EP4774815A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer geschichteten wellenwicklungsmatte zum einzug in einen stator oder rotor - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer geschichteten wellenwicklungsmatte zum einzug in einen stator oder rotorInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte (1) zum Einzug in einen Stator oder Rotor, wobei die Wellenwicklungsmatte (1) aus zumindest einer Doppellage (4) pro Phase gebildet wird, wobei jede Doppellage (4) aus zumindest zwei Einzellagen (3) gebildet wird, wobei jede Einzellage (3) in einer im Wesentlichen mäanderförmigen Grundstruktur und mit zumindest zwei Wickelköpfen (5) gebildet wird, wobei jede Doppellage (4) aus einem fortlaufenden Einzeldraht (2) gebildet wird, wobei die Einzellagen (3) durch einen Übergangsbereich (8) miteinander in Verbindung stehen; dadurch gekennzeichnet, dass jede Doppellage (4) durch Biegung den Einzeldrahts (2) im Übergangsbereich (8) um eine Biegeachse geschichtet wird.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte zum Einzug in einen Stator oder Rotor
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte zum Einzug in einen Stator oder Rotor.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Wellenwicklungsmatten bekannt. Die Wellenwicklungsmatte kann durch kontinuierliches Wickeln mehrerer Einzeldrähte um ein Wickelschwert, wie beispielsweise in der EP 3381108 B1 gezeigt, hergestellt werden und umfasst mehrere Wickelköpfe. Es ist aber auch bekannt, Einzeldrähte zu biegen und diese anschließend zu einer Wellenwicklungsmatte zu montieren. Dies kann entweder durch einen Wechsel der Drahtlagen je Windung anhand eines Verwebens oder wie beispielsweise aus der JP 4973544 B2 durch einen Stapelprozess erfolgen.
Es kann vorteilhaft sein, Wellenwicklungsmatten in Form von Umkehrwicklungen vorzusehen, wie sie beispielsweise aus der DE 102020 103 165 A1 bekannt sind.
Bei der Verwendung einer solchen gewickelten Wellenwicklungsmatte, die mehrere Einzellagen umfasst, ist eine serielle oder eine parallele Verschaltung aller Einzeldrähte einer Phase oder eine serielle Verschaltung zwischen den Phasen nötig. Die Verbindungsdrähte müssen in einem Umfangsbereich des Stators am Außendurchmesser und am Innendurchmesser verschaltet werden. Daraus resultiert zum einen ein nicht unerheblicher Kontaktieraufwand, zudem werden Bauraum und komplexe Busbars benötigt. Daher besteht der Vorteil der genannten Umkehrwicklung darin eine serielle Verschaltung an einem Ende der Matte zu realisieren.
Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte zum Einzug in einen Stator oder Rotor bereitzustellen, mittels derer die eingangs genannten Nachteile überwunden werden und die den Herstellungsprozess von Wellenwicklungsmatten für den Einzug in einen Stator oder Rotor vereinfacht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche, der beiliegenden Beschreibung sowie der Figuren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte zum Einzug in einen Stator oder Rotor vorgesehen. Die Wellenwicklungsmatte wird dabei aus zumindest einer Doppellage pro Phase des Motors, in dem die Wellenwicklungsmatte zum Einsatz kommt, gebildet. Bevorzugt sind mindestens zwei Doppellagen vorgesehen. Jede Doppellage wird wiederum aus zumindest zwei Einzellagen gebildet. Es ist aber auch denkbar, mehr als zwei Einzellagen zu einer Doppellage zu schichten. Jede Einzellage wird in einer im Wesentlichen mäanderförmigen Grundstruktur und mit zumindest zwei Wickelköpfen gebildet. Jede Doppellage wird aus einem fortlaufenden Einzeldraht gebildet und die Einzellagen stehen durch einen Übergangsbereich miteinander in Verbindung. Der Einzeldraht wird in Form gebogen, sodass die Mäanderform mit den typischen Wickelköpfen erreicht wird. Vorteilhaft ist hier, dass die Einzellagen ohne Drahttorsionen gebogen werden und dadurch eine flache Grundstruktur erreicht wird. Die Schichtung der Doppellage wird durch Biegung den Einzeldrahts im Übergangsbereich um eine Biegeachse erzielt. Durch die Verwendung einer so hergestellten geschichteten Wellenwicklungsmatte kann eine andere Form des Wickelkopfes erreicht werden, die anstelle des normalerweise üblichen Umschlags einen Hochkantdraht aufweist. Die Wickelköpfe sind dadurch kompakter als durch Umschlag gewickelte