DE102021101678B3

DE102021101678B3 - Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Zahnkette

Info

Publication number: DE102021101678B3
Application number: DE102021101678.9A
Authority: DE
Inventors: Dennis Kuhl; Alexander Lepold; Christian Morgen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2041-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), insbesondere zur Bildung eines innengenuteten Stators einer elektrischen Maschine durch einen Nadelträger (2) umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer um ihre Längsachse (3) drehbar gelagerte Zahnkettenaufnahme (4), Fixierung der Zahnkette (1) mit einer Vielzahl von in Längsrichtung (Z) abwechselnd angeordneten quer zur Längsrichtung (Z) ausgerichteten Nuten (5) und Zähnen (6) in der Zahnkettenaufnahme (4), Bereitstellen einer Mehrzahl von kammartigen Wickelwerkzeugen (7), welche jeweils einen Grundkörper (8) aufweisen, aus welchem quer zur Längserstreckung (X) des Grundkörpers (8) jeweils wenigstens zwei Klammerstege (9) herausragen, Fixierung der Wickelwerkzeuge (7) an der Zahnkette (1) entlang der Längserstreckung der Zähne (6), Bewickeln der Zahnkette (1) mit wenigstens einem Leitungsstrang (10), Entnahme der Wickelwerkzeuge (7) von der Zahnkette (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Zahnkette, insbesondere zur Bildung eines innengenuteten Stators einer elektrischen Maschine durch einen Nadelträger.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besitzt über den Umfang verteilt in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnete Nuten, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. Zum Einsetzen einer Wicklung in diese Nuten sind verschiedene Wickelsysteme und Wickelverfahren bekannt.
Die DE 10 2011 011 809 A1 zeigt als gattungsgemäßer Stand der Technik ein Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung Z erstreckenden Zahnkette, insbesondere zur Bildung eines innengenuteten Stators einer elektrischen Maschine durch einen Nadelträger.
Aus der EP 3 449 553 B1 ist eine Wickelmaschine für das Wickeln von Spulen, mit einem Maschinenständer und mit mindestens einer Spulenkörperaufnahme mit einem Aufnahmeraum für den zu bewickelnden Spulenkörper und mindestens einer Wickelgutzuführung bekannt. Die Bewicklung wird mittels unterschiedlicher Wickeltechniken durchgeführt.
Aus den Schriften DE 10 2017 223 859 A1 , US 3 098 616 A und der DE 10 2005 049 536 A1 sind Wickelmaschinen zum Erstellen von Wicklungen eines Elektromotors sowie entsprechende Verfahren bekannt.
Aus EP 2 477 315 B1 ist beispielsweise ein Nadelwickelsystem für zu bewickelnde Wicklungsträger mit einer verteilter Wicklung bekannt. Beim Bewickeln derartiger innengenuteter Statoren muss der Nadelträger/Drahtführer durch den Stator durchfahren. Somit entsteht eine hohe Kollisionsgefahr und der Nadelträger besitzt eine geringe Bewegungsfreiheit. Für eine definierte Drahtablage im Wickelkopf sind ferner genutete Endkappen bzw. Gabelklemmen notwendig. Diese sind aufgrund der Regelung des Drahtzugs beim Wickelprozess nicht zu vermeiden. Jedoch ist für die Drahtablage in den Wickelkopf-Nuten eine zusätzliche Rotationsachse im Nadelträger notwendig, was die Komplexität des Nadelträgers deutlich erhöht.
Es ist somit die Aufgabe ein vereinfachtes, schnelleres und kostengünstigeres Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung Z erstreckenden Zahnkette, insbesondere zur Bildung eines innengenuteten Stators einer elektrischen Maschine durch einen Nadelträger umfassend die folgenden Schritte,

