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Die Erfindung betrifft einen eine polygonale Querschnittsfläche aufweisenden Wickeldraht zur Herstellung einer Wicklung für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine für ein Fahrzeug, oder für einen Generator. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Wickeln eines eine polygonale Querschnittsfläche aufweisenden Wickeldrahtes auf einem Wicklungsträger, bei dem eine Vielzahl von benachbarten Windungen aufweisende, mehrlagige Wicklungen des Wickeldrahtes auf dem Wicklungsträger hergestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung einen zur Anwendung bei dem Verfahren bestimmten Wicklungsträger.
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Im Elektromaschinenbau ist es bekannt, Wicklungen aus elektrisch isolierten Drähten anzufertigen. Für die Herstellung solcher Wicklungen werden Drähte mit einem im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt verwendet.
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Der Anteil des vom Spulendrahtmaterial eingenommenen Raumes im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Spulenwicklung wird Füllfaktor bzw. Kupferfüllfaktor genannt. Bei einem über eine höhere Windungszahl realisierten höheren Füllfaktor, d. h. mittels einer dichteren Packung der Windungen, erhält man bei unverändertem Drahtdurchmesser und bei gleichem Spulenstrom ein größeres Statorpolfeld und damit ein höheres Motordrehmoment, wobei das Spulenvolumen unverändert beibehalten wird.
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Bei elektrischen Maschinen stellt die Leistungsdichte zunehmend das für die Praxis entscheidende Kriterium dar. Dies gilt beispielsweise für Hybrid-, Brennstoffzellen- bzw. Elektro-Antriebe in einem Kraftfahrzeug, da hier besonders hohe Ansprüche hinsichtlich eines möglichst reduzierten Gewichtes und Volumens des Elektromotors herrschen.
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Der erreichbare Füllfaktor für Drähte mit kreisförmigem Querschnitt solcher Wicklungen bzw. Nuten liegt in der Größenordnung von ca. 65%. Es ist auch bereits bekannt, im Querschnitt rechteckige Kupferdrähte oder Kupferbänder zu verwenden. Bei Kupferdrähten, die einen Querschnitt von weniger als 1 mm2 aufweisen, ist das Verlegen von Formdrähten schwierig.
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Die
EP 0 356 498 B1 bezieht sich auf die Herstellung eines Eisenkörpers aus einer Wicklung mit einer Vielzahl neben- und übereinander liegender Windungen aus einem elektrisch isolierten Draht von im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt. Durch eine äußere Krafteinwirkung werden die Windungen wabenartig verformt.
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Darüber hinaus ist es auch bereits bekannt, durch die Verwendung eines eckigen Querschnittes in Rechteck- oder Trapezform den verfügbaren Platz optimal auszunutzen. Dadurch wird ein möglichst großer Kupferdrahtquerschnitt untergebracht, ohne dass hierzu eine Verformung der erzeugten Wicklung erforderlich ist.
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Aus der
DE 103 13 148 A1 ist eine Wicklung für eine elektrische Maschine umfassend ein Leiterbündel aus eckigen Einzeldrähten bekannt, die jeweils gegeneinander isoliert sind.
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Die
DE 10 2004 037 866 A1 bezieht sich auf Maßnahmen zur Verbesserung des Raumfaktors beim Wickeln eines rechteckigen Drahtes auf einen Wicklungsträger.
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Die
DE 10 2004 025 105 A1 offenbart Wicklungen, die aus einem Rechteckdraht gefertigt sind, der einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, um den Raumfaktor zu verbessern.
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Außerdem bezieht sich die
DE 10 2007 037 611 B3 auf einen Wicklungsträger mit einem Wickelkörper, dessen Mantelfläche einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
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Es hat sich bereits gezeigt, dass zum Wickeln solcher polygonaler Wickeldrähte zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. So beschreibt beispielsweise die
DE 197 39 520 C2 eine Vorrichtung zum Wickeln eines Flachdrahtes auf einen Kern mit einem jeweils einen Flansch aufweisenden Gegenlager und Wickelwerkzeug. Dabei ist der relative Abstand des Gegenlagers gegenüber dem Wickelwerkzeug derart einstellbar, dass zwischen der Wicklung und dem Flansch ein geeigneter Spalt für den zuzuführenden Flachdraht festlegbar ist.
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Aus der
DE 1 940 938 A1 ist eine Wickelvorrichtung zur Herstellung von Spulen aus Flachdraht bekannt, durch die mehrere nebeneinander liegende Windungen hochkant um einen Profildorn gewickelt werden.
