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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bewicklung eines Blechpakets mit einer Magnetspule für einen Elektromotor, bei der ein leitfähiger, isolierter Spulendraht in eine oder mehrere mit Isolierpapier ausgelegten Nuten, insbesondere Nuten eines Ankerblechpaketes einwickelbar ist. Die Vorrichtung umfasst eine Halteeinrichtung zur Fixierung des zu bewickelnden Blechpakets während des Wickelvorgangs und einen Wickelarm zur Drahtführung während des Einwickelvorgangs. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Elektromotor und eine Elektrowerkzeugmaschine, in der ein Elektromotor eingesetzt wird, bei dem ein Blechpaket mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bewickelt wurde.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren bekannt, die sich aus einem stehenden Stator und einem drehenden Rotor zusammensetzen, und die insbesondere in Elektrowerkzeugmaschinen wie Winkelschleifer, Bohrmaschinen oder Bohrhammer eingesetzt werden, und hierzu als Reihen-, Neben- oder Doppelschluss-Motoren ausgelegt sind, deren Rotoren auch Läufer oder Anker genannt werden. Läufer und Statoren bestehen aus Eisenblechpaketen, die zumeist aus einzelnen Blechen bestehen, die geteilt sind, und die zur Unterdrückung von Wirbelströmen elektrisch isoliert zueinander wieder zusammengefügt werden können. Hierzu ist das Blechpaket, das die Magnetfeldlinien lenkt und als Träger der Stator- oder Rotorspulen dient, zwei- oder mehrteilig aufgebaut. Somit kann jedes Blechpaketteil eines Stators mit einer Magnetspule bewickelt werden, und beim Zusammenfügen der einzelnen Blechpakete wird ein halbzylinderförmiger Stator gebildet, in dessen Innendurchmesser auf sogenannten Polhörnern Magnetspulen aufgewickelt sind. Ein zu bewickelnder Anker besteht in der Regel aus einem rotationssymmetrischen Eisenpaket, das Spulennuten umfasst, wobei am Umfang Ankerzähne oder Ankerrippen ausgebildet sind, um die der Spulendraht zu einer Spule gewickelt wird, um einen Elektromagneten pro Zahn auszubilden. Das Ankerblechpaket wird in der Regel von zwei Wickelbacken gehalten, wobei der Spulendraht während des Wickelvorgangs in die Nut zwischen den Ankerzähnen geführt wird. Der fertig bewickelte Anker bildet den Läufer des Elektromotors.
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Zum Aufbringen der Magnetspulen auf das Blechpaket des Läufers oder Stators wird üblicherweise ein Nadelwickelverfahren oder ein Flyerwickelverfahren eingesetzt. Beim Nadelwickelverfahren wird ein Läufer- oder Statorblechpaket mit Hilfe einer oder zweier Wickelnadeln bewickelt. Beim Flyerwickelverfahren wird mit Hilfe eines Flyers zunächst eine Spule auf eine entsprechend ausgelegte Wickelform gewickelt, wobei entweder der Flyerarm um das (feststehende) Blechpaket rotiert, oder das Blechpaket gegenüber einem feststehenden Flyerarm rotiert. Nach dem Wickeln wird die Spule mechanisch geformt und mit Hilfe eines Werkzeugs in die vorgesehenen Nutschlitze des Blechpaketes eingeführt. Nach dem Wickelvorgang werden die Drahtenden mit Schrumpfschläuchen versehen und mit Crimpkontakten konfektioniert.
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Für eine Massenfertigung ist es außerdem bekannt, die Magnetspule zunächst zu konfektionieren, und als Ganzes über die Zähne bzw. Rippen des Ankerblechpaketes zu setzen. Hierzu wird der isolierte Spulendraht zunächst auf eine „Magnetspulen-Halteeinrichtung“ gewickelt, der Spule ein definiertes Maß vorgegeben, und anschließend auf die Ankerzähne des Läufers eingesetzt bzw. eingehebelt.
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Bei der Bewicklung von Ankern mit einer Isolation der Nuten mittels Isolierpapier, beispielsweise mit einer Kastenisolation, besteht die Gefahr, dass der Spulendraht zwischen Isolierpapier und die Nutflanke gerät, und somit die Anforderung an die Isolation der Magnetspule gegenüber dem Blechpaket nicht erfüllt wird. Derartige Hinterwickler lassen sich durch eine elektrische Prüfung nicht oder nur schwer erkennen. Daher ist es wünschenswert, derartige Hinterwickler zu vermeiden und eine verbesserte Erkennbarkeit solcher Hinterwickler zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bewicklung eines Blechpakets mit einer Magnetspule für einen Elektromotor, bei der ein leitfähiger, isolierter Spulendraht in eine oder mehrere mit Isolierpapier ausgelegte Nuten, insbesondere Nuten eines Ankerblechpaketes einwickelbar ist. Die Vorrichtung umfasst eine Halteeinrichtung zur Fixierung des zu bewickelnden Blechpakets während des Wickelvorgangs und einen Wickelarm zur Drahtführung während des Einwickelvorgangs.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zumindest eine verfahrbare Drahtführungsplatte umfasst, die über eine Nutkante derart in die zu bewickelnde Nut einführbar ist, so dass Nutkante und die der Nutkante zugeordnete Abschlusskante des Isolierpapiers während des Wickelvorgangs von der Drahtführung durch den Wickelarm von der Drahtführungsplatte überdeckt ist.