Wickelköpfe. Durch die Schichtung der Doppellage mittels Biegung im Übergangsbereich kann an dieser Stelle die serielle Verschaltung des hin- und rücklaufenden Leiterpfades auf Einzeldrahtbasis realisiert werden, ohne dass weitere Schritte zur sicheren Kontaktierung nötig sind. Dies spart Zeit und erhöht die Funktionssicherheit der Wellenwicklungsmatte. Der Übergangsbereich wird beim Biegevorgang zu einem weiteren Wickelkopf umgeformt, sodass er in der fertigen geschichteten Doppellage nicht mehr sichtbar ist. Durch das Schichten der Doppellagen kann der gleiche Wicklungsaufbau wie bei bereits aus dem Stand der Technik bekannten Wellenwicklungsmatten erreicht werden, aber dabei erheblicher Aufwand eingespart werden. Auf diese Wiese kann eine einfache Überlagerung der Einzellagen ohne Lagenwechsel erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Biegeachse auf einer durch einen Wickelkopf verlaufenden Rotationsachse liegt. Die Einzellagen können nebeneinander
fortlaufend geformt werden und werden durch einen Übergangsbereich verbunden. Eine solche Biegung hat den Vorteil, dass aus dem Übergangsbereich beispielsweise an drei Biegepunkten ein Wickelkopf geformt und dabei eine Einzellage durch ihre Drehung über die andere geschichtet werden kann, ohne dass dieser Wickelkopf eine Torsion aufweist. Dadurch kann eine durchgehend einheitlich geformte Doppellage hergestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Biegeachse auf einer Mittelachse zwischen zwei gespiegelt zueinander angeordneten Einzellagen im Übergangsbereich liegt. Diese Biegeachse teilt die Einzellagen in um 180° phasenverschobene Wicklungen und liegt in derselben Ebene wie die Einzellagen selbst sowie tangential zur Mäanderform des Leiters im Wickelkopfbereich, was das Verfahren stark vereinfacht und leicht und ohne zu großen Platzbedarf umsetzen lässt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Biegeachse auf einer Mittelachse zwischen zwei fortlaufend nebeneinander angeordneten Einzellagen liegt. Diese Biegeachse entspricht der Normalen der Wickelebene. Dadurch kann erreicht werden, dass nur im Wickelkopfbereich der seriellen Verschaltung zwischen zwei Einzellagen zu einer Doppellage eine Drahttorsion im Wickelkopf vorliegt. Diese wird beim Biegen um diese Rotationsachse erhalten. Die übrigen Wickelköpfe weisen durch ihre Herstellung bedingt flache Grundstrukturen auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Wellenwicklungsmatte zumindest drei Doppellagen umfasst. Bevorzugt wird sie aus sechs, besonders bevorzugt aus neun Doppellagen gebildet. Durch die Schichtung vieler Doppellagen können größere Geometrien problemlos abgebildet werden, ohne dass viele Verschaltungen vorgesehen werden müssen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine Einzellage während der Schichtung zur Doppellage fixiert wird. Sind beispielsweise zwei Einzellagen vorgesehen, kann eine Einzellage auf die fixierte Einzellage geschichtet werden und durch die Fixierung kann die exakt eingeplante Anordnung in der Doppellage sichergestellt werden, da ein Verrutschen nicht möglich ist. Es ist auch denkbar, dass beide Einzellagen fixiert sind und nur der Übergangsbereich bei der Biegung frei beweglich ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in jeden Wickelkopf ein Lagensprung geprägt wird. Das Vorsehen von Lagensprüngen ermöglicht eine weitere
Geometrie der fertigen Wellenwicklungsmatte mit Lagenwechseln der Einzellagen. Dadurch, dass die Wickelköpfe durch den Biegevorgang sehr flach ausgebildet werden, ist ein Prägen einfach möglich und ohne Gefahr einer Beschädigung, was bei bereits durch Torsion stark beanspruchte Teilbereiche nachteilig sein könnte. Beim Vorsehen von Lagensprüngen liegen dann immer zwei Leiter entlang einer Windung in selber Lage zueinander.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Wickelgeometrie des Wickelkopfes, der aus Teilen des Übergangsbereich gebildet wird, eine von den übrigen Wickelköpfen abweichende Geometrie aufweist. Es ist denkbar, dass nur der Wickelkopf, der aus Teilen des Übergangsbereich geformt wird, abweichend geformt ist, wodurch nur ein Wickelkopf in einer Doppellage eine abweichende Form erhält. Es ist aber auch denkbar, dass mehrere Wickelköpfe in einer Doppellage abweichende Geometrien aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte vorgesehen. Die Wellenwicklungsmatte ist aus einer Mehrzahl von aus jeweils zwei Einzellagen gebildeten Doppellagen gebildet. