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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Isolierungen für mehrere Nuten zum Einlegen je einer Wicklung einer elektromagnetischen Einrichtung, insbesondere einer elektrischen Maschine und besonders eines Stators eines Elektromotors, wobei die Isolierung aus fließfähigem Isoliermaterial hergestellt wird, indem die Nuten zumindest teilweise mit fließfähigem Isoliermaterial gefüllt werden, woraufhin das Isoliermaterial durch Einführen eines oder mehrerer Verdrängungswerkzeuge in die Nuten teilweise aus den Nuten verdrängt wird, wobei ein Verdrängungswerkzeug in einer Nut eine solche Außenoberfläche aufweist, dass zwischen der Außenoberfläche des Verdrängungswerkzeugs und einer Innenfläche der Nut ein Spalt vorliegt, in dem sich nach dem Verdrängen Isoliermaterial befindet, welches nach Abschluss des Herstellverfahrens die Isolierung bildet. Weiter betrifft die Erfindung eine Komponente einer elektrischen Einrichtung, insbesondere eines Stators eines Elektromotors mit mehreren Nuten zum Einlegen von Wicklungen, wobei in den Nuten jeweils eine Isolierung zwischen einer Nutinnenfläche und der jeweils einzulegenden Wicklung angeordnet ist, wobei die Isolierung Isoliermaterial umfasst, das bei seiner Herstellung fließfähig und nach der Herstellung erhärtet ist.
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Bei der Herstellung von Elektromotoren ist man bemüht, Antriebe mit einer hohen Leistungsdichte zu erhalten, um den Materialeinsatz und die Baugröße zu verringern. Das eingesparte Material senkt das Gewicht und liefert so einen Beitrag zum Leichtbau, der hilft, Schadstoffemissionen einzusparen. Von zentraler Bedeutung für den Bau von Antrieben mit hoher Leistungsdichte ist ein hoher elektrischer Füllfaktor in den Nuten.
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In den elektrischen Füllfaktor geht der Leiterquerschnitt in Bezug auf den Nutquerschnitt ein. Um einen hohen Füllfaktor zu erhalten, ist man deshalb bemüht, den Raum, den die Nutisolierung in der Nut einnimmt, gering zu halten, da dieser einen Teil des Nutquerschnitts einnimmt, der nicht für den Leiterquerschnitt zur Verfügung steht.
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Aufgrund der einfachen Herstellbarkeit werden derzeit häufig U-förmige Nutisolierungen aus Papier oder Kunststoff mit beidseitigem Kragen verwendet. Die U-Form resultiert aus der Nutgeometrie, wobei der Kragen dem Schutz gegenüber axialem Verrutschen sowie dem Schutz der Drähte an den Nutkanten dient. Das Ausgangsmaterial für die Herstellung der Nutisolierungen ist Rollenmaterial, welches über Falz-, Schneide- und Bördelprozesse verarbeitet wird. Das Einbringen der Nutisolierungen in die Nuten erfolgt in der Regel einzeln, da ein Werkzeug zum simultanen Einbringen der Nutisolierungen deutlich komplexer und damit teurer wäre. Außerdem ist die Prozesssteuerung beim simultanen Einbringen komplizierter und die Flexibilität der Maschine in Bezug auf andere Auslegungen von zu produzierenden Elektromotoren, insbesondere bei einer Veränderung der Nutanzahl, aufwendiger zu erreichen.
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Im Stand der Technik gibt es bereits Ansätze, dieses herkömmliche Isolationsverfahren für Nuten zu verbessern. Die
DE 26 17 757 schlägt einen Rotor mit Nuten für Wicklungen vor. Um zu verhindern, dass Bleche des Blechpakets des Rotors sich gegeneinander verdrehen, sind in die Nuten des Blechpakets hohle Zapfen einsteckbar. Diese Zapfen weisen an ihrem Außenumfang einen Schlitz auf, so dass Windungen in die Zapfen eingelegt werden können. Auf eine Isolation der Nuten durch die Zapfen gibt die
DE 26 17 757 jedoch keinen Hinweis.
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Die französische Patentanmeldung
FR 2 328 318 offenbart einen ringförmigen Halter mit mehreren kranzartig daran befestigt Nutisolierungen, die gleichzeitig in die Nuten eines Stators eingeschoben werden können. Nach dem Einschieben werden der Ring von den Nutisolierungen abgebrochen und die Nutisolierungen an ihre Endposition gebracht. Das Einbringen von herkömmlichen Nutisolierungen wird so vereinfacht.
