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Die Erfindung betrifft eine Wickelnadel für eine Wickelvorrichtung, zum Herstellen von aus Draht gebildeten Umwicklungen eines Stators für eine elektrische Maschine, mit einem Nadelgrundkörper, welcher zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist, welche sich wenigstens bereichsweise in einer Längserstreckungsrichtung der Wickelnadel durch den Nadelgrundkörper erstreckt und aus welcher der Draht an einem Austrittsbereich des Nadelgrundkörpers ausführbar ist. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Wickelvorrichtung zum Herstellen von aus Draht gebildeten Umwicklungen eines Stators, einen Stator für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stators.
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Elektrische Maschinen, welche auch als Elektromaschinen bezeichnet werden können, umfassen häufig zwei Komponenten, die relativ zueinander beweglich sind, wobei mindestens eine dieser beiden Komponenten Umwicklungen aus Draht aufweist. Bei einer relativen Bewegung der Komponenten zueinander kann elektrische in mechanische Energie oder mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Umwicklungen werden dabei üblicherweise mit einer Wickelvorrichtung hergestellt.
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Aus der
DE 10 2015 007 836 A1 ist ein Verfahren sowie eine Wickelvorrichtung zum Wickeln von Draht auf mindestens einen Zahn einer Komponente einer Elektromaschine bekannt. Die Komponente weist einen Grundkörper mit mehreren an dem Grundkörper angeordneten Zähnen auf, wobei jeder Zahn einerseits durch den Grundkörper und andererseits durch einen Flansch begrenzt ist. Zwischen zwei unmittelbar benachbarten Zähnen ist eine Nut angeordnet, die einen Nutschlitz als Öffnung aufweist, wobei bei dem Verfahren eine Wickelnadel verwendet wird, an deren Ende eine Drahtförderdüse angeordnet ist. Bei Durchführung des Verfahrens wird die Drahtförderdüse innerhalb der Nut neben einem jeweils zu umwickelnden Zahn angeordnet und die Wickelnadel durch einen Nutschlitz dieser Nut bewegt. Des Weiteren werden die Komponente der Elektromaschine und ein, die Wickelnadel haltender Nadelhalter relativ zueinander bezüglich einer sich ergebenden Drehachse bewegt, die im Bereich des Nutschlitzes verläuft, durch den die Wickelnadel geführt wird, wobei die Wickelnadel in Richtung des jeweils zu umwickelnden Zahns gerichtet und Draht aus der Drahtförderdüse gefördert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wickelnadel, eine Wickelvorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen aus Draht gebildete Umwicklungen eines Stators auf besonders günstige Weise herstellbar sind, sowie einen entsprechenden Stator auszubilden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wickelnadel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Wickelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, durch einen Stator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Wickelnadel für eine Wickelvorrichtung, zum Herstellen von aus Draht gebildeten Umwicklungen eines Stators für eine elektrische Maschine, mit einem Nadelgrundkörper, welcher zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist, welche sich wenigstens bereichsweise in einer Längserstreckungsrichtung der Wickelnadel durch den Nadelgrundkörper erstreckt und aus welcher der Draht an einem Austrittsbereich des Nadelgrundkörpers ausführbar ist. Die Wickelvorrichtung kann auch als Nadelwickelvorrichtung bezeichnet werden.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Wickelnadel eine Versteifungsanordnung, welche sich zumindest über einen Teilbereich des Nadelgrundkörpers erstreckt. Dies ist von Vorteil, da die Wickelnadel aufgrund der Versteifungsanordnung eine erhöhte Steifigkeit aufweist, wodurch eine Verformung der Wickelnadel beim Herstellen der Umwicklungen zumindest deutlich gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Wickelnadeln verringert werden kann. Durch die Versteifungsanordnung kann die Wickelnadel auch bei erhöhter, durch den Draht beim Herstellen der Umwicklungen verursachter Zugspannung besonders formstabil bleiben, wodurch eine besonders definierte und gezielte Ablage des Drahtes am Stator ermöglicht ist.