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Mittels der Vorrichtung wird die Magnetspule unmittelbar und mit optimaler Formgebung in einem Blechpaket eines Stators oder Läufers gewickelt, der eine Kastenisolation und keine Rundisolation trägt, so dass nachträgliche mechanische Veränderungen und/oder Beschädigungen von Isolierpapier und Magnetspule beim Einbau der Magnetspule vermieden und die Qualität der Magnetspule sowie des Elektromotors optimiert werden können. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung zum direkten Bewickeln von Ankern, d.h. einem Blechpaket eines Läufers, bei denen die einzelne Drähte um die Zähne des Ankers – isoliert durch Isolierpapier – gewickelt werden. Mit der Bewicklungsvorrichtung kann ein direktes Bewickeln des Blechpakets durchgeführt werden, wobei das Blechpaket in die Halteeinrichtung, die im Falle eines Läufers entweder radial oder alternativ axial den Anker einspannt, eingelegt wird. Im Falle eines Statorblechpakets kann die Halteeinrichtung mittels einer Gegenhalteeinrichtung das Blechpaket einspannen. Dabei kann das Blechpakets verfahr- oder verschwenkbar sein, so dass ein Spulendraht in die Wicklungsnut, die durch die Zähne des Ankers oder durch das Polhorn definiert wird, eingewickelt werden, so dass ein unmittelbares Bewickeln des Spulendrahtes in die Wicklungsnut des Blechpakets zur Ausbildung einer Magnetspule durchführbar ist.
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Vor dem Bewickeln der Wicklungsnut wird Isolierpapier, das zur elektrischen Isolation zwischen Blechpaket und Spulendraht in der Nut dient, in die Nut des zu bewickelnden Blechpakets eingelegt, wonach die Vorrichtung durch Verfahren des Wicklungsarm und/oder Verfahren bzw. Verschwenken des Blechpakets mittels der Halteeinrichtung eine Bewicklung durchführt.
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Zur Fixierung des Isolierpapiers, mit dem die Magnetspule gegenüber dem Statorblechpaket isoliert werden soll, und zum Abdecken der Nutkante ist während des Bewicklungsvorgangs erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine verfahrbare Drahtführungsplatte über die Nutkante und die Abschlusskante des Isolierpapiers in die Wicklungsnut eintaucht, so dass der Wicklungsdraht während des Wickelns entlang der Drahtführungsplatte in die Nut geführt wird, wobei zum einen eine Beschädigung des Spulendrahts an der Nutkante und ein Hinterwickeln des Isolierpapiers verhindert wird. Bei Bewickeln einer Nut, die zwei gegenüberliegende Nutkanten aufweist, wie dies bei einem Ankerpaket der Fall ist, ist es zweckmäßig, jeweils eine entsprechend geformte, insbesondere konvexe Drahtführungsplatte pro Nutkante vorzusehen, so dass jede Nutöffnung von zwei Drahtführungsplatten begrenzt wird, die im Querschnitt trichterförmig eine Führung des einzuwickelnden Drahtes bereitstellt, wobei die Drahtführungsplatten derart über die Nutkanten in die zu bewickelnde Nut einführbar sind, so dass Nutkanten und die beiden den Nutkanten zugeordnete Abschlusskanten des Isolierpapiers während des Wickelvorgangs von der Drahtführung durch den Wickelarm von der Drahtführungsplatten überdeckt sind.
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Mittels einer so genannten Flyerwickeltechnik oder einer vergleichbaren Wickeltechnik kann nach eingebrachten Drahtführungsplatten in die Wicklungsnut ein Draht zur Ausbildung einer Magnetspule in die Wicklungsnut eingewickelt werden. Durch das direkte Bewickeln entfällt das Herausnehmen, Einhebeln und Ausformen der Magnetspule, wobei die Eigenstabilität der Magnetspule erhöht und die Fertigungstaktzeit verkürzt werden kann. Durch das Abdecken von Nutkanten und Abschlusskanten des Isolierpapiers können Beschädigungen des Isolierpapiers oder der Spulendrahtisolierung vermieden werden. Somit können optimal geformte Magnetspulen erreicht und bei gleicher Baugröße magnetisch optimierte Statoren und Rotoren von elektrisch effizienteren Elektrowerkzeugmaschinen bereitgestellt werden.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung wird weitgehend vermieden, dass es zu Beschädigungen des Isolierpapiers oder des Spulendrahtes an scharfen Nutkanten kommen kann, wobei ein Hinterwickeln des Isolierpapiers effektiv verhindert wird. Eine Verletzung der Isolationsschicht des Spulendrahts durch scharfe Kanten des Blechpakets, eine Beschädigung des Isolierpapiers oder ein Hinterwickeln kann zu einem Ausfall oder einem Kurzschluss des Elektromotors führen. Durch die Wicklungsvorrichtung wird die Qualität und Lebensdauer des Elektromotors optimiert.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Drahtführungsplatte eine in Richtung Nutgrund gekrümmte Endkante aufweisen, wobei die Endkante bevorzugt abgerundet ist. Die Krümmung der Endkante der Drahtführungsplatte ist derart gewählt, dass diese während des Wicklungsvorgangs den Spulendraht in die Wicklungsnut hineinführt, so dass die Endkante in Richtung Nutgrund konvex ausgeformt ist. Die Endkante ist bevorzugt abgerundet, um eine Verletzung des Isolierlacks des Spulendrahtes zu unterbinden.