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Die
DE 100 44 937 A1 offenbart ein Isolierelement und ein Verfahren zum Einbringen von Wicklungselementen in die Nuten eines Ankers. Es wird vorgeschlagen, eine Art zylindrischen „Käfig“ aus Spritzguss in die Nuten eines Ankers einzuschieben. „Stäbe“ in Längsrichtung des Käfigs sind dabei mit je einem Verbindungsring an einem der Enden des Käfigs verbunden. Die Stäbe sind hohl ausgeführt und ersetzen die klassischen Isolationspapiere als Isolierung. Durch das gemeinsame Einbringen der Isolierungen kann Zeit eingespart werden. Damit der Käfig in die Nuten einschiebbar ist, ist einer der Verbindungsringe an einem der axialen Enden des Käfigs radial nach außen versetzt angeordnet, sodass er das Einschieben der Stäbe in die Nuten nicht behindert. Vorzugsweise wird dieser Ring nach dem Einbringen der Stäbe entfernt. Nachteilig an dem Gegenstand der
DE 100 44 937 A1 ist, dass die Wicklungen durch Öffnungen in die hohlen Stäbe des Käfigs eingezogen werden müssen und nicht eingelegt werden können.
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Die
EP 1 541 315 A1 schlägt ein Verfahren vor, mit welchem die Herstellung von dünnwandigeren Nutisolierungen aus urformbaren Material möglich ist. Das Verfahren ermöglicht eine extreme Dünnwandigkeit bei praktisch unbegrenzter Bauteillänge. Dazu wird in eine Nut ein Werkzeug eingeführt, sodass sich zwischen dem Werkzeug und der Nut ein Spalt bildet. Die Erzeugung der Nutisolierung wird durch einen Verfahrensschritt bewerkstelligt, bei dem durch eine Relativbewegung zwischen dem in der Nut angeordneten Werkzeug und der Nut fließfähiges Material in den Spalt zwischen den beiden Teilen gezogen wird. Dadurch wird das Problem der frühzeitigen Erstarrung der Schmelze im Spalt verhindert, was beim herkömmlichen Spritzgussverfahren das mögliche Verhältnis von Länge zu Dicke begrenzt. In
2 der
EP 1 541 315 A1 ist ein Stator einer elektrischen Maschine mit einer derart hergestellten Isolation dargestellt. Durch das direkte Aufbringen des Isolationsmaterials auf die Nutinnenwände ist die Herstellung einer sehr dünnen Isolation möglich, die im Gegensatz zur herkömmlichen Nutisolation die Ecken der Nuten gut ausfüllt und die Nutinnenwände mit einer dünnen Isolationsschicht bedeckt. Nachteilig an der Lösung gemäß der
EP 1 541 315 A1 ist jedoch, dass die Isolationsschicht nur die Nutinnenseiten schützt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist eine Erweiterung des Verfahrens der gemäß der
EP 1 541 315 A1 , welche die Herstellung von Isolationen an der Innenseite von Nuten beschreibt. Demgemäß werden die Nuten zunächst wenigstens teilweise mit fließfähigem und/oder anderem geeigneten urformbarem Isoliermaterial gefüllt, welches danach zum Teil mittels eines Verdrängungswerkzeugs wieder aus den Nuten verdrängt wird. Insbesondere entspricht die Form des Verdrängungswerkzeugs zur Herstellung im Wesentlichen der Form seiner zugeordneten Nut, wobei die Abmessungen des Verdrängungswerkzeugs in der Nut etwas geringer sind, als die Abmessungen der entsprechenden Innenkontur der Nut, so dass sich zwischen dem Verdrängungswerkzeug und der Nut ein Spalt ergibt, wenn das Verdrängungswerkzeug in die Nut eingeführt wird. Mehrere Verdrängungswerkzeuge für jeweils eine Nut können zu einem Verdrängungswerkzeug für mehrere oder alle Nuten zusammengefasst sein, wobei in dieser Anmeldung davon unabhängig und allgemeingültig das Wort Verdrängungswerkzeug für alle denkbaren Typen verwendet wird. Über die Lehre der