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Die erhöhte Steifigkeit der Wickelnadel kann zu einer Reduktion jeweiliger Außenabmessungen, also zur Verringerung einer Breite und zusätzlich oder alternativ einer Höhe der Wickelnadel, insbesondere am Austrittsbereich, genutzt werden. Dadurch ist ein Schwenken der Wickelnadel in einer Nut unter einem größeren Verdrehwinkel möglich, als bei konventionellen Wickelnadeln. Abhängig von einer Reduktion der Breite der Wickelnadel ist ein erweiterter Bereich einer die Nut begrenzenden Nutfläche direkt erreichbar, sodass auch dort Draht definiert abgelegt und ein größerer Teil eines, bei Verwendung aus dem Stand der Technik bekannter Wickelnadeln, schlecht bzw. nicht nutzbaren Bereichs der Nut, beispielsweise im Falle einer verteilten oder konzentrierten Einschichtwicklung, nutzbar gemacht werden kann. Dadurch kann ein höherer elektrischer Nutfüllfaktor erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass elektrische Eigenschaften eines Stators, welcher als Statorblechpaket ausgebildet sein kann, optimiert werden können, wenn ein die Nut bereichsweise verengender Nutschlitz schmaler ausgelegt werden kann. Limitierend für eine Nutschlitzbreite des Nutschlitzes ist eine Produzierbarkeit des Stators, da sich mit Abnahme der Nutschlitzbreite auch die Nutzugänglichkeit und der maximal mögliche Verdrehwinkel verschlechtern bzw. verringern.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Versteifungsanordnung wenigstens zwei Versteifungselemente, welche sich einander gegenüberliegend zumindest entlang des Teilbereichs erstrecken. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders symmetrisches und damit definiertes Verformungsverhalten der Wickelnadel erzielt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Versteifungselemente in Hocherstreckungsrichtung der Wickelnadel einander gegenüberliegend angeordnet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders vorteilhafte Versteifung der Wickelnadel in Quererstreckungsrichtung erzielt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eines der wenigstens zwei Versteifungselemente als Versteifungsnut ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da durch eine derartige Versteifungsnut eine besonders kompakte Ausgestaltung der Wickelnadel ermöglicht ist, insbesondere im Gegensatz zu Versteifungsrippen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Nadelgrundkörper zumindest an dem Teilbereich wenigstens einen, senkrecht zur Längserstreckungsrichtung orientierten Grundkörperquerschnitt mit einer vieleckigen Außenkontur auf. Dies ist von Vorteil, da durch die vieleckige Außenkontur zumindest an jeweiligen Kanten der Außenkontur eine Versteifungswirkung erzielt werden kann. Insbesondere kann die vieleckige Außenkontur als Rechteckkontur ausgebildet sein.
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Vorzugsweise kann wenigstens eine Kante der vieleckigen Außenkontur eine Kantenverrundung aufweisen. Dies ist von Vorteil, da die Wickelnadel dadurch kompakter ausgebildet werden kann und beispielsweise bei einer Biegebeanspruchung der Wickelnadel ein günstiger Kraftfluss erzielt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der wenigstens eine Grundkörperquerschnitt in Quererstreckungsrichtung und in Hocherstreckungsrichtung der Wickelnadel jeweils unterschiedliche Außenabmessungen auf. Dies ist von Vorteil, da hierdurch, beispielsweise im Gegensatz zu runden oder ovalen Querschnitten, ein einfacheres Einführen der Wickelnadel in einen Nutschlitz erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die vieleckige Außenkontur H-förmig ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da durch die H-förmige Außenkontur eine besonders schmale Ausgestaltung des Nadelgrundkörpers ermöglicht ist, so dass eine besonders gute Nutzugänglichkeit erzielt werden kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Wickelvorrichtung, zum Herstellen von aus Draht gebildeten Umwicklungen eines Stators für eine elektrische Maschine, mit wenigstens einer Wickelnadel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wickelnadel vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung und umgekehrt.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, welcher wenigstens einen Statorgrundkörper mit einem hohlzylinderförmigen Grundkörperbereich aufweist, an welchem wenigstens zwei, an einem Umfangsbereich des Grundkörperbereichs mit diesem verbundene und von dem Grundkörperbereich abragende Vorsprünge ausgebildet sind, zwischen welchen sich eine Nut erstreckt, wobei wenigstens einer der Vorsprünge an einem, dem Grundkörperbereich abgewandten Ende einen, einen Nutquerschnitt der Nut zumindest bereichsweise verengenden Endbereich aufweist. Erfindungsgemäß sind an zumindest einem der wenigstens zwei Vorsprünge, wenigstens zwischen dem Endbereich und dem Grundkörperbereich, aus Draht gebildete, sowie mittels einer Wickelnadel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder mittels einer Wickelvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung hergestellte, Umwicklungen angeordnet. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wickelnadel und der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Stator und umgekehrt.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen wenigstens eines Statorgrundkörpers mit einem hohlzylinderförmigen Grundkörperbereich, an welchem wenigstens zwei, an einem Umfangsbereich des Grundkörperbereichs mit diesem verbundene und von dem Grundkörperbereich abragende Vorsprünge ausgebildet sind, zwischen welchen sich eine Nut erstreckt, wobei wenigstens einer der Vorsprünge an einem, dem Grundkörperbereich abgewandten Ende einen, einen Nutquerschnitt der Nut zumindest bereichsweise verengenden Endbereich aufweist; und