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Biegewerkzeug, wobei auf dem Biegewerkzeug Einzellagen formbar sind. Das Biegewerkzeug weist dazu Formelemente auf, mittels derer ein Einzeldraht zu den Einzellagen formbar ist. Der Einzeldraht kann beim Führen durch die Vorrichtung um die Formelemente gebogen werden, sodass die Form der Einzellage entsteht. Durch die Formelemente kann sichergestellt werden, dass alle mit ihr geschichteten Doppellagen dieselbe Grundgeometrie aufweisen, was insbesondere für eine Sicherstellung der fehlerfreien Funktion der Wellenwicklungsmatte in einem Stator oder Rotor wichtig ist. Jede Doppellage kann mittels einer Biegebewegung der Vorrichtung um eine Biegeachse aus zwei oder mehr Einzellagen geschichtet werden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung beispielsweise zwei Teilbereiche aufweist. Dann kann auf jedem Teilbereich in einem ersten Schritt eine Einzellage geformt werden und in einem weiteren Schritt dann mittels der Biegebewegung um die Biegeachse die Einzellagen auf einfache Weise übereinandergeschichtet und aus dem Übergangsbereich ein weiterer Wickelkopf geformt werden. Durch die Integration des Biegens zur Schichtung einer Doppellage in die Vorrichtung, die auch die Form der Einzellagen bestimmt, ist ein kleinerer Flächenbedarf vonnöten, als wenn die beiden Schritte in getrennten Vorrichtungen realisiert würden.
Weitere Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen basierend auf der Zeichnung.
Es zeigen:
Figuren 1a-e 1 Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte;
Figuren 2a-d ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte;
Figuren 3a-d ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte;
Figuren 4a, b ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte;
Figur 5a einen Wickelkopf einer geschichteten Wellenwicklungsmatte ohne Lagensprung; und
Figur 5b einen Wickelkopf einer geschichteten Wellenwicklungsmatte mit einem eingeprägten Lagensprung.
In den Figuren 1a-e ist in schematischer Darstellung ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenwicklungsmatte zum Einzug in einen Stator oder Rotor dargestellt. In Figur 1a ist ein Rohling 6 gezeigt. Er umfasst zwei Einzellagen 3, die in einer Vorrichtung in ihre Mäanderform gebogen wurden und jeweils mehrere Wickelköpfe 5 aufweisen. Vorteilhaft an dieser Art der Biegung des Einzeldrahts 2 ist, dass in den Wickelköpfen 5 keine Drahttorsion vorliegt, wie sie üblicherweise bei Wickelvorgängen im Wickelkopf 5 entsteht. Die beiden Einzellagen 3 werden aus einem Einzeldraht 2 gefertigt und stehen miteinander über einen Übergangsbereich 8 in Verbindung. Drahtenden 7 liegen jeweils einmal pro Einzellage vor. Diese dienen später der Verschaltung der Wellenwicklungsmatte. Figur 1 b zeigt einen Teilabschnitt eines Biegevorgangs. Eine Einzellage 3 kann hierfür in einer (hier nicht gezeigten) Vorrichtung fixiert werden, während die andere Einzellage 3 durch eine Rotationsbewegung gedreht wird. Die Biegung wird im Übergangsbereich 8 durchgeführt,
wobei dieser langsam mit Fortschreiten des Biegeprozesses zu einem weiteren Wickelkopf 5 geformt wird, wie in den Figuren 1c, d erkennbar ist. Die Rotationsachse, die die Biegeachse abbildet, verläuft durch den Wickelkopf 5, der aus dem Draht im Übergangsbereich 8 geformt wird. Die beiden Einzellagen 3 nähern sich auf diese Weise durch die einem U-Turn gleichende Rotationsbewegung einander an, bis sie, wie in Figur 1d gezeigt, übereinanderliegen und eine Doppellage 4 bilden. Die Drahtenden 7 sind in der Doppellage 4 gemeinsam auf einer Endseite angeordnet, was später die Verschaltung vereinfacht. In Figur 1e ist schließlich eine Wellenwicklungsmatte 1 gezeigt, die durch die Schichtung mehrerer Doppellagen 4 entsteht. Die Doppellagen 4 können zu diesem Zweck aufgeklappt und weitere eingeschoben werden, sodass die Wellenwicklungsmatte durch deren Übereinanderschichtung ihre Endgeometrie erhält. Vorteilhaft ist, dass alle Doppellagen 4 bereits dieselbe Grundgeometrie aufweisen und somit alle Drahtenden 7 auf einer Endseite angeordnet werden können.