EP 1 543 315 A1 hinaus wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zusätzlich zwei Stirnflächen von Komponenten von Elektromaschinen, in die die Enden von Nuten für Wicklungen auslaufen, mit einer Deckschicht aus ebenfalls fließfähigem Material zu beschichten. Dies findet vorzugsweise während desselben Herstellungsprozesses statt, in dem auch die Isolierung auf dem Nuteninneren hergestellt wird. Ein Vorteil ist, dass eine bewickelte Komponente durch die jeweilige Deckschicht auch gegenüber einem Wickelkopf isoliert wird, in welchem eine Wicklung von einer Nut zu einer anderen verläuft, wobei sich der Wickelkopf meist nahe der Stirnwand der Komponente befindet. Dies trifft auf beide Stirnseiten der Komponente zu, in die die beiden entgegengesetzten Enden der Nuten münden, und die daher auch als Endflächen bezeichnet werden. Zur Herstellung der Deckschichten wird jeweils mindestens ein Hohlraum vorgesehen, der in einem Urformwerkzeug an zwei Stellen angeordnet ist, die an die Endflächen angrenzen, vorzugsweise in einem für die Erzeugung der Isolierungen im Nutinneren mit Verdrängungswerkzeugen modifizierten Spritzgusswerkzeug. Die Verdrängungswerkzeuge können von der Form des Nutinneren abweichen, beispielsweise um Verstärkungen oder Dünnstellen in der Isolierung zu realisieren. Insbesondere ist das Herstellverfahren ein modifiziertes Spritzgussverfahren. Beispielsweise kann es auf einer umgerüsteten Spritzgussmaschine realisiert werden.
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Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Ausführungsform wird ein Herstellverfahren vorgeschlagen, bei dem wenigstens eine Nutisolierung und eine Deckschicht auf den Endflächen zusammenhängend hergestellt werden. Dazu ist der Hohlraum, mit dem die Deckschicht hergestellt wird, mit wenigstens einem der Spalte verbunden, die beim Verdrängen mit dem Verdrängungswerkzeug zwischen der Außenoberfläche des Verdrängungswerkzeugs und der Nutinnenfläche entstehen. Vorteil einer solchen Herstellung ist, dass das urformbare Isoliermaterial zu Beginn des Herstellprozesses dem Hohlraum und dem Nutinneren zugleich zugeführt werden kann. Dies ermöglicht einfache Werkzeuge und eine unaufwendige Herstellung beider Komponenten. Zusätzlich können weitere Schritte entfallen, die für ein nachträgliches Aufbringen der Deckschicht notwendig wären.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Hohlraum so ausgebildet, dass er in dem Urformwerkzeug an der Stirnfläche von wenigstens einem Steg angeordnet ist, der sich zwischen zwei Nuten mit der Isolierung befindet. Auf diese Weise kann ein Teil der Endfläche an dem Steg, insbesondere einschließlich dessen Polschuh, mit einer Deckschicht versehen werden. An dieser Stelle treten viele Windungen der Wicklung aus den Nuten aus, gehen in den Wickelkopf über und sind so dem Kernmaterial der Komponente nah, so dass hier eine besonders hohe Gefahr für einen Kurzschluss vorliegt. Das Vorsehen eine Deckschicht ist daher an dieser Stelle besonders vorteilhaft.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Bereich der Endfläche mit einer Deckschicht versehen, welcher sich in der Tiefenrichtung der Nut von einer Kante eines Nutgrundes aus erstreckt. Auch in diesem Bereich treten typsicherweise viele Windungen der Wicklungen aus der Nut aus, so dass hier eine Deckschicht sehr vorteilhaft ist. Besonders bevorzugt verbindet der genannte Abschnitt der Deckschicht zudem zwei oder mehr Deckschichtabschnitte auf Stirnflächen von Stegen zwischen Nuten. Zur Herstellung der genannten Deckschichten wird der Hohlraum entsprechend ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Deckschicht mit einer größeren Dicke hergestellt, als die Isolierungen in den Nuten. Dies hat den Vorteil, dass eine Verrundung am Übergang der Endfläche in eine Nut innerhalb der Deckschicht mit einem Radius möglich ist, der größer ist, als er nur in der Isolierung möglich wäre. Da die Dicke der Deckschicht auf den Endflächen im Gegensatz zu der Dicke der Nutisolierrungen für den elektrischen Füllfaktor nicht relevant ist, kann die Deckschicht dicker als die Isolierungen ausgeführt werden, was Vorteile für deren Robustheit hat.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, den Übergang der Endflächen in die Nuten zu verrunden. Diese Verrundung kann in der Deckschicht, in der Isolierung der Nuten und/oder denkbarerweise zum Teil auch in dem Material der Komponente verlaufen. Besonders bevorzugt verläuft die Verrundung jedoch ausschließlich in der Deckschicht. Die Verrundung verläuft bevorzugt nur in Isoliermaterial. Dann ist sie durch Urformen leicht herstellbar, indem das Urformwerkzeug an der entsprechenden Stelle ebenfalls entsprechend verrundet ist. Die Verrundung ist zum Einziehen der Wicklungen in die Nuten vorteilhaft, und/oder um zu verhindern, dass scharfe Kanten an den Nutenden beim Betrieb einer elektrischen Maschine die Isolierung der Drähte beschädigen und Kurzschlüsse verursachen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Herstellvorrichtung für die Isolierung und die Deckschicht vorgeschlagen, mittels welcher eines der vorstehend beschriebenen Verfahren durchführbar ist. Beispielsweise kann eine Spritzgussmaschine verwendet werden, in der zusätzlich zur Zuführung von urformbarem Material ein Verdrängungswerkzeug bewegt werden kann.