- - Herstellen von aus Draht gebildeten Umwicklungen an zumindest einem der wenigstens zwei Vorsprünge wenigstens zwischen dem Endbereich und dem Grundkörperbereich mittels einer Wickelnadel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder mittels einer Wickelvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wickelnadel der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Stator vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 in schematischer Darstellung einen Aufbau einer Elektromaschine, welche Zähne aufweist, welche durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahrens mit Wicklungen aus Draht versehen sind;
- 2 eine schematischer Draufsicht auf mehrere Zähne, welche durch das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren mit Wicklungen aus Draht versehen werden;
- 3 eine schematischer Detailansicht eines Stators der in 1 gezeigten, Elektromaschine;
- 4 eine weitere schematische Detailansicht des Stators, wobei während des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens eine aus dem Stand der Technik bekannte Wickelnadel in einen Nutschlitz eingeführt ist;
- 5 eine weitere schematische Detailansicht des Stators, in welcher eine Nut des Stators sowie eine der Nut zugeordnete Nutfläche gezeigt ist, welche durch die aus dem Stand der Technik bekannte Wickelnadel schwer zu erreichen ist;
- 6 eine weitere schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Wickelnadel und der Nut in welche die Wickelnadel zur Durchführung des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens eingeführt ist;
- 7 eine weitere schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Wickelnadel und der Nut in welche die Wickelnadel zur Durchführung des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens eingeführt ist, wobei ein schlecht nutzbarer Bereich angedeutet ist;
- 8 eine Perspektivansicht der aus dem Stand der Technik bekannten Wickelnadel;
- 9 eine Perspektivansicht einer Variante einer für die Erfindung beispielhaften Wickelnadel; und
- 10 eine schematische Darstellung eines Bereichs eines Stators für eine Elektromaschine, an welchem durch eine Wickelvorrichtung, an welcher die Variante der Wickelnadel aufgenommen ist, eine aus Draht gebildete Umwicklung erzeugt wird.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematisch dargestellte Drehstrom-Elektromaschine am Beispiel einer rotationssymmetrischen Elektromaschine 202. Die Elektromaschine 202 umfasst als erste Komponente einen Rotor 204, der von einem Stator 206 als zweite Komponente koaxial umschlossen ist. Dabei umfasst der Stator 206 an einer zylindrischen Innenwandung eine Vielzahl von Zähnen 208, wobei jeweils zwei unmittelbar benachbarte Zähne 208 durch eine Nut 210 voneinander getrennt sind. Jeder Zahn 208 ist hier an einem Grundkörper 207 der zweiten Komponente (Stator 206) befestigt, durch den auch ein Nutgrund der Nut 210 gebildet wird. Weiterhin ist an einem Ende jedes Zahns 208 ein Flansch 209 angeordnet, der breiter als der jeweilige Zahn 208 ist. Der Zahn 208 sowie der Flansch 209 sind in seitlicher Ansicht T-förmig ausgebildet. Ränder von Flanschen 209 unmittelbar benachbarter Zähne 208 bilden Nutschlitze, die Öffnungen von Nuten 210 zwischen jeweils zwei Zähnen 208 bilden.
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Die aus Blechpaketen gebildeten Zähne 208 können vorliegend auch als Statorzähne bezeichnet werden. Weitere Details zu dem Stator 206 gehen aus den 2, 3 und 4 hervor. Um mindestens einen Zahn 208 herum wird bei Durchführung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens Draht 212 gewickelt und somit in jeweils zwei benachbarten Nuten 210, die einen jeweiligen Zahn 208 umschließen, angeordnet bzw. abgelegt, wodurch der Stator 206 als Komponente eine Vielzahl von Spulen 214 aufweist. Die Spulen 214 können auch als Wicklungen bezeichnet werden. Der Rotor 204 weist eine Vielzahl nicht weiter dargestellter Permanentmagnete oder alternativ ebenfalls Spulen oder Kurzschlussstäbe auf. Zum Betreiben der Elektromaschine 202 wird durch die Spulen 214 Strom geleitet, wodurch ein Magnetfeld entsteht, das eine Kraft auf den drehbar gelagerten Rotor 204 ausübt und diesen in Rotation versetzt. Die Elektromaschine 202 umfasst in der Regel drei Phasen U, V, W, wie in 1 gezeigt ist.
