-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und gemäß dem nebengeordneten Anspruch 11.
-
Wicklungsträger für Elektromaschinen oder für elektromagnetische Hubmagnete können voll- oder halbautomatisch mittels eines Wickelwerkzeugs bewickelt werden, und zwar in der Regel mit einem Kupferlackdraht, dessen Kupfer-Drahtkern mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen ist. Der Wickelprozess kann beispielhaft ein sogenanntes Nadelwickelverfahren sein, bei dem ein Wickeldraht unter Drahtspannung aus einer Wickelnadel geführt und nach einem vordefinierten Wickelschema im Wicklungsträger (das heißt zum Beispiel dem Stator einer Elektromaschine) ablegbar ist. Hierzu wird beim Wickelprozessbeginn das Drahtende des Wickeldrahtes an einer ersten Anbindungsstelle des Wicklungsträgers fixiert. In gleicher Weise wird das andere Drahtende des Wickeldrahtes zum Wickelprozessende unter Aufrechterhaltung der Drahtspannung an einer zweiten Anbindungsstelle des Wicklungsträgers fixiert. Ein derartiges Nadelwickelverfahren ist grundsätzlich aus der
DE 10 2011 008 662 A1 bekannt.
-
Die gattungsgemäße Wickelvorrichtung weist eine Steuereinheit zur Ansteuerung eines Drahtablageelementes, das heißt zum Beispiel der oben erwähnten Wickelnadel, und eine Fehlstellen-Erkennungseinheit auf. Mittels des Drahtablageelements wird der Wickeldraht nach einem vordefinierten, in der Steuereinheit hinterlegten Wickelschema an einer definierten Stelle im Wicklungsträger lagegenau abgelegt. Mittels der Fehlstellen-Erkennungseinheit sind die obigen Drahtablage Fehlstellen im noch nicht auf dem Wicklungsträger abgelegten Wickeldraht identifizierbar.
-
Für die Funktionsfähigkeit des Wicklungsträger ist es von Relevanz, dass nebeneinander im Wicklungsträger liegende Wickeldrähte elektrisch nicht miteinander kontaktiert sind. Andernfalls würden Kurzschlüsse zwischen den Windungen zu verändernden Eigenschaften zum Beispiel der Elektromaschine oder gar zu deren Zerstörung führen. Gegebenenfalls kann jedoch der Kupferlackdraht Fehlstellen aufweisen, an denen der Kupfer-Drahtkern mit nur einer dünnen Lackschicht überzogen oder keine Lackschicht aufweist. Liegen im bewickelten Wicklungsträger zwei solche Fehlstellen in zwei Windungen unmittelbar nebeneinander, so kann es zu einem Durchschlag und damit zu einem Kurzschluss kommen. Um dies zu vermeiden, ist aus dem Stand der Technik bekannt, dem Wickelprozess einen weiteren Fertigungsprozess nachzuschalten, bei dem die Spulenwicklungen des Wicklungsträgers imprägniert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Isolationsfestigkeit und der Formstabilität der Spulenwicklungen sowie zu einem verbesserten Wärmeaustausch und damit zu einer verbesserten Wärmeabgabe.
-
Aus der
DE 413 085 A ist ein Verfahren zur laufenden Prüfung eines Kupferlackdrahtes im unmittelbaren Anschluss an dessen Erzeugung bekannt. In dem Verfahren werden fehlerhaft lackierte Drahtstellen des Kupferdrahtlackes identifiziert. Aus der weiteren
DE 102 39 460 A1 ist eine Einrichtung zur kontinuierlichen elektrischen Prüfung eines elektrisch isolierten Endlos-Drahtes auf Isolationsfehler bekannt.