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Komponente einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, welche Nuten zur Aufnahme von Wicklungen aufweist und welche über den Stand der Technik hinaus an den beiden Endflächen, in welche die Nuten auslaufen, jeweils eine Deckschicht aufweist. Es ergeben sich die vorstehend diskutierten Vorteile. Besonders bevorzugt wird für die Deckschicht und die Isolierung dasselbe Material verwendet.
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In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Deckschichten mit wenigstens einer der Isolierschichten verbunden ist, vorzugsweise beide Deckschichten mit allen Nutisolierungen. In dieser Ausführungsform ergibt sich eine Beschichtung beider Flächen an der Kante zwischen der Endfläche und der Nutinnenfläche, was für den Schutz der Drähte der Wicklungen besonders vorteilhaft ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Deckschicht auch den Teil der Endfläche bedeckt, der die Stirnfläche eines Stegs bildet. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Deckschicht dicker als die Isolierungen ist. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Übergang von der Endfläche in die Nut verrundet ausgeführt wird. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Komponente vorgeschlagen, deren Deckschichten und Nutisolierungen nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
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Unabhängig von den beschriebenen Aspekten und Ausführungsformen der Erfindung kommen bevorzugt folgende Kunststoffe in Frage: Polyamid (PA), Polybutylenterephtalat (PBT), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylensulfid (PPS), und/oder Polyphenylenether (PPE).
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 perspektivisch eine schematische Darstellung eines Teils einer Komponente für eine elektrische Maschine mit einer Nutisolierung und einer Deckschicht nach der Erfindung,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der 1 in einer anderen perspektivischen Darstellung,
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3 perspektivisch einen stark vergrößerten Schnitt durch die Komponente aus 1, bei dem eine Endfläche sowie die Nutisolierung und die Deckschicht gezeigt sind,
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4 eine perspektivische Darstellung eines Schnitts durch die Nutisolierung und eine Deckschicht ohne die Komponente,
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5 eine perspektivische Darstellung der Nutisolierung und der Deckschicht ohne die Komponente, wobei zwei Deckschichten gezeigt sind, und
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6 eine perspektivische Ansicht der Komponente einschließlich einer Wicklung, wobei eine Deckschicht zwischen einem Wickelkopf und einem Blechpaket der Komponente gezeigt ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Komponente 1 für eine elektrische Maschine, hier einen Stator eines Elektromotors, der Nuten 2 und dazwischen befindliche Stegen 3 aufweist. Auf die Innenflächen der Nuten 2 ist eine Nutisolierung 4 und auf die Stirnflächen der Stege 3 eine Deckschicht 5 nach der Erfindung aufgebracht. Die Deckschicht 5 ist auf einer Endfläche 6 der Komponente 1 angeordnet, wobei die zu der Endfläche 6 gerichteten Enden der Nuten 2 in der Endfläche 6 liegen. Die Stege 3 weisen an ihren zum Inneren des Stators gerichteten Enden jeweils Polschuhe 7 auf. Die Polschuhe 7 sind jeweils auf ihren Seiten, die zum Inneren der Nuten 2 gerichtet sind, mit der Isolierung 4 beschichtet.