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Vorteilhafterweise kann die Wickelvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass die der Nutflanke zugewandte Seitenfläche der Drahtführungsplatte an ihrer Endkante eine Isolierpapier-Klemmeinrichtung, insbesondere einen Klemmschlitz oder eine Klemmkante umfasst. Somit kann das Isolierpapier nach Einlegen in das Blechpaket durch die Drahtführungsplatten während des Einwickelvorgangs geklemmt werden, wobei z.B. in der dem Bewicklungsschlitz abgewandten Seiten der Drahtführungsplatte Klemmelemente wie ein Klemmschlitz oder eine Klemmkante vorgesehen sind. Es ist denkbar, dass durch Zufahren des Klemmelements bzw. Einklemmen des Isolierpapiers zwischen Drahtführungsplatte und Nutflanke ein sicheres Positionieren des Isolierpapiers erfolgt. Das Klemmelement kann auch als Klemmkralle ausgestaltet sein, um eine feste und zuverlässige Fixierung zu ermöglichen. Beim Einführen der Drahtführungsplatte in die Wicklungsnut kann dann die Abschlusskante des Isolierpapiers auf der Unterseite der Drahtführungsplatte bzw. zwischen Drahtführungsplatte und Nutflanke geklemmt werden. Mit dieser Anordnung von Klemmelementen einer Klemmeinrichtung kann das Isolierpapier während des gesamten Wicklungsvorgangs fest fixiert werden, wodurch Hinterwickler effektiv verhindert werden können. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass z.B. ein an die Drahtführungsplatte angeklemmtes Isolierpapier während des Einfahrens der Drahtführungsplatten in die Nut mit eingeführt werden kann, so dass der gesamte Prozess des Einlegens des Blechpakets in die Wickelvorrichtung und Durchführung des Bewicklungsvorgangs automatisiert ablaufen kann und das Isolierpapier nicht händisch in eventuelle Nuten eingelegt und fixiert werden muss. Damit lässt sich die Qualität der Teile bei einer automatisierten Fertigung verbessern. In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Drahtführungsplatte gegenüber dem Nutquerschnitt horizontal und vertikal verfahrbar sein. Eine zweidimensionale Verfahrbarkeit der Drahtführungsplatte gegenüber der Nutkante ermöglicht eine schnelle und adaptive Einführung der Drahtführungsplatte zur Überdeckung der Nutkante und der Abschlusskante des Isolierpapieres. Dies ist insbesondere nach einer Bewegung des Blechpaketes während des Wicklungsvorgangs vorteilhaft, da die Drahtführungsplatten hierbei mitbewegt werden können, und somit der Spulendraht während des Wicklungsvorgangs optimal geführt werden kann.
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Eine Wicklungsnut ist in der Regel von zwei Nutkanten begrenzt, die es während des Wicklungsvorgangs abzudecken gilt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können zwei Drahtführungsplatten in der Vorrichtung vorgesehen sein, die an beiden gegenüberliegenden Nutkanten in die Nut einführbar sind. Die Drahtführungsplatten ermöglichen eine Abdeckung beider Nutkanten sowie der Klemmung der Abschlusskante des in der Nut eingelegten Isolierpapiers, so dass im Querschnitt betrachtet ein trichterförmiges Einführen des Drahtes in die Wicklungsnut ermöglicht wird. Sofern zwei radial gegenüberliegende Nuten mittels eines Flyerarms bewickelt werden, sind zumindest vier Drahtführungsplatten zur Abdeckung der Kanten der beiden zu bewickelnden Nuten mittels eines Drahtes vorteilhaft, dabei bietet es sich an, jeweils zwei radial gegenüberliegende und zwei benachbarte Nuten mit zwei Flyerarmen zu bewickeln, so dass mittels zweier Flyerarme und sechs verfahrbaren Platten insgesamt 8 Kanten der vier Nuten abgedeckt werden können. Somit können effektiv mehrere Nuten gleichzeitig bewickelt werden, bzw. ein Draht in zwei oder mehrere Nuten eingewickelt werden, wobei jede Nut mit zumindest einer Drahtführungsplatte, insbesondere die Kanten benachbarter Nuten mit drei Drahtführungsplatten, abgedeckt werden können.