-
Aus der
US 5 413 289 A sowie aus der
DE 10 2007 048 254 A1 sind Wickelvorrichtungen zum Bewickeln eines Wicklungsträgers mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung eines Drahtablageelementes, insbesondere einer Wickelnadel, bekannt. Mit dem Drahtablageelement wird ein Wickeldraht nach einem vordefinierten, in der Steuereinheit hinterlegten Wickelschema an einer definierten Stelle im Wicklungsträger lagegenau abgelegt. Zudem sind aus der
EP 0 770 880 A2 , aus der
DE 27 13 576 A1 und aus der
DE 38 33 165 A1 Fehlstellen-Erkennungseinheiten bekannt, mit deren Hilfe Draht-Fehlstellen während der Bewicklung eines Wicklungsträgers erfassbar sind. Aus der
WO 2009/045 180 A1 ist ferner bekannt, Drahteigenschaften, zum Beispiel Draht-Fehlstellen, zu erfassen, und zwar während einer Bewicklung. Die erfassten Drahteigenschaften werden von einer Steuereinheit verarbeitet, wobei die Steuergrößen mit Hilfe der Steuereinheit anhand eines Wickelmodells dahingehend beeinflusst werden, dass sich die Drahteigenschaften innerhalb eines Toleranzbereiches bewegen. Aus der
DE 10 89 824 A ist zudem eine Wickelvorrichtung bekannt, bei der elektrisch isolierte Leitungen zu Wickelpaketen aufgewickelt werden. Während der Aufwicklung wird eine Prüfung der Leitungen durchgeführt. Die Wickelpakete werden anschließend in brauchbare und nicht verwendbare Wickelpakete sortiert.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers bereitzustellen, bei dem im Vergleich zum obigen Stand der Technik in einfacher Weise die Funktionsfähigkeit des Wicklungsträgers gewährleistet ist.
-
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass im obigen Stand der Technik dem Wickelprozess prozesstechnisch aufwändig ein Imprägnier-Prozessschritt nachzuschalten ist, um im Wicklungsträger eine elektrische Kontaktierung nebeneinander liegender Wickeldrähte zuverlässig auszuschließen. Vor diesem Hintergrund weist die Wickelvorrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 eine Fehlstellen-Erkennungseinheit auf, mit der Draht-Fehlstellen in dem, auf dem Wicklungsträger abzulegenden Wickeldraht identifizierbar sind. Die Fehlstellen-Erkennungseinheit ist mit einer Drahtablagemodell-Einheit logisch verknüpft. In der Drahtablagemodell-Einheit wird auf der Grundlage des in der Steuereinheit hinterlegten Wickelschemas und einer von der Fehlstellen-Erkennungseinheit erfassten Draht-Fehlstelle eine Fehlstellen-Modellposition der Draht-Fehlstelle ermittelt. Die Fehlstellen-Modellposition der Draht-Fehlstelle korrespondiert mit einer Fehlstellen-Istposition der Draht-Fehlstelle, die sich bei einer tatsächlichen Drahtablage auf dem Wicklungsträger ergibt. Die Drahtablagemodell-Einheit bewertet in Abhängigkeit von der ermittelten Fehlstellen-Modellposition, ob die damit korrespondierende Fehlstellen-Istposition der Draht-Fehlstelle die Funktionsfähigkeit des Wicklungsträgers beeinträchtigt.
-
Bei Erkennen einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Wicklungsträgers generiert die Drahtablagemodell-Einheit ein Fehlersignal, mit dem Gegenmaßnahmen einleitbar sind, um eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Wicklungsträgers zu vermeiden.
-
In einer technischen Umsetzung kann in der Drahtablagemodell-Einheit der tatsächliche Drahtverlauf des auf den Wicklungsträger abgelegten Wickeldrahtes zumindest teilweise nachgebildet werden.
-
Die Fehlstellen-Erkennungseinheit kann ein Sensorelement aufweisen, mit dem die Draht-Fehlstelle im zuzuführenden Wickeldraht erfassbar ist. Das Sensorelement ist dabei bevorzugt in einem Drahtzuführungsbereich der Wickelvorrichtung angeordnet, in dem der Wickeldraht in Richtung auf das Drahtablageelement (das heißt die Wickelnadel) förderbar ist.
-
Die Drahtablagemodell-Einheit kann nach unterschiedlichen Bewertungskriterien prüfen und gegebenenfalls ein Fehlersignal generieren.
-
Bevorzugt generiert die Drahtablagemodell-Einheit ein Fehlersignal, sofern die Fehlstellen-Modellpositionen zweier Draht-Fehlstellen unmittelbar nebeneinander liegen. In diesem Fall würde es bei einer elektrischen Kontaktierung zu Kurzschlüssen zwischen den Windungen kommen.
