.
  • the deformation can take place for all receptacles 12 (in Fig.
  • Figure 2 shows a schematic partial representation of a top view of the linear magazine 10 with the inserted winding 20 in its design as a wave winding.
  • the wave winding with the straight wire sections 22 of the conductor wires lies in the receptacles 12 of the linear magazine 10.
  • the receptacles 12 are each delimited by webs 14, 14'.
  • the respective straight wire sections 22 are adjoined by winding heads 24 of the wave winding, which in this embodiment lie outside the receptacles 12 and outside the linear magazine 10.
  • the winding heads 24 lie outside the receptacles 12 in the width direction B of the linear magazine 10.
  • FIG. 3 shows a schematic partial axial sectional view of a part of the winding 20 drawn into a rotor or stator body 100.
  • the winding 20 is drawn into a slot 102 here, the slot 102 being delimited on both sides by teeth 106, 106' with parallel tooth flanks 108, 108', resulting in a radially different slot width which, in the embodiment shown, increases with increasing radius.
  • the slot 102 is delimited radially outwards by a slot base 104 and radially inwards by yoke sections 107, 107' of the teeth 106, 106'.
  • the wave winding almost completely fills the slot 102 with the straight wire sections 22, 22', 22", 22'" formed according to the method described above.
  • not only two layers of stranded wires 25, but four layers of stranded wires 25 or straight wire sections 22, 22', 22", 22'" are drawn into a groove 102 of a rotor or stator body 100.
  • these four layers may each have been formed in the receptacles 12 of the linear magazine 10, or the wave winding was formed in two layers, with the winding 20 then being drawn into the essentially cylindrical rotor or stator body 100 in two revolutions.
  • the forming in the linear magazine 10 must then take place according to the later position in the rotor or stator body, with the receptacle geometry changing accordingly along the longitudinal direction L of the linear magazine 10 in order to be adapted to the radially changing groove cross-section of the rotor or stator body 100.
  • the linear magazine 10 can have a fixed geometry, or within a certain framework have movable or exchangeable webs 14, 14' or boundaries of the receptacles 12.
  • Figure 4 shows a schematic sectional view of a stator body 100 with inserted wave winding.
  • the straight wire sections (22, 22', 22", 22'") of the stranded wires 25 lie in the grooves 102 of the stator body and winding heads 24 protrude axially above the stator body 100 by a height h1.
  • Figure 5 shows a schematic sectional view of the stator body 100 with inserted wave winding during compaction of the winding heads 24 with a first version of a compaction press 40.
  • a forming tool 42 designed as an open diameter ring is arranged radially enclosing the winding heads 24 as well as support fingers 41.
  • a support finger 41 is mounted on each stator tooth.
  • the support fingers 41 set the bending area of the winding head 24 at a defined distance from the stator body 100, so that the slot insulation on the stator body 100 is prevented from bending.
  • the compacting press 40 is moved axially towards the stator body so that the winding heads 24 are compressed from the first height h1 to the second height h2. This final state is shown in Figure 6.
  • Figure 7 shows a further schematic sectional view of a stator body 100 with inserted wave winding and axially protruding winding heads. In addition to the initial height h1 of the winding heads 24, the radial initial width w1 is shown.
  • Figure 8 shows a schematic sectional view of the stator body 100 with inserted wave winding during compaction of the winding heads 24 with a second version of a compaction press 40.
  • This second version of the compaction press 40 has bevels 43 which, when the compaction press 40 is pressed axially against the stator body 100, not only cause axial compression but also radial compression of the winding heads 24.
  • Figure 9 shows that at the end of the compaction process, the winding heads have reduced both in terms of their axial extension (from h1 to h2) and in terms of their radial extension (from w1 to w2).
  • Figures 10A and 10B show a side view of the winding heads before and after a more compact one.
  • Figures 11A, 11B and 11C show a side view of the winding heads 24 during a rotation of the compacting press 40 during the pressing process.
  • the conductor profile in the winding head 24 can be modified in such a way that its axial extension is reduced even further.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung einer Wicklung (20) und Einbringung der Wicklung (20) in einen Rotor- oder Statorkörper (100). Um eine kompakte Bauweise eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine mit vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften zu ermöglichen, werde folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen: • Vorformen eines Litzendrahtes (25) zu der Wicklung derart, dass gerade Abschnitte (22, 22', 22", 22'") des Litzendrahtes (25) über gebogene Wickelkopfabschnitte (24) des Litzendrahtes (25) zu einer Wellen- oder Schleifenwicklung verbunden werden, • Einbringen der Wicklung in den Rotor- oder Statorkörper (100) derart, dass die geraden Abschnitte in den Nuten (102) zu liegen kommen und die Wickelkopfabschnitte (24) der Wicklung an axialen Stirnflächen des Rotor- oder Statorkörpers (100) überstehen und • Kompaktieren der Wickelkopfabschnitte (24), so dass ihr axialer Überstand reduziert wird.

Description

Verfahren zur Umformung und Einbringung einer Wicklung in einen Rotor- oder Statorkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung einer Wicklung und Einbringung der Wicklung in einen Rotor- oder Statorkörper.