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Alternativ zum obigen Ausführungsbeispiel können insbesondere im Fall der Bewicklung eines einzelnen Zahns bzw. einer einzelnen Jochrippe oder einer simultanen Bewicklung einer Doppelnut eines Blechpakets zwei verfahrbare Drahtführungsplatten vorgesehen sein, die an zwei gegenüberliegenden Nutkanten zweier benachbarter oder radial gegenüberliegender Nuten in die Nuten einführbar sind, und im Falle benachbarter Nuten eine dritte, konvex gebogene und insbesondere rinnenförmig ausgeformte Drahtführungsplatte kann verfahrbar über einen, die beiden benachbarten Nuten, trennenden Zahn des Blechpaketes umfasst sein, so dass die drei Drahtführungsplatten die Nutkanten der zu bewickelnden Doppelnut und die Abschlusskante der beiden in den Nutkanten befindlichen Isolierpapiere überdecken. Üblicherweise werden im Falle eines Läufers ein einzelner Ankerzahn bewickelt, der von zwei parallel benachbarten Nuten begrenzt ist. Daneben werden in vielen Fällen radial gegenüberliegende Nuten oder umfangsmäßig beabstandete Nuten mittels eines Drahtes bewickelt, wobei vorteilhafterweise die jeweiligen Kanten der beiden oder mehreren zu bewickelnden Nuten mittels Drahtführungsplatten abgedeckt werden können. Hierzu wird der Draht durch den Wickelarm zunächst entlang der ersten Nut in eine axiale Richtung und in der benachbarten oder beabstandeten bzw. gegenüberliegenden Nut in die entgegengesetzte axiale Richtung geführt, um den Ankerzahn bzw. das Ankerblechpaket zu umschlingen. Die Anordnung zweier Drahtführungsplatten an den jeweiligen flankierenden Kanten der Nuten und im Falle benachbarter Nuten eine Abdeckung des zwischen den flankierenden beiden Kanten angeordneten Läuferzahns durch eine dritte rinnenförmig gebogene Drahtführungsplatte ermöglicht die Überdeckung aller Nutkanten zur Bewicklung eines oder mehrerer Zähne bzw. Nuten eines Ankerpaketes. Auch ist denkbar, durch die Überdeckung eines mittleren Ankerzahns und Abdeckung der beiden äußeren Kanten benachbarter Nuten mittels zweier Flyerwickelarme zwei Drähte gleichzeitig in das Ankerblechpaket einzuwickeln, und somit zwei gegenüberliegende oder beabstandete Doppelnuten gleichzeitig mit zwei Drähten zu bewickeln. Bei der simultanen Bewicklung von zwei Doppelnuten wären vier Drahtführungsplatten und zwei rinnenförmige Drahtführungsplatten einsetzbar. Somit kann eine Magnetspule um ein vorstehendes Eisenjoch bzw. einen Zahn bzw. in durch mehrere Zähne getrennte Nuten eines Blechpaketes in schneller und effektiver Weise bewickelt werden, wobei alle Nutkanten abgedeckt und somit der Spulendraht sicher geführt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Blechpaket verfahrbar, insbesondere um eine Rotationsachse parallel zur Nutausrichtung rotierbar in der Halteeinrichtung eingespannt sein. Die Halteeinrichtung kann das Blechpaket radial einspannen, insbesondere entlang einer radialen Einspannachse 90° versetzt zur Wicklungsebene, oder auch axial einspannen. In dieser Ausführungsform ist die Halteeinrichtung derart eingerichtet, dass das Blechpaket verfahrbar zumindest bezüglich einer Längsachse des Wicklungsverlaufs parallel zur Erstreckung des zu bewickelnden Zahns bzw. Jochs ist und/oder eine X/Y-Beweglichkeit bezüglich einer Querschnittsebene des Zahns bzw. Jochs bereitgestellt ist. Insbesondere kann die Halteeinrichtung eine rotatorische Bewegung des Blechpackets gegenüber der Querschnittsebene des Zahns bzw. Jochs bereitstellen, so dass der Wickelarm den Draht entlang einer Nut des Blechpakets führen, hiernach das Blechpaket um einen Winkel entsprechend der Breite des Zahns bzw. Jochs verdreht werden, und hiernach der Wickelarm den Draht entlang der benachbarten Nut zur Umwicklung des Jochs führen kann. Dabei ist selbstverständlich, dass die Drahtführungsplatten entweder entsprechend mitbewegt oder zusätzliche Drahtführungsplatten für die Drahtführung des bewegten Blechpakets zur Drahtführung vorgesehen sind.