-
Wie oben erwähnt, werden bei Vorliegen eines von der Drahtablagemodell-Einheit generierten Fehlersignals Maßnahmen eingeleitet, um die Funktionsfähigkeit des Wicklungsträgers aufrechtzuerhalten. Beispielhaft kann die Drahtablagemodell-Einheit signaltechnisch mit einer Nachbearbeitungs-Einheit verbunden sein, mit der der noch unbewickelte Wickeldraht an seiner Draht-Fehlstelle nachbearbeitbar ist. Bei Vorliegen eines von der Drahtablagemodell-Einheit generierten Fehlersignals kann die Nachbearbeitungs-Einheit aktiviert, um die detektierte Draht-Fehlstelle auszubessern bzw. nachzubearbeiten, bevor der Wickeldraht mittels des Drahtablageelementes (zum Beispiel die Wickelnadel) auf dem Wicklungsträger abgelegt wird.
-
Alternativ dazu kann bei Vorliegen eines von der Drahtablagemodell-Einheit generierten Fehlersignals die Steuereinheit, mit der das Drahtablageelement im Wickelprozess ansteuerbar ist, die Drahtablage in Abweichung vom angewendeten Wickelschema durchgeführt werden, und zwar so, dass die tatsächliche Fehlstellen-Istposition im Wicklungsträger zu keiner Beeinträchtigung der Wicklungsträger-Funktionsfähigkeit führt. Beispielhaft können in der Steuereinheit eine Anzahl unterschiedlicher Wickelschemata hinterlegt sein. Exemplarisch kann bei Vorliegen des von der Drahtablagemodell-Einheit generierten Fehlersignals die Steuereinheit von einem ersten Wickelschema auf ein zweites Wickelschema wechseln. Auf diese Weise kann gegebenenfalls verhindert werden, dass zwei Fehlstellen-Istpositionen im Wicklungsträger unmittelbar nebeneinander liegen.
-
Die Wahrscheinlichkeit, dass solche Fehlstellen-Istpositionen in zwei Windungen direkt nebeneinander liegen, ist zwar sehr gering, jedoch nicht ausgeschlossen. Mit der Erfindung kann der Wickeldraht bei der Zuführung zum Drahtablageelement bezüglich solcher Draht-Fehlstellen überwacht werden. Das dabei anzuwendende Wickelverfahren ist dabei beliebig, sollte jedoch vorteilhafter Weise automatisiert erfolgen. Für den Wickelautomaten ist das Wickelschema bekannt, das heißt, wenn eine Draht-Fehlstelle detektiert wird, kann auch ermittelt werden, an welcher Stelle sich diese Draht-Fehlstelle in der Spule befinden wird, und zwar zumindest relativ bezogen auf vorhergehend erfasste Draht-Fehlstellen. Da die Wahrscheinlichkeit dafür sehr gering ist, wird dieser Fall fast nie auftreten, das heißt der Wickelprozess wird in der Regel einwandfrei ablaufen. Tritt der unwahrscheinliche Fall auf, so kann der bewickelte Wicklungsträger oder Wicklungsdraht als Materialausschuss vom Prozess entfernt oder alternativ der Wickeldraht nachbearbeitet werden.
-
Für die Identifizierung der Draht-Fehlstellen sind unterschiedliche Verfahren denkbar. Beispielhaft könnte der Wickeldraht optisch oder durch Leitfähigkeitsprüfung elektrisch überwacht werden.
-
Die Wickelvorrichtung kann zusätzliche eine Imprägnierstation aufweisen, in der die Wicklungen des fertig bewickelten Wicklungsträgers mit einem Harz imprägnierbar sind. Das Harz ist so gestaltet, dass sich die Formstabilität und/oder die thermische Leitfähigkeit der Wicklungen des fertig bewickelten Wicklungsträgers erhöht. Im Unterschied zum Stand der Technik ist das Harz jedoch nicht mehr so auszulegen, dass es eine verbesserte Isolationsfestigkeit bereitstellt.
-
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
-
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 in einer vergrößerten Schnittdarstellung einen Wicklungsträger mit in der Umfangsrichtung u angeordneten Wicklungsträger-Zähnen sowie einer dazwischen liegenden Wicklungsträger-Nut, die mit einer Spulenwicklung bewickelt ist;
-
2 in einem schematischen Blockschaltbild eine Wickelvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer Ansicht entsprechend der 2.