Bei der Bestückung von Rotoren oder Statoren werden durchgängige Spulenwicklungen aus Kupfer eingesetzt. Man unterscheidet konzentrierte und verteilte Wicklungen. Letztere zeichnen sich durch einen annähernd sinusförmigen Verlauf des magnetischen Feldes im Luftspalt aus, was sich positiv auf den Drehmomentverlauf der Maschine auswirkt. Nachteilhaft ist hingegen ein im Vergleich zur konzentrierten Wicklung vergrößerter Wickelkopf und höherer Strangwiderstand.
Insbesondere bei elektrischen Maschinen große Leistung werden häufig sogenannte Flachdrahtwicklungen eingesetzt, die aus massiven Leiterdrähten mit rechteckigem Querschnitt bestehen, die häufig eine optimale Ausnutzung des im Rotor oder Stator verfügbaren Nutquerschnittes ermöglichen. Bei hohen Frequenzen des Leiterstromes führen jedoch Stromverdrängungseffekte (Skineffekt, Proximityeffekt) dazu, dass der Leiterquerschnitt nicht mehr vollständig ausgenutzt wird und somit zusätzliche ohmsche Verluste entstehen.
Aus EP 3 934 067 A1 ist in diesem Zusammenhang eine Wicklung einer elektrischen Maschine bekannt, die einen profilierten Litzendraht mit rechteckigem Querschnitt umfasst. Aufgrund der Vielzahl elektrisch voneinander isolierter, vergleichsweise dünner Einzeladern des profilierten Litzendrahtes reduzieren sich der Stromverdrängungseffekt und die damit verbundenen Verluste.
Verteilte Wicklungen für elektrische Maschinen werden häufig als flache Wickelmatten in Form von Wellenwicklungen oder Schleifenwicklungen hergestellt und anschließend in Nuten von Statoren oder Rotoren eingezogen. Wei- lenwicklungen bestehen aus einer Anzahl miteinander verflochtener Leiterdrähte, die mehrfach gegenläufig umgebogen werden, so dass parallel zueinander liegende gerade Drahtabschnitte bzw. Drahtstege der Leiterdrähte, die zum Ausfüllen der Nuten von Stator- oder Rotorkörpern bestimmt sind, durch dachartige Wicklungsköpfe verbunden sind, die stirnseitig über die hergestellten Rotoren oder Statoren überstehen. Zur Herstellung der Wellenwicklung als zunächst flache Wickelmatte kann eine flache und drehbare Wickelschablone sowie eine Drahthandhabungsvorrichtung zum Einsatz kommen.
DE102015120963A1 beschreibt beispielhaft ein Verfahren zum Herstellen von Wellenwicklungen.
Nachdem die flache Wickelmatte auf einer Wickelschablone hergestellt worden ist, kann sie von dieser abgestreift und in ein Magazin überführt werden. Ein Magazin kann beispielsweise als längliches Linearmagazin ausgebildet sein. Es weist hierbei vorzugsweise in der Längsrichtung mehrere Aufnahmen für die Leiterdrähte auf. Alternativ kann ein Magazin auch als Rotationsmagazin ausgebildet sein. Die Aufnahmen sind jeweils zwischen zwei Stegen ausgebildet, wodurch sich nutförmige Aufnahmeräume ergeben. Diese nutförmigen Aufnahmeräume verlaufen Im Falle eines Linearmagazins häufig senkrecht zu der Längsrichtung in einer Breitenrichtung des Linearmagazins. Üblicherweise weist ein Linearmagazin in der Längsrichtung eine größere Länge auf, als die Breite in der Breitenrichtung des Linearmagazins beträgt. In dem Magazin kann die Wickelmatte verdichtet werden und sicher von dem Prozessschritt des Herstellens an einen weiteren Prozessschritt überführt werden, in dem die Wickelmatte in einen Rotor- oder Statorkörper eingezogen wird. Ein Magazin soll sicherstellen, dass die Einzeldrähte der Wickelmatte und insbesondere die für den Einzug in Nuten vorgesehenen geraden Drahtabschnitte der Wickelmatte während der Handhabung und der Verdichtung nicht gegeneinander verschoben werden. Wenn eine, wie oben beschriebene Wellenwicklung in ein Magazin und insbesondere in ein Linearmagazin eingelegt wird, ergibt sich, dass in einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Wellenwicklung nur einzelne Leiterdrähte in den Nuten des Linearmagazins einliegen, wobei in einem Teilbereich des Linearmagazins auch mehrere Leiterdrähte übereinander in den Nuten des Linearmagazins einliegen können.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Optimierung einer Wellenwicklung, welche als Spulenwicklung in einen Rotor oder Stator eingezogen werden soll. Wegen der im Wesentlichen zylindrischen Form von Rotoren oder Statoren weisen Rotoren oder Statoren Nuten auf, die entweder parallele Nutflanken haben. Alternativ sind diese derart ausgebildet, dass die Zahnflanken der zwischen den Nuten angeordneten Zähnen parallel sind. In letzterem Fall ergeben sich im Querschnitt oder axial in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors oder Stators gesehen Konus- oder trapezförmige Nutquerschnitte. Ein Vorteil dieser letztgenannten Ausführungsform liegt darin, dass der magnetische Widerstand eines jeden Zahnes in Radialrichtung betrachtet gleich ist.