In den Figuren 2 a-d ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Herstellung einer Wellenwicklungsmatte dargestellt. Außerdem ist eine Vorrichtung 10 zur Herstellung der Wellenwicklungsmatte gezeigt. Die Vorrichtung 10 weist zwei Teilbereiche 12a, b auf, auf denen jeweils eine Einzellage 3 geformt wurde. Zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Formgebung über den gesamten Herstellungsprozess dienen Formelemente 11 , um die der Einzeldraht 2 gebogen wird. Die Formelemente 11 können auch zur Fixierung der Einzellagen 3 dienen. Im hier abgebildeten Herstellungsverfahren weist ein Wickelkopf im Biegebereich eine gegenüber den übrigen Wickelköpfen veränderte Geometrie auf. Ein breiterer Wickelkopf wurde geschaffen, in dem der Übergangsbereich 8 zwischen den Einzellagen 3 teilweise liegt. Die Teilbereiche 12a,b können zur Herstellung einer Doppellage aufeinander zubewegt und die Vorrichtung 10 zusammengeklappt werden. Die Biegebewegung zur Schichtung wird entlang der Biegeachse auf einer Mittelachse zwischen zwei fortlaufend nebeneinander angeordneten Einzellagen 3 durchgeführt. In dem Wickelkopf 5‘, der im Übergangsbereich 8 liegt, findet eine Drahttorsion statt. Die übrigen Wickelköpfe 5 weisen diese nicht auf. Die auf diese Weise hergestellte Doppellage weist daher nur im Bereich der seriellen Verschaltung eine Drahttorsion auf. Durch die hier dargestellte gesonderte Wickelkopfgeometrie des Wickelkopfs 5‘, der im Übergangsbereich 8 zwischen den Einzellagen 3 gebildet wird, kann die Torsion bewusst verlagert werden. Es ist aber auch denkbar, diese Variante ohne Veränderung der Wickelkopfgeometrie durchzuführen oder andere Veränderungen, beispielsweise an weiteren Wickelköpfen 5 vorzunehmen.
Die Figuren 3a-d zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Verfahren und eine Vorrichtung 10 zur Herstellung einer Wellenwicklungsmatte. Hier findet die Biegung auf einer Biegeachse, die durch einen Rotationspunkt in dem aus dem Übergangsbereich 8 zu biegenden Wickelkopf 5 statt. Nach dem Biegevorgang weist die aus den beiden Einzellagen 3 geschichtete Doppellage 4 durchgehend gleichförmig gebildete Wickelköpfe 5 auf. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass in keinem der Wickelköpfe 5 eine Drahttorsion vorliegt. Die Einzellagen 3 werden auf den Teilbereichen 12a, b mit Hilfe der Formelemente 11 aus einem Einzeldraht 2 gebildet und sind über den Übergangsbereich 8 miteinander verbunden. Das in den Figuren 3a-d gezeigte Verfahren ist besonders schonend für den Einzeldraht 2. Da mehrere Biegepunkte im Übergangsbereich 8 einstellbar sind, findet eine geringere punktuelle Stressung des Einzeldrahtes 2 statt als bei Verfahren, bei denen die Biegung zur Schichtung der Doppellage 4 nur in einem Punkt durchgeführt wird. Das Verfahren ist zudem flexibler in der Umsetzung und ermöglicht, eine gleichmäßig geformte Doppellage 4 zu erhalten, die in allen Wickelköpfen 5 dieselbe Geometrie aufweist.