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In einem nebengeordneten Aspekt schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Bewicklung eines Blechpakets mit einer Magnetspule vor. Dabei wird ein leitfähiger und isolierter Spulendraht in eine oder mehrere Nuten, insbesondere Ankernuten eines Ankers unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung eingewickelt. Dabei wird ein mit Isolierpapier in den Nuten versehenes Blechpaket in die Wickelvorrichtung eingelegt, wobei Drahtführungsplatten die Nutkanten und die Abschlusskanten des Isolierpapiers während des Drahtwickelvorgangs abdecken, so dass der Spulendraht während des Wickelvorgangs durch die Drahtführungsplatten über die Nutkanten und die Abschlusskanten des Isolierpapiers geführt wird. Somit wird das direkte Bewickeln eines Blechpakets eines Stators oder Läufers vorgeschlagen, bei dem eine Drahtführung eines Spulendrahtes in eine Wicklungsnut bereitgestellt ist, wobei scharfe Nutkanten und der Endbereich des Isolierpapiers durch eine Drahtführungsplatte abgedeckt sind, so dass der Draht mittels der Drahtführungsplatte in die Nut geführt und vor Verletzungen an der Nutkante oder Hinterwicklung zwischen Isolierpapier und Nutflanke oder Nutgrund geschützt wird. Somit kann eine hohe Wickelgeschwindigkeit bei einer erhöhten Isolationsfestigkeit erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens wird vorgeschlagen, dass jeweils zwei in Richtung Nutflanke zweier benachbarter Nuten gebogene Drahtführungsplatten die Nutkanten überdecken und das Isolierpapier fixieren, und eine konvex gebogene, bevorzugt rinnenförmig ausgeformte dritte Drahtführungsplatte den die beiden benachbarten Nuten trennenden Zahn des Blechpaketes überdeckt und das Isolierpapier fixiert, wobei der Zahn bzw. die Jochrippe zwischen der Doppelnut bewickelt wird, bzw. simultan eine Doppelrippe bewickelt werden kann. Diese Weiterentwicklung des Wicklungsverfahrens schlägt eine verbesserte Drahtführung zweier benachbarter Wicklungsnuten, die ein zu bewickelndes Joch bzw. Zahn flankieren vor, wobei der Zahn bzw. das Joch durch eine rinnenförmige Drahtführungsplatte abgedeckt, sowie die flankierenden Nutkanten durch zwei Drahtführungsplatten abgedeckt sind, um im Querschnitt betrachtet in Form eines Doppeltrichters eine verbesserte Drahtführung zu erreichen. Insbesondere für die Bewicklung eines Ankers eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur effizienten Bewicklung der Ankerzähne mit verbesserter Wicklungsqualität und niedriger Ausschussquote.
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Vorteilhafterweise bietet es sich an, das Verfahren zur Erstellung einer H-Wicklung des Rotors einzusetzen. Bei der H-Wicklung kann die Anzahl der Spulen geradzahlig oder ungeradzahlig sein. Bei geradzahligen Spulen ist die H-Wicklung aufgebaut aus zwei um 180° versetzte und gleichzeitig gewickelte Spulen. Sie führt zu geringerer Unwucht des Läufers. Eine ungerade Anzahl von Spulen und Lamellen verbessert die Kommutierung, weil nicht gleichzeitig beide Bürsten kommutieren. Insbesondere durch die simultane Bewicklung einer Doppelnut kann eine H-Wicklung mit hoher Wicklungsqualität, hoher Durchschlagfestigkeit und langer Lebensdauer hergestellt werden.
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In einem weiteren nebengeordneten Aspekt schlägt die Erfindung einen Elektromotor, insbesondere einen Reihen-, Neben- oder Doppelschluss-Wechselstrommotor vor, der einen Stator und/oder einen Läufer umfasst, der aus zumindest einem Blechpaket, insbesondere einem Anker zusammengesetzt ist, der mit einer der vorstehenden Ausführungsformen einer Wickelvorrichtung bewickelt ist. Grundsätzlich kann das Wickelverfahren und der resultierende Anker in einem Elektromotor oder Elektrogenerator für beliebige Einsatzzwecke im Gleichstrom, Wechsel- oder Drehstrombetrieb und für alle Leistungsgrößen eingesetzt werden. Das Ankerblechpaket ist nach einem der vorgenannten Bewicklungsverfahren mit zumindest einer Magnetspule bewickelt, und der Elektromotor ist entsprechend des nebengeordneten Aspekts ausgelegt, um in einem Elektrowerkzeug, bevorzugt in einer handgeführten Elektrowerkzeugmaschine, wie einem Winkelschleifer, einer Bohrmaschine oder einem Bohrhammer, eingesetzt zu werden. Derartige Motoren weisen eine hohe Leistungsdichte bei kleiner Baugröße auf, wobei kurzfristige Lastspitzen auftreten können, daher ist eine hohe Qualität der Ankerbewicklung wesentlich für Langlebigkeit und Effizienz der Werkzeugmaschine Durch einen verbesserten Aufbau der gewickelten Magnetspule können elektrisch effiziente Elektromotoren vorgeschlagen werden, die bei geringerer Baugröße gleiche elektrische Leistung bringen und somit insbesondere bei handgeführten Elektrowerkzeugen zu einer Verkleinerung, Gewichtsersparnis und kompakteren Bauweise führen können.