Im Falle einer Befüllung der Nuten ist es wünschenswert einen möglichst hohen Füllfaktor zu erreichen, d.h., dass die Nuten möglichst vollständig mit den Leiterdrähten gefüllt werden sollen, um den zur Verfügung stehenden Bauraum möglichst vollständig für elektromagnetisch relevante Bauteile (Leiterdrähte) zu verwenden. In diesem Zusammenhang ist aus der
US 2016 / 0 056 696 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem gerade Abschnitte einer Wellenwicklung in Aufnahmen eines Magazins eingesetzt und durch Umformen der Leiterdrähte an die Aufnahmen angeformt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Bauweise eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine mit vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 , einem Stator mit den Merkmalen nach Anspruch 11 und einen Rotor mit den Merkmalen nach Anspruch 12. Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Umformung und Einbringung einer Wicklung in einen mit Nuten bestückten Rotor- oder Statorkörper einer elektrischen Maschine.
In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst ein Litzendraht bereitgestellt. Der Litzendraht wird vorzugsweise in Form eines verdrillten Litzendrahtes bereitgestellt, bei dem die einzelnen, voneinander elektrischen isolierten Adem einen Drall aufweisen. Vorteil eines solchen Dralls ist es, dass die einzelnen Adern über die axiale Ausdehnung eines zum Litzendraht geformten Leiterbündels kontinuierlich ihre Position bezüglich der Querschnittsfläche des Leiterbündels verändern. Eine an einer axialen Stelle zentral angeordnete Ader ist an einer anderen axialen Stelle im Außenbereich des Leiterbündels positioniert und kann somit die in der Ader entstehende Wärme an die Nutflanken des Rotors bzw. Stators abgeben. Auf diese Art und Weise trägt der Drall zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu einem Leiterbündel mit parallel angeordneten Drähten bei. Der Litzenaufbau kann sowohl einen einzelnen Verseil bzw. Drallschritt einer Würgelitze oder einen mehrstufigen Aufbau mit mehreren Verseil- und Verdrallschritte aufweisen, die sich dann in der Verdrallrichtung von Einzel- bzw. Würgelitze und Gesamtlitze unterscheiden.
Der insbesondere verdrillte Litzendraht wird im Anschluss zu der Wicklung vorgeformt, wobei die geraden Abschnitte des Litzendrahtes über gebogene Wickelkopfabschnitte des Litzendrahtes zu einer Wellen- oder Schleifenwicklung verbunden werden.
Anschließend wird die so vorgeformte Wicklung in den Rotor- oder Statorkörper eingebracht. Hierbei kommen die geraden Abschnitte in den Nuten zu liegen während die Wickelkopfabschnitte der Wicklung an axialen Stirnflächen des Rotor- oder Statorkörpers überstehen.
Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Stator oder Rotor mit verteilter Wicklung und erfindungsgemäßem Aufbau aus einem Litzendraht ein erhebliches Potential zur Reduktion der axialen Baulänge be- steht. Grundsätzlich trägt eine verteilte Wicklung axial, das heißt im Bereich der stirnseitigen Wickelköpfe, weiter auf als eine konzentrierte Wicklung. In der Regel werden insbesondere bei elektrischen Maschinen höherer Leistung wie sie beispielsweise für Traktionsantriebe in der Elektromobilität eingesetzt werden, also beispielsweise mit einer Dauerleistung > 50 kW, häufig Flachdrahtwicklung bzw. Stabwicklungen verwendet, die eine vergleichsweise hohe Steifigkeit aufweisen. Bei derartigen Wicklungen werden die Wickelköpfe bereits bei der Herstellung der flachen Wicklungsmatte vorgeformt. Nach dem Einsetzen der Wicklungsmatte in den Stator oder Rotor ist die Umformbarkeit der Wickelköpfe nur sehr eingeschränkt möglich, da die hohe Steifigkeit der Leiter hierfür sehr hohen Biegekräfte verlangen würde, durch die unter anderem die Gefahr der Beschädigung der Wicklungsisolation besteht.
Hingegen ermöglich die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wicklung auf Grundlage eines Litzendrahtes ein Kompaktieren der Wickelkopfabschnitte, nachdem die Wicklung in den Rotor- oder Statorkörper eingebracht wurde. Dies ist auf die deutlich höhere Flexibilität der Litzendrähte zurückzuführen. Durch den abschließenden Kompaktierungsschritt wird der axiale Überstand der Wickelköpfe stark reduziert, so dass es gelingt, eine elektrische Maschine mit verteilter Wicklung und im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduzierter axialer Baulänge bereitzustellen.
Wenn der Litzendraht als profilierter Litzendraht, z.B. mit rechteckförmigem Querschnitt, bereitgestellt wird, kann ein sehr großer Nutfüllfaktor erzielt werden. Der Litzendraht kann bereits als profilierter Litzendraht vorkonfiguriert sein oder alternativ in einem Magazin mit entsprechenden schlitzförmigen Aufnahmen zum dem gewünschten Profil umgeformt werden.
Vor dem Einbringen der Wicklung in den Rotor- oder Statorkörper können folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
• Einsetzen der Wicklung in ein Magazin, wobei die geraden Abschnitte des Litzendrahtes in schlitzförmige Aufnahmen des Magazins eingefügt werden, Pressen der Litzendrähte in den Aufnahmen des Magazins, wodurch die Litzendrähte an die Aufnahmen angeformt werden.