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Weiterhin beschreibt auch die
DE 1 638 530 A1 eine Flachdrahtwicklung mit festen Wicklungen, bei denen die Flachdrähte hochkant stehen.
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Die
DE 29 05 996 A1 bezieht sich auf eine mit einem Flachdraht hergestellte Induktionsspule. Um die Spule nach der Wicklung verformen zu können und dabei das Gleiten der Windungen aneinander zu vermeiden, ist der Querschnitt des verwendeten Flachdrahtes derart gewählt, dass die die Spule bildenden Windungen nach dem Wickeln ineinander gefügt sind. Hierzu kann der Flachdraht eine kreisbogenförmige Querschnittsform aufweisen.
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Ferner beziehen sich auch die
DE 1 188 194 B sowie die
JP 2004-071604 A auf die Herstellung von Wicklungen aus Flachdraht.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen wesentlich optimierten Wickeldraht zu schaffen. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem solchen Wickeldraht hergestellten Wicklung sowie ein hierzu geeigneter Wicklungsträger geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Wickeldraht gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß weist also ein Wickeldraht eine regelmäßige polygonale Querschnittsform auf. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise ein besonders hoher Kupferfüllgrad erreicht, ohne dass hierzu die zuvor hergestellte Wicklung einer nachträglichen Umformung durch Pressen unterzogen werden muss. Indem also auf eine äußere Krafteinwirkung auf die bereits hergestellte Wicklung verzichtet werden kann, wird die damit verbundene Gefahr der Beschädigung des Wickeldrahtes vermieden, sodass sehr hohe Qualitätsanforderungen erfüllt werden können. Die Windungen einer nachfolgenden Windung lassen sich somit nahezu ohne einen unerwünschten Freiraum zwischen benachbarten oder aufeinander aufliegenden Windungen zu der Wicklung fügen, sodass deren Abstand im Wesentlichen lediglich durch die Isolierschicht des Wickeldrahtes bestimmt ist. Insbesondere ist es bei Versuchen bereits gelungen, infolge der polygonalen Querschnittsform des Wickeldrahtes eine nahezu formschlüssige, mehrlagige Wicklung zu erzeugen. Dadurch wird eine unerwünschte seitliche Verlagerung nachfolgender Windungen von der vorbestimmten Position ausgeschlossen. Im Gegensatz zu an sich bekannten Flachdrähten ist hingegen die Drahtführung beim Anbringen der Wicklung wesentlich vereinfacht, weil die Seiten des Wickeldrahtquerschnittes übereinstimmen und somit keiner besonderen Ausrichtung bzw. Führung bedürfen. Eine in Bezug auf die Wickelachse radial nach außen weisende Fläche wird dabei in einfacher Weise während des gesamten Wickelvorganges erhalten. Dabei wird unter einer regelmäßigen polygonalen Querschnittsform jedes Vieleck verstanden, welches gleiche Seiten und gleiche Innenwinkel aufweist und bei welchem die Ecken gleichbeabstandet auf einem Kreis liegen.
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Dabei hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die polygonale Querschnittsform eine gerade Anzahl gleich langer Seiten aufweist. Hierdurch verlaufen gegenüberliegende Seitenflächen der Wickeldrähte parallel und vereinfachen insbesondere als Auflagefläche für nachfolgende Windungen den Wickelprozess wesentlich.
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Bei einer besonders einfachen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Wickeldrahtes weist der Wickeldraht eine quadratische Querschnittsfläche auf. Hierdurch wird im Vergleich zu anderen polygonalen Querschnittsformen die seitliche Einfassung in axialer Richtung der Wicklung vereinfacht, die dadurch eine Ebene bildet. Der Füllgrad kann dadurch maximiert werden.
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Bei einer anderen, besonders praxisnahen Ausgestaltung weist der Wickeldraht eine regelmäßige hexagonale Querschnittsfläche auf, wobei also der Querschnitt sechs Seiten aufweist, die gleich lang sind und wobei alle Winkel an den sechs Ecken gleich groß sind und die Seiten so ein regelmäßiges Sechseck bilden. Im Querschnitt der die Wicklung bildenden Windungen zeigen diese eine regelmäßige Wabenstruktur. Es hat sich auch bereits gezeigt, dass die hexagonalen Wickeldrähte regelmäßige Lagen aus mehreren benachbarten Windungen erzeugen, in deren Zwischenraum sich die nachfolgende Windung problemlos einfügen lässt. Die raumsparende Wabenstruktur entsteht dabei ohne großen Führungsaufwand und ohne dass ein nachträgliches Verpressen notwendig wird. Indem die benachbarten Windungen eine nutenförmige Aussparung begrenzen, deren Flanken geneigt sind, bilden diese zugleich eine Führungshilfe für die nachfolgend aufzubringende Windung einer weiteren Windungsebene.