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Die Elektromaschine 202 ist als Motor betreibbar, wobei elektrische in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Elektromaschine 202 als Generator betrieben werden, wobei mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wenn der Rotor 204 relativ zu dem Stator 206 bewegt und in den Spulen 214 durch Induktion ein Stromfluss angeregt wird.
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Bei Durchführung des bekannten Verfahrens sind unterschiedliche zueinander überlagerte Bewegungen einer Wickelnadel 215 einer hier nicht gezeigten, aus dem Stand der Technik bekannten Wickelvorrichtung relativ zu der Komponente der Elektromaschine 202, hier zu einem jeweiligen mit Draht 212 zu umwickelnden Zahn 208, durchzuführen. Diesbezüglich zeigt 2, welche relativen Bewegungen durchzuführen sind, wenn zur Bereitstellung der Spule 214 mit der Wickelvorrichtung auf einen Zahn 208 bzw. Statorzahn Draht 212 unter Bereitstellung konzentrierter Wicklungen (Spulen 214) gewickelt wird. In der Darstellung aus 2 ist jeweils ein Zahn 208, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist, von dem darauf angeordneten, breiteren Flansch 209 abgedeckt. Hierbei wird die Wickelnadel 215, die an einem Nadelhalter 232 angeordnet ist, verwendet. An einem Ende der Wickelnadel 215 ist eine Drahtförderdüse 216 angeordnet, die durch einen Nutschlitz, der durch Ränder unmittelbar benachbarter Flansche 209 begrenzt ist, hindurchgeführt und um einen jeweiligen Zahn 208 herum bewegt wird, wobei die Komponente, üblicherweise der Stator206, unter Durchführung einer exzentrischen Drehung um eine sich ergebende Drehachse im Bereich eines jeweiligen Nutschlitzes parallel zu dem jeweiligen Nutschlitz, bspw. um diesen Nutschlitz herum, gedreht und somit relativ zu der Drehachse bewegt wird, wobei die Wickelnadel 215 in Richtung eines jeweiligen Zahns 208 ausgerichtet wird, und wobei aus der Drahtförderdüse 216 der Draht 212 gefördert wird. Eine Richtung einer ersten relativen Bewegung der Wickelnadel 215 relativ zu dem Zahn 208 ist in 2 durch einen ersten Doppelpfeil 218 angedeutet, wobei die Wickelnadel 215 axial zu der Komponente bewegt wird. Dagegen ist eine Richtung einer zweiten, tangentialen Bewegung der Wickelnadel 215 und somit der Drahtförderdüse 216, die beim Wickeln relativ zu dem Zahn 208 bzw. dem Stator 206 bewegt und dabei verschoben wird, durch einen zweiten Doppelpfeil 220 angedeutet. Außerdem ist die Wickelnadel 215 auch radial zu dem Stator 206 bewegbar.
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Mit dieser Vorgehensweise zum Nadelwickeln ist der Stator 206 mit konzentrierten oder verteilten Spulen 214 herzustellen. Hierbei wird der Draht 212 mit einer innen rotationssymmetrisch ausgebildeten Wickelnadel 215 unter Drahtzug direkt in jeweilige Nuten 210a, 210b des Stators 206 gewickelt.
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Die an dem Ende der Wickelnadel 215 angeordnete Drahtförderdüse 216 wird dabei in radialer Richtung hier in die erste Nut 210a des Stators 206 geführt und innerhalb dieser ersten Nut 210a entlang einer Achse eines Zahns 208 angeordnet. Außerdem wird der Stator 206 bei einer durchzuführenden Bewegung um den Nutschlitz dieser Nut 210a gedreht, wobei die Wickelnadel 215 in Richtung des Zahns 208 ausgerichtet wird. Danach wird der Nadelhalter 232 und somit die Drahtförderdüse 216 in axialer Richtung des Stators 206 bewegt, wodurch die Drahtförderdüse 216 am Ende der Wickelnadel 215 innerhalb der ersten Nut 210a ebenfalls in axialer Richtung (Pfeil 222) unter Durchführung der ersten relativen Bewegung bewegt wird, wobei in der ersten Nut 210a auf einer Außenwandung des Zahns 208 Draht 212 abgelegt wird. Sobald die Drahtförderdüse 216 am Ende der Wickelnadel 215 eine erste Stirnseite des Zahns 208 erreicht hat und aus der ersten Nut 210a in axialer Richtung austritt, wird die Wickelnadel 215 in einer zweiten Richtung tangential zu dem Stator 206 bewegt (Pfeil 224). Währenddessen wird auf einem hier oben angeordneten Abschnitt der Außenwandung des Zahns 208 ein weiterer Abschnitt des Drahts 212 abgelegt. Danach wird die Drahtförderdüse 216 am Ende der Wickelnadel 215 innerhalb einer zu der ersten Nut 210a unmittelbar benachbarten zweiten Nut 210b in entgegengesetzter axialer Richtung des Stators 206 unter Durchführung