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2 zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus der Komponente 1. Die Merkmale, die auch 1 zeigt, sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert erläutert; es sei auf 1 verwiesen. In der 2 ist zu erkennen, dass die Polschuhe 7 jeweils auf ihren zum Nutinneren gerichteten Seiten mit der Nutisolierung 4 beschichtet sind. Außerdem ist erkennbar, dass am Übergang von der Endfläche 6, welche auch die Stirnflächen der Stege 3 umfasst, in die Nuten 2 jeweils eine Verrundung 8 angeordnet ist, vorzugsweise entlang der gesamten Kanten. Dies erleichtert das Einziehen von Wicklungen, verhindert ein zu scharfkantiges Abknicken der Drähte beim Umbiegen zum Herstellen des Wickelkopfes und schont die Isolierung der Drähte am Austritt aus den Nuten in den Wickelkopf, zum Beispiel bei Vibrationen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Deckschicht 5 an den Stirnseiten der Stege 3 dieselbe Kontur aufweist wie die Stirnflächen der Stege 3 selbst.
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3 zeigt perspektivisch einen Querschnitt durch die Komponente 1 in einer noch stärkeren Vergrößerung als in 2. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es sei auf die vorangehenden Ausführungen verwiesen. In der 3 sind die Isolierung 4 und die Deckschicht 5 im Querschnitt zu erkennen. Die Isolierung 4 verläuft in Längsrichtung der Nuten 2 bzw. der Stege 3. Die Nutisolierung 4 bedeckt die Innenseiten der Nuten 2 einschließlich der zum Nutinneren gerichteten Seiten der Polschuhe 7. Die Deckschicht 5 erstreckt sich in der Ebene der Endfläche 6. Dabei überdeckt sie auch die Stirnfläche der Polschuhe bis zu deren radial am weitesten nach innen gerichteten Ende. Die Verrundungen 8 am Übergang von der Endfläche 6 in die Nuten 2 liegen innerhalb der Deckschicht 5. Die Verrundungen 8 liegen somit erhöht über der Endfläche 6 der Komponente 1.
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4 zeigt ausschließlich die Nutisolierungen 4 der Nuten 2 sowie eine der Deckschichten 5 in perspektivischer Darstellung, wobei die Isolierungen 4 in einer Ebene parallel zu der Deckschicht 5 geschnitten und nur teilweise dargestellt sind. Die Komponente 1 ist nicht gezeigt, sondern ausschließlich Isoliermaterial. Die Deckschicht 5 ist im Wesentlichen kreisringförmig gestaltet und umfasst an ihrer Ringinnenseite Konturen von Stegen 3. Zwischen diesen Konturen von Stegen 3 sind Aussparungen für die Nuten 2 angeordnet. Die von den Nutgründen in radialer Richtung nach außen liegenden Abschnitte der Deckschicht 5 verbinden die Konturen von Stegen 3. Die radiale Außenkontur der Deckschicht 5 bildet einen geschlossenen Kreis. Die Nutisolierungen 2 sind im Wesentlichen als U-förmiges Profil ausgebildet. Sie weisen einen Schlitz in ihrer Längsrichtung auf, zu dessen bei den Seiten Abschnitte zur Isolation der Polschuhe 7 angeordnet sind und auf den Schlitz zu verlaufen.
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Die 5 zeigt die Nutisolierungen 4 sowie zwei Deckschichten 5, die jeweils an einem Ende in Längsrichtung der Isolierungen 4 angeordnet sind. Die Komponente 1 oder Wicklungen sind nicht dargestellt. Somit ist ausschließlich Isoliermaterial gezeigt. Die Deckschichten 5 sind jeweils an den stirnseitigen Enden der Nutisolierungen 4 angeordnet und mit ihnen stoffschlüssig verbunden.
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6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Komponente 1 in einer Ausführungsform mit einem Wickelkopf 9. Zwischen dem Wickelkopf 9 und einer Stirnfläche 6 der Komponente 1 ist die Deckschicht 5 angeordnet. Diese schützt den Wickelkopf 9 vor Kurzschlüssen mit der Komponente 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2617757 [0005, 0005]
- FR 2328318 [0006]
- DE 10044937 A1 [0007, 0007]
- EP 1541315 A1 [0008, 0008, 0008, 0009]
- EP 1543315 A1 [0009]