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Der Wickeldraht weist üblicherweise eine Isolierschicht, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial auf, die auch als Lack aufgebracht werden kann, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt ist. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Wickeldraht eine Backlackschicht aufweist, um so die Wicklung nach der Fertigstellung zu einer unlösbaren Einheit zu verbinden und diese problemlos von dem Wicklungsträger lösen zu können.
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Weiterhin hat es sich bereits als Erfolg versprechend erwiesen, wenn der Durchmesser des Wickeldrahtes größer oder gleich 1 mm in Bezug auf einen die Ecken des polygonalen Querschnittes verbindenden Kreises bemessen ist.
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Die zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem solchen Wickeldraht hergestellten Wicklung zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass der Drahtführer für den Wickeldraht in Abhängigkeit der mittels eines insbesondere eine CCD-Kamera aufweisenden optischen Sensors erfassten Signale in Richtung von drei Raumachsen bewegt wird. Hierdurch wird ein Regelkreis bei der Herstellung der Wicklung realisiert, durch den eine unmittelbare Korrektur möglicher Soll-Ist-Abweichungen vorgenommen werden kann. Mittels des optischen Sensors werden dabei beispielsweise die Lage und Orientierung einer Außenfläche des polygonalen Wickeldrahtes erfasst, sodass in einfacher Weise eine unerwünschte Drehung des Wickeldrahtes um seine Längsachse vermieden werden kann. Hierzu kann beispielsweise das von der Oberfläche des Wickeldrahtes reflektierte Licht kontinuierlich nach dem Prinzip der Triangulation erfasst werden.
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Indem gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung während des Wickelprozesses ein Soll-Ist-Abgleich der Drahtposition durchgeführt und gegebenenfalls ein Korrektursignal für die Drahtführer erzeugt wird, lässt sich nicht nur die axiale Position des Wickeldrahtes in Bezug auf den Wicklungsträger korrigieren, sondern auch dessen Winkellage in Bezug auf seine Längsachse. Hierzu ist der Drahtführer um die Längsachse des Wickeldrahtes schwenkbeweglich ausgeführt und entsprechend der erfassten Signale steuerbar.
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Bei Spulenwicklungen werden Windungen der Spulenwicklung spiralförmig aufgebracht, wobei die Windungen in mehreren Lagen angeordnet sind. Vorzugsweise wird der Wickelprozess dabei als orthozyklische Wicklung durchgeführt, um den orthozyklischen Aufbau einer Wicklung zu begünstigen, indem der Wicklungsträger mit einer Profilierung versehen ist. Die Struktur der Prägung weist eine Rillenstruktur auf. Die Rillenstruktur ermöglicht ein definiertes Ablegen der ersten Lage von Windungen der Spulenwicklung.
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Schließlich wird die Aufgabe, einen zur Anwendung bei dem Verfahren geeigneten Wicklungsträger zu schaffen, dadurch gelöst, dass dieser an seinem Umfang umlaufend angeordnete nutenförmige Vertiefungen aufweist, mit gegensinnig geneigten, ebenen Flanken. Hierdurch liegt der Wicklungsdraht während der Durchführung des Wickelprozesses an den Flanken der Vertiefungen flächig und formschlüssig an.
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Dabei könnten die Vertiefungen derart ausgeführt sein, dass die Flanken eine parallel zur Rotationsachse verlaufende, einen Nutengrund bildende Grundfläche bilden. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Variante des erfindungsgemäßen Wicklungsträgers, bei der die ebenen Flanken der Vertiefung im Bereich des Nutengrundes aufeinandertreffen. Hierdurch liegt der Wickeldraht nicht mit einer seiner Außenflächen parallel zu der Wickelachse des Wicklungsträgers auf diesem auf, sondern mit einer zwei Außenflächen verbindenden Außenkante. Somit wird jede Vertiefung lediglich durch die gegenüberliegenden Flanken gebildet, sodass nicht nur der Herstellungsaufwand für den Wicklungsträger reduziert ist, sondern zudem das Anbringen der einzelnen, benachbarten Windungen dadurch erleichtert wird, dass diese unmittelbar gegeneinander liegen.