der ersten relativen Bewegung bewegt (Pfeil 226), wobei der Stator 206 um den Nutschlitz, durch den die Wickelnadel 215 geführt wird bzw. ist, gedreht und die Wickelnadel 215 dadurch in Richtung des Zahns 208 orientiert wird, wobei ein weiterer Abschnitt des Drahts 212 auf die Außenwandung des Zahns 208 abgelegt wird. Erreicht die Drahtförderdüse 216 der Wickelnadel 215 eine zweite Stirnseite des Zahns 208, wird die Wickelnadel 215 unter Durchführung der zweiten relativen Bewegung in die zweite Richtung (Pfeil 228) tangential bewegt und die Drahtförderdüse 216 wieder innerhalb der ersten Nut 210a angeordnet. Dabei wird die Drahtförderdüse 216 der Wickelnadel 215 zusätzlich in radialer Richtung um einen Betrag eines Durchmessers des Drahts 212 aus der ersten Nut 210a heraus bewegt. Somit wird die Drahtförderdüse 216 am Ende der Wickelnadel 215 mindestens einmal um den Zahn 208 herum geführt, wobei bei jeder Umrundung des Zahns 208 in axialer sowie tangentialer Richtung des Stators 206 um den Zahn 208 herum bzw. auf die Außenwandung des Zahns 208 eine Windung bzw. Lage Draht 212 gewickelt wird. Auf diese Weise können mehrere Windungen Draht 212 nebeneinander auf den zu bewickelnden Zahn 208 gewickelt werden. Die voranstehend genannten Schritte werden so lange wiederholt, bis eine festgelegte Anzahl an Windungen erzeugt ist.
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Wie anhand von 3 gezeigt, wird mit dem beschriebenen Verfahren erreicht, den Draht 212 zum Herstellen der Spule 214 auf den Zahn 208 des Stators 206 möglichst gleichmäßig und schichtweise lagegenau zu wickeln, wodurch die benachbarten Nuten 210a, 210b mit möglichst vielen Windungen aus Draht 212 zu durchsetzen sind. Der hier gezeigte Draht 212 besteht bspw. aus Kupfer. Ist dieser Draht 212 dicht auf den Zahn 208 gewickelt, ist in den Nuten 210a, 210b ein hoher Kupferfüllfaktor zu erreichen, wodurch Kupferverluste reduziert werden können. Außerdem ist somit ein Wirkungsgrad des Stators 206 zu steigern und dessen Leistungsdichte zu erhöhen.
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Wie jedoch 5 zeigt, kann mit der Drahtförderdüse 216 am Ende der Wickelnadel 215, mit der der Draht 212 bereitgestellt wird, für den Fall, dass die Wickelnadel 215 und/oder die Drahtförderdüse 216 lediglich um einen Zahn 208 herum geführt wird, ohne dass die Wickelnadel 215 in Richtung des Zahns 208 ausgerichtet wird, aufgrund einer geringen Größe des Nutschlitzes der Nut 210a, wobei dieser Nutschlitz durch Flansche 209 unmittelbar benachbarter Zähne 208 begrenzt ist, nicht jede Stelle innerhalb der Nut 210a erreicht werden. Deshalb ergibt sich innerhalb der Nut 210a ein schwer zugänglicher bzw. schlecht nutzbarer Bereich 229 ergibt. Eine Vergrößerung eines Nutschlitzes zur Verbesserung einer Zugänglichkeit der Nut 210a ist jedoch zu vermeiden, da sich ein vergrößerter Nutschlitz negativ auf die elektromagnetischen Eigenschaften der Elektromaschine 202 auswirken würde.
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Wie weiterhin 6 zeigt, ist eine Position der Drahtförderdüse 216 relativ zu einem Zahn 208a, 208b und somit auch innerhalb einer Nut 210 bekanntermaßen zu variieren. Die Position der Drahtförderdüse 216 innerhalb einer Nut 210 wird durch eine relative Bewegung der Wickelnadel 215 in radialer Richtung der Komponente, parallel zu einer Längsachse eines jeweiligen Zahns 208a, 208b bestimmt. Weiterhin wird die Komponente relativ zu der Wickelnadel 215 um jeden Nutschlitz, der durch unmittelbar benachbarte Flansche 209a, 209b begrenzt ist, herum gedreht, durch den die Wickelnadel 215 jeweils geführt ist. Dies kann bedeuten, dass die Komponente zunächst gedreht bzw. schräg gestellt wird und die Wickelnadel 215 erst danach durch den Nutschlitz geführt wird. Eine sich jeweils ergebende Drehachse 240, um die die Komponente exzentrisch zu drehen ist, verläuft bei der Darstellung aus 6 parallel zu Rändern der unmittelbar benachbarten Flansche 209a, 209b durch den Punkt auf der Wickelnadel 215, der sich aktuell innerhalb des Nutschlitzes befindet. Dabei wird die Komponente, je nachdem, welcher Zahn 208a, 208b gerade mit Draht 212 zu umwickeln ist, um die Drehachse 240 gedreht, wobei die Wickelnadel 215 und somit die Drahtförderdüse 216 in Richtung des ersten Zahns 208a oder in Richtung des zweiten Zahns 208b ausgerichtet bzw. orientiert wird.