Insbesondere erfolgt das Pressen der geraden Drahtabschnitte der Litzendrähte in den Aufnahmen des Magazins, wodurch ein Umformen der geraden Drahtabschnitte erfolgt und die Litzendrähte mit den geraden Drahtabschnitten an die Aufnahmen angeformt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Magazin als Linearmagazin ausgebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Magazin als Rotationsmagazin ausgebildet ist.
Aus dem vorstehend beschriebenen Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass das Magazin mit seinen Aufnahmen als eine Art Schablone für die Umformung der Litzendrahtwicklung dient. Bevorzugt weisen die jeweiligen Aufnahmen des Magazins denselben Querschnitt auf, den auch die Nuten des Rotors oder Stators aufweisen, in den die Wicklung nach dem Umformen und der Entnahme aus dem Magazin eingezogen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich, dass die Litzendrähte in den Aufnahmen zu einem im Wesentlichen konischen Querschnitt umgeformt werden. Dies gestaltet sich insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Zahnflanken des Rotors oder Stators, welcher für den Einzug der Wicklung vorgesehen ist, parallel ausgebildet sind. Die Parallelität der Zahnflanken hat den Vorteil, dass der magnetische Leitwert der Zahlflanken entlang ihrer radialen Erstreckung im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die parallelen Zahnflanken sind die Nutflanken bei einem im Wesentlichen zylindrischen Rotor- oder Statorkörper hingegen nicht parallel und es ergibt sich ein im wesentlichen trapezförmiger Nutquerschnitt.
Wird der Litzendraht zunächst als Wicklungsmatte vorgeformt, kann die Wicklung im Anschluss und vor dem Einbringen in den Rotor- oder Statorkörper spiralförmig rolliert werden, axial in den Rotor- oder Statorkörper eingebracht werden und radial in die Nuten des Rotor- oder Statorkörpers expandiert wer- den. Ein solches Verfahren eignet sich insbesondere bei einem Stator einer Innenläufermaschine oder einem Rotor einer Außenläufermaschine.
Alternativ ist auch eine Ausführung der Erfindung vorteilhaft, bei der die Wicklung in einen segmentierten Stator- oder Rotorkörper eingebracht wird. Hierbei können die einzelnen Segmente mit einer im Wesentlichen auf ihren finalen Außendurchmesser rollierten Wicklungsmatte in Eingriff gebracht und anschließend miteinander verbunden werden.
Nach dem Einbringen der Wicklungsmatte in den Stator oder Rotor erfolgt das Kompaktieren der Wickelköpfe, was durch die Verwendung des Litzendrahtes besonders effektiv gelingt. Vorzugsweise werden hierzu mit einer Kompak- tierpresse die Wickelkopfabschnitte axial gegen den Rotor- oder Statorkörper gepresst. Vor dem Pressen kann ein Stützfinger auf jeden Statorzahn montiert werden, der einen Nutüberstand einer Nutisolation während des Pressvorganges schützt. Auf diese Weise wird eine Beschädigung der Nutisolation während des Pressvorganges vermieden. Darüber hinaus schützen die Stützfinger auch die Drahtisolation vor Beschädigung während des Pressens.
Wird ein Formwerkzeug die Wickelkopfabschnitte umschließend angeordnet, so kann ein radiales Aufspreizen der Wickelkopfabschnitte während des Pressvorganges begrenzt werden und somit der radiale Bauraum der Maschine möglichst kompakt gehalten werden.
Ein Kompaktieren der Wickelkopfabschnitte in radialer Richtung zusätzlich zum axial gerichteten Kompaktieren gelingt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass eine Kompaktierpresse zum axialen Pressen verwendet wird, die Schrägen aufweist, durch die die Wickelkopfabschnitte radial nach außen gepresst werden, während die Kompaktierpresse axial in Richtung des Rotor- oder Statorpaketes bewegt wird.
Eine noch weitere Reduzierung des axialen Überstandes der Wickelköpfe gelingt dadurch, dass in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Kompak- tierpresse während des axialen Pressvorganges um einen vorbestimmten Rotationswinkel gegenüber dem Stator- oder Rotorkörper verdreht wird.
Um die Rückfederung des Litzendrahtes im kompaktierten Zustand zu reduzieren erfolgt als optionaler Schritt nach dem Kompaktieren der Wickelkopfabschnitte zur Reduktion des axialen Überstandes ein Verbacken der Wicklung zur Wicklungsfixierung. Es wird beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung durch Verbacken der Drähte mit Hilfe eines Backlacks durchgeführt. Dieser Backlack wird in der Regel thermisch aktiviert und verflüssigt sich.