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Dementsprechend wird in einem weiteren erfinderischen Aspekt eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, die einen vorangehend beschriebenen Motor umfasst.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 in perspektivischer Darstellung einen Läufer eines Kommutator-Elektromotors mit einer Ankerwicklung, hergestellt mit einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Schemaskizze eines Ankers mit teilweise bewickelten Zähnen nach dem Stand der Technik;
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3 schematisch ein Achsenquerschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wicklungsvorrichtung;
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4 schematisch ein Achsenquerschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wicklungsvorrichtung;
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5 schematisch ein Achsenquerschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wicklungsvorrichtung;
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6 Draufsicht auf die dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Läufer 52 eines Kommutator-Elektromotors, der sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom verwendbar ist, wobei die Bestromung der Magnetspule 48 der Läuferwicklung mittels einer Kommutator-Schleifringanordnung 62 und nicht dargestellter Bürsten erfolgt. Hierzu besteht das Ankerblechpaket 18 aus einer Vielzahl einzelner Zähne 50, die Nuten 16 definieren, wobei die Magnetspule 48 in benachbarte oder beabstandeten Nuten 16 eingewickelt sind, wobei die beiden Enden der Magnetspule 48 entsprechend der Ausrichtung des Läufers 52 gegenüber den Bürsten im stehenden Teil der Elektromaschine mit Kommutatorblechen der Schleifringanordnung 62 elektrisch verbunden sind. Der Läufer 52 dreht sich um eine Rotationsachse 46, die in dem stehenden Teil der Elektromaschine gelagert ist. Die einzelnen Magnetspulen 48 des Läufers 52 sind in zwei oder mehreren radial gegenüberliegende oder um mehrere Zähne 50 versetzte Nuten 16 eingelegt oder in Doppelnuten 44 um Zähne 50 gewickelt, die als Joch mit verbreitertem Kopfteil ausgebildet sind. Zur Bewicklung des Ankerblechpakets 18 können einzelne Spulendrähte 14 um die Zähne 50 gewickelt sein, wobei jede Magnetspule 48 in Serie um mehrere Zähne 50 gewickelt sein kann. Alternativ kann ein Spulendraht 14 in zwei oder mehrere Nuten 16, die durch mehrere Zähne 50 beabstandet sind, gewickelt sein. Anschließend wird die Magnetspule 48 mit Kommutatorblechen der Schleifringanordnung 62 verbunden bzw. verlötet und gegebenenfalls durch Kunstharz oder andere Isoliermaterialien vergossen, um einen langlebigen Betrieb der Elektromaschine zu gewährleisten. In den einzelnen Nuten 16 ist Isolierpapier 28 eingelassen, der den Spulendraht 14 der Magnetspule 48 gegenüber dem Eisenblechpaket 12 isoliert.
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In der 2 ist eine axial gegenüberliegende perspektivische Ansicht des Läufers 52 nach 1 dargestellt. Der Läufer 52 weist ein Ankerblechpaket 18 auf, wobei entlang des Umfangs eine Vielzahl einzelner Zähne 50 angeordnet sind, die jochartig zur Ausbildung von Magnetpolen den Außenumfang des Blechpakets 18 definieren. Radial gegenüberliegende Nuten 16 sind mit einer Magnetspule 48 nach einem vorgeschlagenen Wickelverfahren bewickelt, wobei ein Spulendraht 14 in den durch zwei benachbarte Zähne 50 definierte Nuten eingelegt ist. In jede Nut 16 können Drähte von zwei oder mehreren Magnetspulen 48 gewickelt sein, wobei die radial gegenüberliegende und ebenfalls bewickelte Nut 16 der Magnetspule 48 um mehrere Zähne 50 versetzt sein kann. Jeder Zahn 50 ist von einer Doppelnut 44 begrenzt, wobei in jeder Nut 16 ein Isolierpapier 28 eingelegt ist. Das Isolierpapier 28 ist im Wesentlichen U-förmig gebogen und weist zwei nach innen abgewinkelte Abschlusskanten 30 auf, und dient dazu, die Magnetspule 50 gegenüber den Nutflanken 36 und dem Nutgrund 34 zu isolieren. Beim Einwickeln des Spulendrahts 14 in die Nut 16 kann es an einer Nutkante 26 zu Beschädigungen des Isolierlacks der Magnetspule 14 kommen, so dass der Isolationswiderstand des Läufers 52 herabgesetzt bzw. nicht mehr gegeben ist. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass ein Spulendraht 14 zwischen Isolierpapier 28 und Nutflanke 36 bzw. Nutgrund 34 gerät, so dass ein direkter Kontakt zwischen Spulendraht 14 und Ankerblechpaket 18 gebildet werden kann, so dass bei dünner oder beschädigter Isolierung des Spulendrahts 14 ein Kurzschluss bzw. ungewollter Stromfluss über das Eisenblechpaket 12 zu Stande kommt, und den Betrieb des Elektromotors dadurch gefährdet.