In den Figuren 4 a, b ist eine weiteres Ausführungsbeispiel für das Verfahren und die Vorrichtung 10 zur Herstellung einer Wellenwicklungsmatte gezeigt. Zunächst werden in der Vorrichtung 10 zwei Einzellagen 3 ineinander gegenüberliegender, gespiegelter Position geformt. Der Übergangsbereich 8 verbindet die beiden Einzellagen 3 und wird während des Verfahrens zu einem weiteren Wickelkopf 5 gebogen. Die beiden Teilbereiche 12a, b können aufeinander geklappt werden, wobei die Einzellagen 3 durch eine Biegung im aus dem Übergangsbereich 8 entstehenden Wickelkopf 5 übereinandergeschichtet werden. Die Biegeachse liegt hierbei auf einer Mittelachse zwischen den zwei gespiegelt zueinander angeordneten Einzellagen 3. Auch bei dieser Ausführungsform findet sich lediglich in diesem einen Wickelkopf 5 eine Drahttorsion. Das hier gezeigte Verfahren stellt einen besonders einfach umzusetzenden Herstellungsprozess dar. Die Wicklung findet in der Vorrichtung 10 in einer Ebene über zwei Stufen statt. Dabei sind die Biegestellen im Wickelkopf 5 aber stets klar definiert, sodass ein gleichbleibendes Wickelergebnis sichergestellt werden kann.
Die Figuren 5a, b zeigen jeweils einen Wickelkopf 5. In Figur 5b weist der Wickelkopf 5 einen Lagensprung 9 auf, der zuvor in einen einfachen Wickelkopf 5 wie in Figur 5a abgebildet, geprägt wurde. Durch das Vorsehen von Lagensprüngen 9 in den Wickelköpfen 5 wird ein Lagenwechsel der Einzellagen 3 nach dem Übereinanderschichten und damit eine Erweiterung möglicher Wickelgeometrien für die Wellenwicklungsmatte geschaffen.
Bezugszeichenliste
1 Wellenwicklungsmatte
2 Einzeldraht
3 Einzellage
4 Doppellage
5, 5‘ Wickelkopf
6 Rohling
7 Drahtende
8 Übergangsbereich
9 Lagensprung
10 Vorrichtung
11 Formelement
12a, b Teilbereich
Claims
1. Verfahren zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte (1) zum Einzug in einen Stator oder Rotor, wobei die Wellenwicklungsmatte (1) aus zumindest einer Doppellage (4) pro Phase gebildet wird, wobei jede Doppellage (4) aus zumindest zwei Einzellagen (3) gebildet wird, wobei jede Einzellage (3) in einer im Wesentlichen mäanderförmigen Grundstruktur und mit zumindest zwei Wickelköpfen (5) gebildet wird, wobei jede Doppellage (4) aus einem fortlaufenden Einzeldraht (2) gebildet wird, wobei die Einzellagen (3) durch einen Übergangsbereich (8) miteinander in Verbindung stehen; dadurch gekennzeichnet, dass jede Doppellage (4) durch Biegung den Einzeldrahts (2) im Übergangsbereich (8) um eine Biegeachse geschichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeachse auf einer durch einen Wickelkopf (5) verlaufenden Rotationsachse liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeachse auf einer Mittelachse zwischen zwei gespiegelt zueinander angeordneten Einzellagen (3) im Übergangsbereich (8) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeachse auf einer Mittelachse zwischen zwei fortlaufend nebeneinander angeordneten Einzellagen (3) liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenwicklungsmatte (1) zumindest drei Doppellagen (4) umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Einzellagen (3) während der Schichtung zur Doppellage (4) fixiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jeden Wickelkopf (5) ein Lagensprung (12) geprägt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelgeometrie des Wickelkopfes (5‘), der aus Teilen des Übergangsbereich (8) gebildet wird, eine von den übrigen Wickelköpfen (5) abweichende Geometrie wird.
Vorrichtung (10) zur Herstellung einer geschichteten Wellenwicklungsmatte (11), die aus einer Mehrzahl von aus jeweils zwei Einzellagen (3) gebildeten Doppellagen (4) gebildet ist, umfassend zumindest ein Biegewerkzeug, wobei auf dem Biegewerkzeug Einzellagen (3) formbar sind, wobei das Biegewerkzeug Formelemente (11) aufweist, mittels derer ein Einzeldraht (2) zu den Einzellagen (3) formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Doppellage (4) mittels einer Biegebewegung der Vorrichtung (10) um eine Biegeachse formbar ist.
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