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Bei einer weiteren, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Variante der Erfindung ist der Wicklungsträger mehrteilig ausgeführt, sodass jedes Wicklungsträgerteil lediglich einen Anteil des gesamten Umfanges des Wicklungsträgers als Umfangsabschnitt aufweist. Hierdurch lässt sich die Wicklung nach der Fertigstellung von dem Wicklungsträger lösen, indem dessen Wicklungsträgerteile getrennt werden. Bei einer einfachen Variante ist der Wicklungsträger hierzu aus zwei Halbschalen zusammengesetzt, deren Teilungsebene durch die Dreh- oder Symmetrieachse des Wicklungsträgers verläuft. Hierzu besteht der Wicklungsträger zumindest in seinem die Auflagefläche für den Wickeldraht bildenden Bereich aus Kunststoff.
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Der Wicklungsträger könnte rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Ausführungsform, bei welcher der Wicklungsträger einen polygonalen Querschnitt hat.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer geschnittenen Darstellung in
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1 einen Wicklungsträger zur flachen Auflage einer Außenfläche des Wickeldrahtes;
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2 eine Variante des Wicklungsträgers, bei der der Wickeldraht über seine Außenkante gewickelt wird.
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1 zeigt in einer längs geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Wicklungsträger 1 für einen Wickeldraht 2 mit einer regelmäßigen polygonalen Querschnittsform und sechs gleichen Außenflächen 3, die entlang ihrer Außenkanten 4 verbunden sind. Hierdurch werden in überraschend einfacher Weise ein besonders hoher Füllgrad erreicht und das Anbringen einer Wicklung 5 auf dem Wicklungsträger 1 vereinfacht. In dem dargestellten Beispiel des Wickeldrahtes 2 mit einer Querschnittsform eines regelmäßigen Sechsecks begrenzen jeweils die ebenen Außenflächen 3 von drei Windungen 6, 7, 8 eine Vertiefung für die nachfolgend anzubringende, lediglich gestrichelt dargestellte Windung 9, wobei eine erste Windung 6 einer inneren Ebene zugeordnet ist und die beiden übrigen Windungen 7, 8 einer mittleren Ebene zugeordnet sind. Somit liegt der Wickeldraht 2 jederzeit flächig und derart formschlüssig an den Außenflächen 3 der benachbarten Windungen 6, 7, 8 an, dass eine unerwünschte Drehung um eine Drahtlängsachse vermieden werden kann. Um die gewünschte hohe Packungsdichte zuverlässig zu erreichen, hat der Wicklungsträger 1 an seinem Umfang umlaufend angeordnete nutenförmige Vertiefungen 10 mit gegensinnig geneigten, ebenen Flanken 11 und einer zwischen diesen jeweils eingeschlossenen Nutengrundfläche 12, die parallel zu einer Rotationsachse 13 des Wicklungsträgers 1 verläuft. Bei der durch die Windung 6 gebildeten inneren Lage liegt der Wickeldraht 2 an den Flanken 11 der Vertiefungen 10 und der Nutengrundfläche 12 flächig und formschlüssig an.
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Demgegenüber treffen bei der in 2 dargestellten Variante eines Wicklungsträgers 14 die Flanken 11 einer Vertiefung 16 in einem Nutengrund 15 V-förmig entlang einer Geraden aufeinander. Demensprechend liegt der Wickeldraht 2 nicht mit einer seiner Außenflächen 3 parallel zu der Rotationsachse 13 des Wicklungsträgers 14 auf diesem auf, sondern mit der zwei Außenflächen 3 verbindenden Außenkante 4. Somit wird jede Vertiefung 16 lediglich durch die gegenüberliegenden Flanken 11 gebildet, sodass der Herstellungsaufwand für den Wicklungsträger 14 reduziert ist. Zudem liegt der Wickeldraht 2 jeder Windung 8 gegen die Außenflächen 3 des Wickeldrahtes 2 von lediglich zwei vorhergehenden Windungen 6, 7 an.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wicklungsträger
- 2
- Wickeldraht
- 3
- Außenfläche
- 4
- Außenkante
- 5
- Wicklung
- 6
- Windung
- 7
- Windung
- 8
- Windung
- 9
- Windung
- 10
- Vertiefung
- 11
- Flanke
- 12
- Nutengrundfläche
- 13
- Rotationsachse
- 14
- Wicklungsträger
- 15
- Nutengrund
- 16
- Vertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0356498 B1 [0006]
- DE 3347195 A1 [0007]
- DE 10313148 A1 [0009]
- DE 102004037866 A1 [0010]
- DE 102004025105 A1 [0011]
- DE 102007037611 B3 [0012]
- DE 19739520 C2 [0013]
- DE 1940938 A1 [0014]
- DE 1638530 A1 [0015]
- DE 2905996 A1 [0016]
- DE 1188194 B [0017]
- JP 2004-071604 A [0017]