Durch die Diffusion in die Hohlräume des Litzenleiters und das anschließende Aushärten erstarrt der zuvor erstellte Aufbau der Leiter im Wickelkopf, und die erzielte Struktur wird mechanisch stabilisiert. Der Backlack ist typischerweise eine Schicht besonderen Lackes die im Rahmen der Einzellitzenproduktion bzw. in der Einzeldrahtherstellung aufgebracht wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 A, B: eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs für zwei unterschiedliche Varianten des Umformens der Litzendrähte in einem Linearmagazin;
Fig. 2: eine schematische Teildarstellung einer Draufsicht des Linearmagazins mit einer einliegenden Wellenwicklung;
Fig. 3: eine schematische ausschnittsweise axiale Schnittansicht eines Teils einer in einen Rotor- oder Statorkörper eingezogenen Wellenwicklung;
Fig. 4: eine schematische Schnittdarstellung eines Statorkörpers mit eingelegter Wellenwicklung;
Fig. 5: eine schematische Schnittdarstellung des Statorkörpers mit eingelegter Wellenwicklung während eines Kompaktierens der Wickelköpfe mit einer ersten Ausführung einer Kompaktierpresse; Fig. 6: eine schematische Schnittdarstellung des Statorkörpers mit eingelegter Wellenwicklung nach dem Kompaktieren der Wickelköpfe 24 mit der ersten Ausführung der Kompaktierpresse 40;
Fig. 7: eine weitere schematische Schnittdarstellung eines Statorkörpers mit eingelegter Wellenwicklung;
Fig. 8: eine schematische Schnittdarstellung des Statorkörpers mit eingelegter Wellenwicklung während eines Kompaktierens der Wickelköpfe 24 mit einer zweiten Ausführung einer Kompaktierpresse 40;
Fig. 9: eine schematische Schnittdarstellung des Statorkörpers mit eingelegter Wellenwicklung nach dem Kompaktieren der Wickelköpfe 24 mit der zweiten Ausführung der Kompaktierpresse 40;
Fig. 10A und 10B: eine Seitenansicht der Wickelköpfe vor und nach einem Kompaktieren und
Fig. 11A, B und C: eine Seitenansicht der Wickelköpfe bei einer Rotation der Kompaktierpresse während des Pressvorganges.
Sofern nicht anders angegeben, werden die Bezugszeichen nachstehend einheitlich verwendet. Sofern nicht anders angegeben beziehen sich die Bezugszeichen im Text stets auf alle Figuren. Gleichermaßen beziehen sich alle Bezugszeichen in den Figuren, sofern nicht anders angegeben, stets auf die gesamte nachstehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Im Folgenden ist in Figur 1 jeweils eine Aufnahme 12 mit darin einliegenden geraden Drahtabschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ einer als Wellenwicklung ausgebildeten Wicklung 20 gezeigt. Aus Figur 2 wird ersichtlich, dass ein Linearmagazin 10 entlang dessen Längsrichtung L mehrere solcher Aufnahmen 12 aufweist.
Figur 1 A und Figur 1 B zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs für zwei unterschiedliche Varianten des Umformens von Litzendrähten 25 in dem Linearmagazin 10. Für das Verfahren ist vorgesehen, dass gerade Drahtabschnitte 22, 22‘, 22“, 22‘“ der Litzendrähte 25 der Wicklung 20 zunächst in ein Linearmagazin 10 eingelegt werden. Das Linearma- gazin 10 weist hierfür Aufnahmen 12 auf, wobei die Aufnahmen 12 in der Längsrichtung L des Linearmagazins durch Stege 14, 14' begrenzt sind. Die Aufnahmen 12 weisen eine Öffnung 16 auf, über die die geraden Drahtabschnitte 22, 22‘, 22“, 22‘“ in die Aufnahmen 12 eingesetzt werden können, sodass die geraden Drahtabschnitte 22, 22‘, 22“, 22‘“ in den Aufnahmen 12 senkrecht zu der Längsrichtung L des Linearmagazins, also in einer Breitenrichtung B einliegen. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Aufnahme 12 einen Aufnahmeraum mit einem konischen Querschnitt auf, wobei die Breite der Aufnahme 12 in dem Bereich der Öffnung 16 der Aufnahme 12 größer ist als in einem unteren Bereich der Aufnahme 12.
Gemäß dem Verfahrensablauf nach Figur 1 A werden die Litzendrähte 25 mit ihren geraden Abschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ in die Aufnahme 12 eingesetzt, wobei die Drahtbreite 26 im Wesentlichen der Breite der Aufnahme 12 im oberen Bereich entspricht und die Breite der Aufnahme 12 mit zunehmender Tiefe der Aufnahme abnimmt und geringer ist, als die Drahtbreite 26.
In Figur 1 B werden die Litzendrähte 25 mit ihren geraden Abschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ in die Aufnahme 12 eingesetzt, wobei die Breite der Aufnahme 12 mit zunehmender Tiefe der Aufnahme 12 abnimmt und die Drahtbreite 26 im Wesentlichen der Breite der Aufnahme 12 im unteren Bereich entspricht. In dem Bereich der Aufnahme 12, der in der Nähe der Öffnung 16 liegt, ist die Breite der Aufnahme 12 größer als die Drahtbreite 26.
In dem nachfolgenden Schritt 2) wird die Wellenwicklung mit ihren in den Aufnahmen 12 des Linearmagazins 10 einliegenden geraden Drahtabschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ mittels eines Presswerkzeugs 30 gepresst, wodurch ein Umformen der Litzendrähte 25 erfolgt und die Litzendrähte 25 mit ihren geraden Drahtabschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ an die Aufnahmen 12 und insbesondere an die Stege 14, 14' angeformt werden.