-
In den 1 und 2 ist als Wicklungsträger ein Stator 1 angedeutet, der in der Umfangsrichtung u abwechselnd angeordnete radial innenliegende Statorzähne 3 mit zwischengeordneten Statornuten 5 aufweist. Durch die in der 1 gezeigte Statornut 5 ist in einem Wickelprozess eine Spulenwicklung 7 mit einer vorgegebenen Anzahl von Spulenwindungen 9 geführt worden. Jede Statornut 5 weist einen Nutgrund 11 sowie seitliche Nutflanken 13 auf und ist in der Stator-Radialrichtung y nach innen über einen Nutschlitz 15 offen gestaltet.
-
In der 1 ist ein fertig bewickelter Zustand einer der Statornuten 5 gezeigt. Demzufolge ist der Wickeldraht 17 (2) unter Bildung der Spulenwindungen 9 in einer Anzahl von Wickellagen übereinander geschichtet, und zwar nach einem vordefinierten Wickelschema WS (2) der Wickelvorrichtung. Zudem ist in der 1 die Spulenwicklung 7 mit einem Harz 18 imprägniert, um die Formstabilität und/oder die thermische Leitfähigkeit der Spulenwicklung 7 zu erhöhen. Das Harz 18 wird in einer dem Wickelprozess nachgeschalteten Imprägnierstation appliziert.
-
Der Kupferlackdraht 17 weist in gängiger Praxis einen inneren Kupfer-Drahtkern auf, der mit einer äußeren elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen ist. In der 1 sind im Stator 1 beispielhaft Fehlstellen-Istpositionen P1,ist und P2,ist durch Schraffur hervorgehoben, an denen der Wickeldraht 17 Draht-Fehlstellen FS1, FS2 aufweist. An den Fehlstellen FS1, FS2 ist die Lackschicht zu dünn ist oder überhaupt nicht vorhanden ist. Die beiden Fehlstellen-Istpositionen P1,ist und P2,ist sind in der 1 nicht unmittelbar in Anlage miteinander, sondern vielmehr über zwei dazwischenliegende Wickeldrähte voneinander getrennt. Die beiden Draht-Fehlstellen FS1, FS2 führen daher nicht zu einem Kurzschluss zwischen den Windungen 9 bzw. zu einer Stator-Funktionsbeeinträchtigung.
-
Nachfolgend ist anhand der 2 eine Wickelvorrichtung zum Bewickeln des Stators 1 gezeigt. Demzufolge weist die Wickelvorrichtung eine elektronische Steuereinheit 19 auf, mit der eine Wickelnadel 21 ansteuerbar ist. Im Wickelprozess erfolgt die Ansteuerung der Wickelnadel 21 unter Berücksichtigung eines in der Steuereinheit 19 hinterlegten Wickelschemas WS, mit der die Drahtablage auf dem Stator 1 vordefiniert ist. Der Wickelprozess ist nachfolgend als ein Nadelwickelprozess beschrieben: So wird zu Beginn des Wickelprozesses zunächst ein erstes Drahtendes des Wickeldrahtes 17 an einer nicht gezeigten Anbindungsstelle am Stator 1 fixiert. Anschließend wird der Wickeldraht 17 unter Drahtspannung nach dem vordefinierten Wickelschema WS im Stator 1 abgelegt. Hierzu wird die Wickelnadel 21 von einer nicht gezeigten Antriebseinheit, die vom Steuergerät 19 ansteuerbar ist, in der Stator-Umfangsrichtung u, in der Stator-Axialrichtung z und in der Stator-Radialrichtung y verfahren. Beispielhaft wird der Wickeldraht 17 durch eine in Axialrichtung z ausgerichtete Stator-Längsnut 5 geführt und an einer Stator-Oberseite 23 (2) in Umfangsrichtung u bis zu einer umfangsversetzten Längsnut 5 anschließend durch die umfangsversetzte Längsnut 5 zurück einer Stator-Unterseite geführt, und zwar unter Bildung einer Spulenwindung 9. Die oben beschriebenen Wickel-Schritte werden für eine definierte Windungsanzahl wiederholt bis die in der 1 gezeigte Spulenwicklung 7 realisiert ist.