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In der 3 ist ein Achsenquerschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wicklungsvorrichtung 10 dargestellt. Die Wicklungsvorrichtung 10 umfasst einen Wickelarm 22, der einen Spulendraht 14 in einer Nut 16 eines Ankerblechpakets 18 führt und einwickelt, wobei das Ankerblechpaket 18 zwischen backenförmig ausgeformten Halteeinrichtungen 20a, 20b eingespannt ist. Die Halteeinrichtungen 20a, 20b greifen am radialen Umfang des Ankerblechpakets 18 an und sind um 90° gegenüber der Drahtführung des einzuwickelnden Spulendrahts 14 angeordnet. Das Ankerblechpaket 18 weist mehrere jochartige Zähne 50 auf, wobei jeder Zahn 50 von einer Doppelnut 44 begrenzt ist. Die Magnetspule 48 wird durch ein Einwickeln eines Spulendrahts 14 entlang einer ersten Nut 16 der Doppelnut 44 in eine Richtung und ein Rückeinwickeln des Drahtes 14 in einer radial gegenüberliegenden Nut 16 einer weiteren Doppelnut 44 hergestellt, wobei der Spulendraht 14 an den axialen Enden des Ankerblechpakets 18 quer über die axiale Endfläche zwischen den beiden um mehrere Zähne 50 versetzten Nuten 16 geführt wird, um die Magnetspule 48 auszubilden. Simultan zur Einwicklung des ersten Drahtes 14 durch einen ersten Wickelarm 22 zur Ausbildung einer ersten Magnetspule 48 kann in der benachbarten Doppelnut ein zweiter Wickelarm 22 (unten dargestellt) eine parallele Bewicklung der zweiten Nut der Doppelnut 44 zur Ausbildung einer zweiten Magnetspule 48 vornehmen. Zum Schutz vor Beschädigungen der Spulendrähte 14 beim Einwickeln in die Nut 16 sind die Nutkanten 26 der Doppelnuten 44 sowie die Abschlusskante 30 des in der jeweiligen Nut 16 eingelegten Isolierpapiers 28 durch Drahtführungsplatten 24a, 24b und 24c abgedeckt. Hierbei überdeckt die Drahtführungsplatte 24a eine außenliegende Nutkante 26 der Doppelnut 44, Drahtführungsplatte 24b in der benachbarten Nut 16 der Doppelnut 44 die hierzu gegenüber liegende Nutkante 26, die im Querschnitt halbkreisförmig gebogene mittlere Drahtführungsplatte 24c, die rinnenförmig ausgebildet ist, den zu umwickelnden Zahn 50, so dass im Querschnitt ein Doppeltrichter bzw. von oben betrachtet eine Doppelrinne entsteht, in die der Draht 14 von dem Wicklungsarm 22 in die Doppelnut 44 eingewickelt werden kann. Hierzu sind die beiden äußeren flankierenden Drahtführungsplatten 24a und 24b konvex in Richtung Nutgrund 34 gebogen und die mittlere Drahtführungsplatte 24c ebenfalls in Richtung Nutgrund ausgerichtet. Die Enden der Drahtführungsplatten 24 sind abgerundet, so dass beim Einwickeln der Draht 14 der Isolierlack nicht an scharfen Kanten der Drahtführungsplatten 24 beschädigt werden kann. Die Anordnung der Drahtführungsplatten 24 ist entsprechend an der umfangmäßig versetzten Doppelnut 44, die die Gegennuten 16 zur Einwicklung der Magnetspulen 48 ausbilden, vorgesehen. Grundsätzlich können auch statt einer Bewicklung einer Doppelnut die Nutkanten 26 einer einzelnen Nut 16 mittels zweier Drahtführungsplatten 24a, 24b abgedeckt sein. Durch die Einführung der Drahtführungsplatten über die Nutkante 26 und die Abschlusskante 30 des Isolierpapiers 28 kann der Spulendraht 14 ohne Beschädigung sowie ohne Gefahr einer Hinterwicklung des Isolierpapiers 28 in die Doppelnut um den Zahn 50 gewickelt werden. Nach Abschluss eines Längswickelvorgangs kann der Läufer entweder um seine Rotationsachse 46 verdreht oder in der X/Y-Querschnittsebene verschoben werden, so dass der Wicklungsarm bei der rückwärtigen Bewegung die benachbarte Nut 16 der Doppelnut 44 bewickeln kann. Somit wird eine effiziente Bewicklung ohne Beschädigung des Spulendrahts und ohne Gefahr einer Hinterwicklung ermöglicht.