Für die Variante gern. Figur 1A wurde eine Drahtbreite 26 gewählt, die etwa der mittleren Breite der Aufnahme 12 entspricht. Dadurch wird nach dem Pressen ein im Mittel über alle Formänderungen der Leiterdrähte 25 möglichst geringer Umformgrad erreicht, wodurch die Isolation der Litzendrähte 25 wenig beansprucht wird. Der untere gerade Drahtabschnitt 22' wird in Richtung der Aufnahmenbreite bzw. in Längsrichtung L des Linearmagazins 10 gestaucht, und der obere Drahtabschnitt 22 wird in Richtung der Aufnahmenbreite bzw. in Längsrichtung L des Linearmagazins 10 gereckt.
Für die Variante gern. Figur 1 B wurde die Breite der Aufnahme 12 bzw. die Ausdehnung der Aufnahme in Längsrichtung L des Linearmagazins so gewählt, dass die Drahtbreite 26 kleiner oder gleich der kleinsten Breite der konisch zulaufenden Aufnahme 12 ist. Hierdurch ergibt sich, dass alle geraden Drahtabschnitte 22, 22' in der Längsrichtung L des Linearmagazins 10 gereckt werden. Es findet keine Verschiebung der geraden Drahtabschnitte 22, 22' senkrecht dazu statt, wodurch vorteilhaft vermieden wird, dass eine Isolationsbeschädigung stattfindet.
In Schritt 3) ist der Endzustand der umgeformten Litzendrähte 25 in dem Linearmagazin 10 gezeigt. In einem nachfolgenden, nicht gezeigten Schritt werden die Leiterdrähte 25, bzw. die Wellenwicklung 20 aus dem Linearmagazin 10 entnommen und in ein Einziehwerkzeug bzw. in einen Rotor- oder Statorkörper 100 überführt.
Man erkennt, dass der untere gerade Drahtabschnitt 22' in Figur 1A in der Längsrichtung L des Linearmagazins gereckt wurde und der obere gerade Drahtabschnitt 22 in Figur 1A in der Längsrichtung L des Linearmagazins 10 durch die Umformung gestaucht wurde. In Figur 1 B wurden beide gerade Drahtabschnitte 22, 22' in der Längsrichtung L durch die Umformung gestaucht, wodurch sich eine geringere Gesamthöhe des Drahtpakets im Vergleich zu der Auslegung des Linearmagazins 10 gern. Figur 1 A ergibt.
Der Fachmann erkennt, dass auch mehr als zwei Lagen von geraden Drahtabschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ in der jeweiligen Aufnahme 12 des Linearmagazins 10 einliegen können. Das Pressen erfolgt in Schritt 2) mit einem geeigne- ten Presswerkzeug 30, das in die Aufnahmen 12 eingreift und dort die Umformung der geraden Drahtabschnitte 22, 22‘, 22“, 22‘“ bzw. Leiterdrähte 25 durch Anformung an die Stege 14, 14' der Aufnahmen 12 bewirkt. Das Umformen kann für alle Aufnahmen 12 (in Fig. 1 ist stellvertretend nur eine Aufnahme 12 des Linearmagazins 10 gezeigt) gleichzeitig etwa mittels eines Pressstempels erfolgen, es ist aber auch denkbar, dass die geraden Drahtabschnitte 22, 22‘, 22“, 22‘“ in die Aufnahmen 12 des Linearmagazins 10 durch eine mit Pressstegen besetzte Walze einrolliert werden. Selbstverständlich können die Varianten in Bezug auf die Auslegung der Breite der Aufnahmen 12 zu der Drahtbreite 26 gern, den Figuren 1 A und 1 B innerhalb eines Linearmagazins 10 gemeinsam auftreten, wobei sich auch die Breite der Aufnahmen 12 im Verlauf des Linearmagazins 10 also entlang dessen Längsrichtung L verändern kann.
Figur 2 zeigt der Übersichtlichkeit halber eine schematische Teildarstellung einer Draufsicht des Linearmagazins 10 mit der einliegenden Wicklung 20 in ihrer Ausführung als Wellenwicklung. Man erkennt, dass die Wellenwicklung mit den geraden Drahtabschnitten 22 der Leiterdrähte in den Aufnahmen 12 des Linearmagazins 10 einliegt. Die Aufnahmen 12 werden jeweils durch Stege 14, 14' begrenzt. Im Verlauf der Litzendrähte 25 schließen sich an die jeweiligen geraden Drahtabschnitte 22 Wickelköpfe 24 der Wellenwicklung an, die in diesem Ausführungsbeispiel außerhalb der Aufnahmen 12 und außerhalb des Linearmagazins 10 liegen. Die Wickelköpfe 24 liegen in der Breitenrichtung B des Linearmagazins 10 jeweils außerhalb der Aufnahmen 12. Die Wickelköpfe 24 ragen nach einem späteren Einsatz in einen Rotor- oder Statorkörper über diesen axial betrachtet hinaus und vergrößern somit zunächst den axialen Bauraumbedarf einer elektrischen Maschine, der beispielsweise bei einem Einsatz als elektrischer Traktionsantrieb für E- oder Hybridfahrzeuge eine stark limitierende Größe darstellt. Auch stellt die Ent- wärmung der so überstehenden Wickelköpfe häufig eine besondere Herausforderung dar, da die thermische Anbindung der Leiter an das Stator- oder Rotorblechpaket nicht gegeben ist. Figur 3 zeigt eine schematische ausschnittsweise axiale Schnittansicht eines Teils der in einen Rotor- oder Statorkörper 100 eingezogenen Wicklung 20. Die Wicklung 20 ist hier in eine Nut 102 eingezogen, wobei die Nut 102 beiderseitig durch Zähne 106, 106' mit parallelen Zahnflanken 108, 108' begrenzt ist, wodurch sich eine radial unterschiedliche Nutbreite ergibt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel mit zunehmendem Radius zunimmt. Die Nut 102 ist radial nach außen hin durch einen Nutgrund 104 und radial nach innen hin durch Jochabschnitte 107, 107' der Zähne 106, 106' begrenzt. Die Wellenwicklung füllt die Nut 102 mit den nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren umgeformten geraden Drahtabschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ nahezu vollkommen aus. Hier sind nicht nur zwei Lagen von Litzendrähten 25, sondern vier Lagen von Litzendrähten 25 bzw. geraden Drahtabschnitten 22, 22‘, 22“, 22‘“ in eine Nut 102 eines Rotor- oder Statorkörpers 100 eingezogen.