-
Gemäß der 2 weist die Wickelvorrichtung eine Fehlstellen-Erkennungseinheit 25 auf, mit der Fehlstellen FS1, FS2 (zum Beispiel Lackfehler) in dem, zur Wickelnadel 21 zu führenden Wickeldraht 17 identifizierbar sind. Die Fehlstellen-Erkennungseinheit 25 weist hierzu ein Sensorelement 27 auf, das in einem Drahtzuführungsbereich 29 der Wickelvorrichtung positioniert ist. Die Fehlstellen-Erkennungseinheit 25 ist in der 2 signaltechnisch mit einer Drahtablagemodell-Einheit 31 verknüpft. In der Drahtablagemodell-Einheit 31 erfolgt eine Signalverarbeitung auf der Grundlage des in der Steuereinheit 19 hinterlegten Wickelschemas WS und der von der Fehlstellen-Erkennungseinheit 25 erfassten Draht-Fehlstellen FS1, FS2. Aus diesen Parametern (das heißt Wickelschema WS und Draht-Fehlstellen FS1, FS2) ermittelt die Drahtablagemodell-Einheit 31 Fehlstellen-Modellpositionen P1,modell und P2,modell der beiden Draht-Fehlstellen FS1, FS2. Die Fehlstellen-Modellpositionen P1,modell und P2,modell korrespondieren mit den in der 1 gezeigten Fehlstellen-Istpositionen P1,ist und P2,ist, die sich bei der tatsächlichen Drahtablage auf dem Stator 1 ergeben würde. In Abhängigkeit von diesen ermittelten Fehlstellen-Modellpositionen P1,modell und P2,modell bewertet die Drahtablagemodell-Einheit 31, ob die tatsächlichen Fehlstellen-Istpositionen P1,ist und P2,ist die Stator-Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Ergibt diese Bewertung, dass die Stator-Funktionsfähigkeit beeinträchtigt ist, generiert die Drahtablagemodell-Einheit 31 ein Fehlersignal SF, um später beschriebene Gegenmaßnahmen einzuleiten.
-
Im vorliegenden Fall (1) sind die beiden Fehlstellen-Istpositionen P1,ist und P2,ist ausreichend weit voneinander beabstandet, so dass keine Beeinträchtigung der Stator-Funktionsfähigkeit vorliegt. Die dazu korrespondierenden, in der Drahtablagemodell-Einheit 31 ermittelten Fehlstellen-Modellpositionen P1,modell und P2,modell führen daher bereits vor der tatsächlichen Drahtablage zu einer positiven Bewertung, so dass kein Fehlersignal SF von der Drahtablagemodell-Einheit 31 generiert wird.
-
Für den Fall, dass in Abkehr von der 1 in der Drahtablagemodell-Einheit 31 ermittelt wird, dass die Fehlstellen-Modellpositionen P1,Modell und P2,Modell unmittelbar nebeneinander liegen, generiert die Drahtablagemodell-Einheit 31 ein Fehlersignal SF, mit dem in der 2 eine Nachbearbeitungseinheit 33 aktiviert ist. Sowohl die Nachbearbeitungseinheit 33 als auch das Sensorelement 27 sind im Drahtzuführungsbereich 29 der Wickelvorrichtung angeordnet. Mit Hilfe der Nachbearbeitungseinheit 33 können die von der Fehlstellen-Erkennungseinheit 25 identifizierten Draht-Fehlstellen FS1, FS2 ausgebessert, das heißt nachbearbeitet werden, um eine einwandfreie Stator-Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.
-
In der 3 ist eine Wickelvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, die im Wesentlichen baugleich zur 2 ist. In der 3 in der Steuereinheit 19 sind nicht nur ein einziges Wickelschema WS, sondern vielmehr eine Anzahl von Wickelschemata WS1, WS2, etc. hinterlegt. Für den Fall, dass eine Bewertung in der Drahtablagemodell-Einheit 31 eine Beeinträchtigung der Stator-Funktionsfähigkeit ergibt, wird ein Fehlersignal SF generiert und zu einem Signaleingang der Steuereinheit 19 geleitet. Bei Vorliegen des Fehlersignals SF führt die Steuereinheit 19 die Drahtablage in Abweichung vom eigentlichen Wickelschema WS1 durch, und zwar zum Beispiel unter Anwendung des zweiten Wickelschemas WS2, in dem die Fehlstellen-Istpositionen P1,ist und P2,ist der beiden Fehlstellen FS1, FS2 zu keiner Beeinträchtigung der Stator-Funktionsfähigkeit führen.