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7 zeigt, dass auch durch die bei dem bekannten Verfahren durchgeführte Drehung der Wickelnadel 215 entsprechend einem Verdrehwinkel δ um die Drehachse 240 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Nut 210a jeweils der schlecht nutzbarere Bereich 229 ergibt, an welchen die in 8 in einer Perspektivansicht gezeigte, aus dem Stand der Technik bekannte Wickelnadel 215, nicht eingeführt werden kann, um auch diesen schlecht nutzbaren Bereich 229 mit jeweiligen Wicklungen 214 zu versehen.
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8 zeigt, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Wickelnadel 215 eine einen Nadelgrundkörper N mit einer Oberfläche O aufweist welche einen ovalen Querschnitt Q aufweist. Die Wickelnadel 215 verformt sich beim Wickeln des Drahtes 212 aufgrund von Zugspannungen des Drahtes 212 beispielsweise in einer in 8 durch einen Pfeil verdeutlichten Verformungsrichtung R besonders stark. Dies führt dazu, dass die in 7 gezeigten, schlecht nutzbaren Bereiche 229 trotz der durch das bekannte Verfahren verbesserten Nutzugänglichkeit eine vergleichsweise große Fläche aufweisen, wodurch Wirkungsgradeinbußen beim Betrieb der Elektromaschine 202 in Kauf genommen werden müssen.
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9 zeigt eine Variante einer Wickelnadel 10 für eine in 10 schematisch angedeutete Wickelvorrichtung 50, an welcher die Wickelnadel 10 aufgenommen ist.
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Die Wickelvorrichtung 50 dient zum Herstellen von aus Draht 82 gebildeten Umwicklungen 80 eines Stators 60 für eine in 9 und 10 nicht weiter gezeigte elektrische Maschine, welche beispielsweise als Drehstrom-Elektromaschine ausgebildet sein kann. Der Stator 60 sowie eine der aus Draht 82 gebildeten Umwicklungen 80 sind in 10 angedeutet.
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In 9 ist zudem ein Koordinatensystem gezeigt, welches zueinander senkrecht orientierte Achsen x, y, z aufweist. Die Achse x entspricht dabei vorliegend einer Längserstreckungsrichtung der Wickelnadel 10, die Achse y entspricht einer Quererstreckungsrichtung der Wickelnadel 10 und die Achse z entspricht einer Hocherstreckungsrichtung der Wickelnadel 10.
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Die Wickelnadel 10 umfasst einen Nadelgrundkörper 20, welcher eine Durchgangsöffnung 24 aufweist, welche sich in Längserstreckungsrichtung x der Wickelnadel 10 durch den Nadelgrundkörper 20 erstreckt und aus welcher der Draht 82 an einem Austrittsbereich 22 des Nadelgrundkörpers 20 ausführbar ist.
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Die Wickelnadel 10 umfasst eine Versteifungsanordnung 30, welche sich zumindest über einen Teilbereich 26 des Nadelgrundkörpers 20 erstreckt. Der Teilbereich 24 erstreckt sich zwischen einem Anlageflansch 12 der Wickelnadel 10, welcher in Quererstreckungsrichtung y und in Hocherstreckungsrichtung z von dem Nadelgrundkörper 20 abragt, und dem Austrittsbereich 22. An dem Anlageflansch 12 kann die Wickelnadel 10 definiert an einer Werkzeugaufnahme der Wickelvorrichtung 50 angelegt werden. Der Nadelgrundkörper 20 weist zudem einen Haltebereich 14 auf, an welchem die Wickelnadel 10 in der Werkzeugaufnahme der Wickelvorrichtung 50 eingespannt und an einem, dem Austrittbereich 22 gegenüberliegenden Eintrittsbereich 16 über die Durchgangsöffnung 24 mit dem Draht 82 versorgt werden kann. Die Wickelnadel 10 ist vorliegend einteilig ausgebildet, weshalb der Anlageflansch 12 einteilig mit dem Nadelgrundkörper 20 verbunden ist. Der Anlageflansch 12 ist dabei in Längserstreckungsrichtung x zwischen dem Haltebereich 14 und dem Teilbereich 26 angeordnet.