Diese vier Lagen können in einer Variante schon jeweils in den Aufnahmen 12 des Linearmagazins 10 geformt worden sein, oder die Wellenwicklung wurde zweilagig geformt, wobei die Wicklung 20 dann in zwei Umläufen in den im Wesentlichen zylindrischen Rotor- oder Statorkörper 100 eingezogen wurde. Es versteht sich, dass die Umformung in dem Linearmagazin 10 dann entsprechend der späteren Lage in dem Rotor- oder Statorkörper erfolgen muss, wobei sich die Aufnahmegeometrie entlang der Längsrichtung L des Linearmagazins 10 entsprechend ändert, um an den sich radial ändernden Nutquerschnitt des Rotor- oder Statorkörpers 100 angepasst zu werden. Hierfür kann das Linearmagazin 10 entsprechend eine feste Geometrie aufweisen, oder in einem gewissen Rahmen bewegliche oder austauschbare Stege 14, 14' bzw. Begrenzungen der Aufnahmen 12 aufweisen.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Statorkörpers 100 mit eingelegter Wellenwicklung. Die gerade Drahtabschnitte (22, 22‘, 22“, 22‘“) der Litzendrähte 25 liegen in den Nuten 102 des Statorkörpers an und Wickelköpfe 24 stehen um eine Höhe h1 axial über dem Statorkörper 100 über. Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Statorkörpers 100 mit eingelegter Wellenwicklung während eines Kompaktierens der Wickelköpfe 24 mit einer ersten Ausführung einer Kompaktierpresse 40. Neben der Kompak- tierpresse 40 werden ein als offener Durchmesserring ausgebildetes Formwerkzeug 42 radial die Wickelköpfe 24 umschließend angeordnet sowie Stützfinger 41. Auf jedem Statorzahn ist ein Stützfinger 41 montiert. Dessen Aufgabe ist es, ein nicht dargestelltes Nutisolationspapier während des Kompaktierens vor Beschädigung zu schützen. Durch die Stützfinger 41 wird der Biegebereich des Wickelkopfes 24 um einen definierten Abstand vom Statorkörper 100 entfernt festgelegt, so dass ein Abknicken der Nutisolation am Statorkörper 100 verhindert wird.
Zum Kompaktieren der Wickel köpfe 24 wird die Kompaktierpresse 40 axial auf den Statorkörper zu bewegt, so dass die Wickelköpfe 24 von der ersten Höhe h1 auf die zweite Höhe h2 gestaucht werden. Dieser Endzustand ist in Figur 6 dargestellt.
Figur 7 zeigt eine weitere schematische Schnittdarstellung eines Statorkörpers 100 mit eingelegter Wellenwicklung und axial hervorstehenden Wickelköpfen. Neben der Ausgangshöhe h1 der Wickelköpfe 24 ist die radiale Ausgangsweite w1 dargestellt.
Figure 8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Statorkörpers 100 mit eingelegter Wellenwicklung während eines Kompaktierens der Wickelköpfe 24 mit einer zweiten Ausführung einer Kompaktierpresse 40. Diese zweite Ausführung der Kompaktierpresse 40 weist Schrägen 43 auf, die beim axialen Pressen der Kompaktierpresse 40 gegen den Statorkörper 100 neben einer axialen Stauchung auch eine radiale Stauchung der Wickelköpfe 24 verwirkt. Figur 9 zeigt, dass sich am Ende des Kompaktiervorganges die Wickelköpfe sowohl hinsichtlich ihrer axialen Ausdehnung (von h1 auf h2) als auch hinsichtlich ihrer radialen Ausdehnung (von w1 auf w2) reduziert haben. Die Figuren 10A und 10 B zeigen eine Seitenansicht der Wickelköpfe vor und nach einem Kompakteren. Erkennbar ist auch hier die Reduktion der axialen Leiterhöhe im Wickelkopf von h1 auf h2. Die Figuren 1 1 A, 11 B und 11 C zeigen hingegen eine Seitenansicht der Wickelköpfe 24 bei einer Rotation der Kompaktierpresse 40 während des Pressvorganges. Durch einen vorbestimmten Rotationswinkel, der ähnlich einem Einschraubvorgang den axialen Pressvorgang der Kompaktierpresse 40 begleitet, lässt sich das Leiterprofil im Wickelkopf 24 derart modifizieren, dass dessen axiale Ausdehnung noch weiter reduziert wird.