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In der 4 wird eine alternative Ausführungsform einer Wicklungsvorrichtung 10 dargestellt. Hierbei sind gleichartige Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In Abwandlung zu der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Drahtführungsplatten 24a, 24b und 24c nicht abgerundet, sondern haben einen abknickenden Verlauf in Richtung Nutgrund, und weisen an ihren Endkanten 32, Klemmkanten 42 an den äußeren Drahtführungsplatten 24a, 24b sowie Klemmschlitze 40 an der mittleren dachartig ausgeformten Drahtführungsplatte 24c auf, die eine Isolierpapierklemmeinrichtung 38 bereitstellt, so dass die Abschlusskante 30 des Isolierpapiers 28 durch die Klemmschlitze 40 bzw. Klemmkanten 42 eingeklemmt und somit das Isolierpapier 28 in der Nut 16 lagefixiert ist. Ansonsten entspricht die Wirkungsweise der Wickelvorrichtung nach 4 dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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In den 5 und 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst eine an der Rotationsachse 46 eines Ankerblechpakets 18 angreifende Halteeinrichtung 20a, 20b, die eine rotatorische Drehung des Ankerblechpakets während des Wickelvorgangs ermöglicht. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Y-Achse und 6 eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Wickelvorrichtung 10. Ein Wickelarm 22, der in seinem Längsende ein Wickelrad 54 aufweist, kann einen Spulendraht 14 in eine Nut 16 eines vielpoligen Ankers 18 führen, den Draht über die axiale Endfläche des Ankerblechpaketes 18 führen, und um eine umfangmäßig beabstandete Nut 16 zurückführen. Während des Wickelvorgangs wird der Wickelarm 22 über einen Wickelarmantrieb 56 entlang der Längsachse des Ankers 18 geführt, um den Spulendraht 14 in eine Nut 16 einzuwickeln. Nach dem Einlegen des Spulendrahts 14 in eine Nut 16 verdreht die Halteeinrichtung 20a, 20b des Ankerblechpakets um einen Winkel, der der Breite eines oder mehrerer Zähne 50 des Ankerblechpakets 18 entspricht, und der Wickelarm 22 führt eine rückwärtige Bewegung aus, um den Draht 14 in die Gegennut 16 einzuwickeln, um somit die Magnetspule 48 auszubilden. Die Nutkanten der jeweils zu bewickelnden Nut 16 werde durch zwei Drahtführungsplatten 24a, 24b, oder bei Bewicklung einer Doppelnut durch drei Drahtführungsplatten 24a, 24b und 24c derart abgedeckt, dass die flankierenden Nutkanten 26 sowie die Nutkante 26 des zu bewickelnden Zahns abgedeckt und die darin befindlichen Isolierpapiere 28 ebenfalls abgedeckt sind, um so ein trichterartiges, doppeltrichterartiges bzw. doppelrinnenförmiges Einfädeln des Spulendrahts 14 in die Nut 16 bzw. Doppelnut 44 zu ermöglichen. Der Wickelarm 22 sowie die Halteinrichtungen 20a, 20b sind in einem Vorrichtungsträger 58 gelagert, wobei der Läufer 52 automatisiert in die Wickelvorrichtung 10 eingelegt und auch entnommen werden kann.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Wicklungsvorrichtung kann hocheffizient mit hoher Isolierqualität und geringstmöglichem Ausschuss ein Anker eines Elektromotors bewickelt werden. Die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung eignet sich insbesondere für eine Flyerbewicklung für einen Elektromotor, insbesondere für eine Elektrowerkzeugmaschine. Der Anker kann zwischen zwei Wickelbacken gehalten werden, die den Draht während des Wickelvorgangs in die Nut einführen. Die zusätzliche Drahtführung durch die Drahtführungsplatten führt den Draht an der Kante der Nut und an der Kante der Kastenisolation durch Isolierpapier vorbei, so dass dieser ungehindert bis zum Nutgrund eingelegt werden kann. Dazu müssen zwei entsprechend geformte Drahtführungsplatten von den Wickelbacken in die Nuten geschoben werden und eine zusätzliche U-förmige Drahtführungsplatte von oben über einen Zahn vom Ankerpaket gehalten werden, so dass ein Magnetspulendraht durch die beiden seitlichen Drahtführungsplatten und die U-förmige mittlere Drahtführungsplatte in die beiden den Zahn flankierenden Paketnuten an den Nutkanten und am Isolierpapier vorbei eingeführt werden kann. Dies Art der Drahtführung sichert einen ungehinderten und verletzungsfreien Weg des Spulendrahts. Das Entstehen von Hinterwicklern wird durch das Überdecken des Spaltes zwischen Isolierpapier und Ankerpaket vermieden. Bei einer fehlerhaft eingeführten Drahtführung oder bei einer fehlerhaften Position der Drahtführungsplatten oder des Isolierpapiers werden die Drähte konsequent daneben gewickelt, so dass bei einer Sichtprüfung oder einer elektrischen Prüfung mit Sicherheit erkannt werden kann, dass der Spulendraht nicht ordnungsgemäß in das Isolierpapier der Nut eingewickelt ist.