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Die Versteifungsanordnung 30 umfasst zwei Versteifungselemente 32, 34, welche sich einander in Hocherstreckungsrichtung z gegenüberliegen und welche sich entlang des Teilbereichs 26 erstrecken. Die beiden Versteifungselemente 32, 34 sind vorliegend als jeweilige Versteifungsnuten ausgebildet, welche sich parallel zur Längserstreckungsrichtung x erstrecken.
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Der Nadelgrundkörper 20 weist an dem Teilbereich 26 einen, senkrecht zur Längserstreckungsrichtung x orientierten Grundkörperquerschnitt Q mit einer vieleckigen, vorliegend H-förmig ausgebildeten Außenkontur K auf. Mit anderen Worten liegt der Grundkörperquerschnitt Q in einer Ebene, welche parallel zu einer durch die Quererstreckungsrichtung y und die Hocherstreckungsrichtung z aufgespannten Ebene orientiert ist. Der Grundkörperquerschnitt Q weist in Quererstreckungsrichtung y und in Hocherstreckungsrichtung z der Wickelnadel 10 jeweils unterschiedliche Außenabmessungen a1, a2 auf. Die Außenabmessung a1 kann auch als Breite des Grundkörperquerschnitts Q bezeichnet werden, wohingegen die Außenabmessung a2 als Höhe des Grundkörperquerschnitts Q bezeichnet werden kann. Die Außenabmessung a1 ist vorliegend kleiner als die Außenabmessung a2, wie aus 9 hervorgeht. Dadurch ist der Grundkörperquerschnitt Q in Hocherstreckungsrichtung z größer dimensioniert als in Quererstreckungsrichtung y.
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Sowohl die in 8 gezeigte, bekannte Wickelnadel 215, als auch die in 9 gezeigte Wickelnadel 10 sind in den jeweiligen 8 bzw. 9 in einem jeweils verformten Zustand gezeigt, wobei im Bereich der jeweiligen Querschnitte Q eine Kraft von 50 N wirkt. Diese Kraft ist in 9 entgegengesetzt zur Quererstreckungsrichtung y und damit in die gleiche Richtung orientiert wie die in 8 in Bezug auf die bekannte Wickelnadel 215 verdeutlichte Verformungsrichtung R. Die maximal auftretende Verschiebung in diesem Bereich ergibt sich für die bekannte Wickelnadel 215 zu 0,289 mm, wohingegen die Verschiebung bei der Wickelnadel 10 aufgrund deren erhöhter Steifigkeit lediglich 0,132 mm beträgt. Sowohl die bekannte Wickelnadel 215 als auch die Wickelnadel 10 weisen dabei in Belastungsrichtung den gleichen Durchmesser (Außenabmessung a1 bei der Wickelnadel 10) auf.
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10 zeigt einen Bereich des Stator 60 für die elektrische Maschine, welcher einen Statorgrundkörper 70 mit einem hohlzylinderförmigen Grundkörperbereich 72 aufweist, an welchem wenigstens zwei, an einem Umfangsbereich des Grundkörperbereichs 72 einteilig mit diesem verbundene und von dem Grundkörperbereich 72 abragende Vorsprünge 74, 76 ausgebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind der Grundkörperbereich 72 und die Vorsprünge 74, 76 durch eine gestrichelte Linie GL voneinander abgegrenzt.
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Zwischen den Vorsprüngen 74, 76, welche auch als Zähne bezeichnet werden können, erstreckt sich eine Nut 78, wobei die Vorsprünge 74, 76 an einem jeweiligen, dem Grundkörperbereich abgewandten Ende 84, 86 einen, einen Nutquerschnitt der Nut 78 zumindest bereichsweise verengenden Endbereich 88, 90 aufweisen.