Sämtliche Merkmale und Vorteile, die sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung ergeben, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl allein als auch in verschiedenen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.
1 Bezugszeichenliste
10 Magazin, Linearmagazin
12 Aufnahme
14, 14' Steg
16 Öffnung
20 Wicklung
22, 22‘, 22“, 22‘“ Gerader Drahtabschnitt
24 Wickel köpf
25 Litzendraht
26 Drahtbreite
27 Einzeldraht
28 Formlitzendraht
29 loser Litzendraht
30 Presswerkzeug
40 Kompaktierpresse
41 Stützfinger
42 Formwerkzeug
43 Schrägen
100 Rotor- oder Statorkörper
102 Nut
104 Nutgrund
106, 106‘ Zahn
107, 107' Jochabschnitt
108, 108' Zahnflanke L Längsrichtung
B Breitenrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Umformung und Einbringung einer Wicklung (20) in einen mit Nuten (102) bestückten Rotor- oder Statorkörper (100) einer elektrischen Maschine mit folgenden Verfahrensschritten:
• Vorformen eines Litzendrahtes (25) zu der Wicklung derart, dass gerade Abschnitte (22, 22‘, 22“, 22‘“) des Litzendrahtes (25) über gebogene Wickelkopfabschnitte (24) des Litzendrahtes (25) zu einer Wellen- oder Schleifenwicklung verbunden werden,
• Einbringen der Wicklung in den Rotor- oder Statorkörper (100) derart, dass die geraden Abschnitte in den Nuten (102) zu liegen kommen und die Wickelkopfabschnitte (24) der Wicklung an axialen Stirnflächen des Rotor- oder Statorkörpers (100) überstehen und
• Kompakteren der Wickelkopfabschnitte (24), so dass ihr axialer Überstand reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Litzendraht (25) ein profilierter Litzendraht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei vor dem Einbringen der Wicklung in den Rotor- oder Statorkörper (102) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
• Einsetzen der Wicklung in ein Magazin (10), wobei die geraden Abschnitte (22, 22‘, 22“, 22‘“) des Litzendrahtes (25) in schlitzförmige Aufnahmen (12) des Magazins (10) eingefügt werden,
• Pressen der Litzendrähte (25) in den Aufnahmen (12) des Magazins, wodurch die Litzendrähte (25) an die Aufnahmen (12) angeformt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Litzendrähte (25) in den Aufnahmen (12) zu einem konischen Querschnitt umgeformt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Kompakteren mit einer Kompaktierpresse (40) die Wickelkopfabschnitte (24) axial gegen den Rotoroder Statorkörper (100) gepresst werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei vor dem Pressen ein Stützfinger (41 ) auf jeden Statorzahn montiert wird, der einen Nutüberstand einer Nutisolation während des Pressvorganges schützt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Formwerkzeug (42) die Wickelkopfabschnitte (24) umschließend angeordnet wird, um ein radiales Aufspreizen der Wickelkopfabschnitte (24) während des Pressvorganges zu begrenzen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Kompaktierpresse (40) während des axialen Pressvorganges um einen vorbestimmten Rotationswinkel gegenüber dem Stator- oder Rotorkörper (100) verdreht wird.
9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei eine Kompaktierpresse (40 ) zum axialen Pressen verwendet wird, die Schrägen (43) aufweist, durch die die Wickelkopfabschnitte (24) radial nach außen gepresst werden, während die Kompaktierpresse (40) axial in Richtung des Rotor- oder Statorpaketes (100) bewegt wird.
10. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei nach dem Kompak- tieren der Wickelkopfabschnitte (24) zur Reduktion des axialen Überstandes ein Verbacken der Wicklung zur Wicklungsfixierung erfolgt.
11 . Stator einer elektrischen Maschine mit einem Statorkörper mit Nuten (102) und mit einer aus Litzendraht (25) gefertigten Wicklung, bei der gerade Abschnitte (22, 22‘, 22“, 22‘“) des Litzendrahtes über gebogene Wickelkopfabschnitte (24) des Litzendrahtes (25) zu einer Wellen- oder Schleifenwicklung verbunden sind, die geraden Abschnitte (22, 22‘, 22“, 22‘“) in den Nuten (102) zu liegen kommen und die Wickel- kopfabschnitte (24) der Wicklung an axialen Stirnflächen des Statorkörpers überstehen, wobei die Wickelkopfabschnitte (24) kompaktiert sind.
12. Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Rotorkörper mit Nuten (102) und mit einer aus Litzendraht (25) gefertigten Wicklung, bei der gerade Abschnitte (22, 22‘,
22“, 22‘“) des Litzendrahtes über gebogene Wickelkopfabschnitte (24) des Litzendrahtes (25) zu einer Wellen- oder Schleifenwicklung verbunden sind, die geraden Abschnitte (22, 22‘, 22“, 22‘“) in den Nuten (102) zu liegen kommen und die Wickelkopfabschnitte (24) der Wicklung an axialen Stirnflächen des Rotorkörpers überste- hen, wobei die Wickelkopfabschnitte (24) kompaktiert sind.
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