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An den Vorsprüngen 74, 76 werden zwischen den jeweiligen Endbereichen 88, 90 und dem Grundkörperbereich 72, die jeweiligen, aus Draht 82 gebildeten, sowie mittels der Wickelnadel 10 bzw. der Wickelvorrichtung 50 hergestellten, Umwicklungen 80 angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist an jedem der Vorsprünge 74, 76 vorliegend jeweils lediglich eine der Umwicklungen 80 gezeigt.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen des Stators 10 kann zunächst der Statorgrundkörper 70 bereitgestellt und die aus Draht 82 gebildeten Umwicklungen 80 an den jeweiligen Vorsprüngen 74, 76 zwischen den jeweiligen Endbereichen 88, 90 und dem Grundkörperbereich 72 mittels der, anhand der Wickelvorrichtung 50 geführten und mit dem Draht 82 versorgten Wickelnadel 10 hergestellt werden. Um die Umwicklungen 80 herzustellen wird die Wickelnadel 10 zumindest zeitweise in einen, durch die Endbereiche 88, 90 verengten Nutschlitz 79 eingeführt, um den Draht 82 in der Nut 78 abzulegen. Um die Umwicklungen 80 an den jeweiligen Vorsprüngen 74, 76 herzustellen, wird der Austrittsbereich 22 der Wickelnadel 10, unter gezieltem Ausführen des Drahtes 82 aus der Durchgangsöffnung 24, um die jeweiligen Vorsprünge 74, 76 herumgeführt und dadurch der Draht 82 an den jeweiligen Vorsprüngen 74, 76 abgelegt und um diese herumgewickelt.
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Durch die Wickelnadel 10, bzw. durch die Wickelvorrichtung 50 können die Umwicklungen 80 unter Nutzung einer besonders großen Nutfläche in der Nut 78 abgelegt und definiert positioniert werden, wobei ein deutlich kleinerer, schlecht nutzbarer Bereich B vorliegt, als bei aus dem Stand der Technik bekannten Wickelverfahren, wie aus der Zusammenschau der 10 mit 7, bzw. durch Vergleich der Flächen des schlecht nutzbaren Bereichs B mit dem in 7 gezeigten, durch das konventionelle Verfahren mit der herkömmlichen Wickelnadel 215 erzeugten schlecht nutzbaren Bereich 229 hervorgeht. Dadurch ist erkennbar, dass der schlecht nutzbare Bereich B kleiner ist als der schlecht nutzbare Bereich 229.
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Durch die Versteifungsanordnung 30 kann die Wickelnadel 10 geringere Außenabmessungen a1, a2 aufweisen, als die aus dem Stand der Technik bekannte Wickelnadel 215. Dadurch kann die Wickelnadel 10 unter betragsmäßig größeren Verdrehwinkeln α (siehe 10) in der Nut 78 verschwenkt werden, als die konventionelle Wickelnadel 215, wie durch Zusammenschau der 10 mit 7 bzw. durch Vergleich der jeweiligen Verdrehwinkel α bzw. δ ersichtlich ist.
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Für die Wickelnadel 10 braucht im Gegensatz zur bekannten Wickelnadel 215 kein hochfester Edelstahl als Grundwerkstoff verwendet werden, um die Steifigkeit der Wickelnadel 10 gewährleisten zu können. Da die Steifigkeit der Wickelnadel 10 durch deren Versteifungsanordnung 30 erhöht werden kann, ist auch der Einsatz eines weniger festen und deutlich kostengünstigeren Edelstahls als Grundwerkstoff für die Wickelnadel 10 möglich. Für eine Großserienproduktion könnten somit entscheidend Kosten eingespart werden. Ein weniger fester Edelstahl ist auch weniger spröde als ein hochfester Edelstahl, wodurch die Gefahr eines Bruchs der Wickelnadel 10 durch Verwendung des weniger festen Edelstahls, beispielsweise im Falle von Kollisionen der Wickelnadel 10 mit Objekten, wie beispielsweise dem Stator 60, verringert ist.
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Insgesamt können durch die Erfindung aus Draht gebildete Umwicklungen eines Stators auf besonders günstige Weise hergestellt werden.
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Zusammenfassend ergeben sich durch die vorliegende Erfindung folgende Vorteile:
- - Die Versteifungsanordnung 30 gestattet eine Reduktion der Breite der Wickelnadel 10, wodurch ein, gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Wickelnadel 215, erhöhter Nutfüllfaktor (Kupferfüllfaktor) durch bessere Ausnutzung der in der Nut 78 verfügbaren Nutfläche ermöglicht ist.
- - Die Nutschlitzbreite des Nutschlitzes 79 kann verringert werden, wodurch verbesserte elektrische Eigenschaften der elektrischen Maschine erzielt werden können.
- - Die Wickelnadel 10 kann aus einem weniger spröden Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, als die bekannte Wickelnadel 215 gebildet werden.
- - Das Verfahren ist zur Herstellung von Ein- und Zweischichtwicklungen sowie verteilter Wicklungen aus dem Draht 82 einsetzbar.
- - Die Verwendung der Wickelnadel 10 bietet hohe Flexibilität, da nur geringe Anpassungen (Nadelwechsel) bei Typwechsel notwendig sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015007836 A1 [0003]