• Bereitstellen einer um ihre Längsachse drehbar gelagerte Zahnkettenaufnahme,
• Fixierung der Zahnkette mit einer Vielzahl von in Längsrichtung Z abwechselnd angeordneten im Wesentlichen in Querrichtung zur Längsrichtung Z ausgerichteten Nuten und Zähnen in der Zahnkettenaufnahme,
• Bereitstellen einer Mehrzahl von kammartigen Wickelwerkzeugen, welche jeweils einen Grundkörper aufweisen, aus welchem quer zur Längserstreckung X des Grundkörpers jeweils wenigstens zwei Klammerstege herausragen,
• Fixierung der Wickelwerkzeuge an der Zahnkette entlang der Längserstreckung der Zähne,
• Bewickeln der Zahnkette mit wenigstens einem Leitungsstrang, indem
- a. der Nadelträger translatorisch aus einer ersten Betriebsstellung entlang der Längserstreckung einer ersten der Nuten in eine zweite Betriebsstellung bewegt und der Leitungsstrang dabei in der ersten Nut abgelegt wird, nachfolgend
- b. eine Drehung der Zahnkettenaufnahme in einer ersten Drehrichtung um ihre Längsachse erfolgt, anschließend
- c. eine translatorische Bewegung zwischen dem Nadelträger (2) und der Zahnkettenaufnahme (4) aus der zweiten Betriebsstellung in Längsrichtung Z der Zahnkette in eine dritte Betriebsstellung bewirkt wird, und
- d. eine Drehung der Zahnkettenaufnahme in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung um ihre Längsachse erfolgt, so dass durch den Nadelträger aus der dritten Betriebsstellung der Leitungsstrang in der zweiten Nut abgelegt wird,
• Entnahme der Wickelwerkzeuge von der Zahnkette.

Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass ein neuartiger Wickelprozess für flache Zahnketten bereitgestellt werden kann, der verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eine erhöhte Bewegungsfreiheit des Nadelträgers, sowie ohne eine Rotationsachse im Nadelträger auskommt, was zu einer deutlichen Komplexitätsreduktion und Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit führt.
Es wird hierdurch insbesondere möglich, einen Stator als abgerollte Zahnkette zu fertigen und bereits die verteilte Wicklung in die flache Zahnkette zu fügen. Mit Hilfe einer Zahnkette kann die Bewegungsfreiheit des Nadelträger erhöht werden, da dieser zum Bewickeln der abgerollten Zahnkette nicht mehr wie bislang üblich durch den Stator hindurch verfahren muss. Zusätzlich kann durch ein Einspannen der Zahnkette in eine drehbar gelagerte Zahnkettenaufnahme die Drahtablage in den Nuten der Wickelwerkzeuge deutlich vereinfacht werden, worauf in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels noch näher eingegangen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein sequenzielles Bewicklen der Zahnkette mit einzeln zu bestromenden Leitungssträngen erfolgt.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Zahnkettenaufnahme um ihre Längsachse zwischen 320°-380° drehbar ist, besonders bevorzugt in 90° Schritten.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Wiederholen der Verfahrensschritte a-d entsprechend der gewünschten Spulenwindungszahl erfolgt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass vor der Durchführung der Verfahrensschritte a-d Isolationspapier in die zu bewickelnden Nuten eingelegt wird.
Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass eine Isolierung zwischen unterschiedlichen Leitungssträngen erreichbar ist.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass nach der Durchführung der Verfahrensschritte a-d Isolationspapier in einer die Längserstreckung der Zahnkette schneidenden Ebene an den aus den Nuten hervorstehenden Leitungssträngen eingesetzt wird.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die konzentrischen Spulen einer Spulengruppe eines Leitungsstrangs in den jeweiligen Nuten übereinander angeordnet.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass aus den kammartigen Wickelwerkzeugen quer zur Längserstreckung X des Grundkörpers jeweils wenigstens sechs Klammerstege herausragen. Der sequenzielle Wickelvorgang bewirkt hierdurch zusammen mit den eingesetzten Wickelwerkzeugen einen 3-Etagen Aufbau im Wickelkopf der unterschiedlichen Leitungsstränge.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 ein Wickelwerkzeug in einer perspektivischen Darstellung,
2 eine in einem Zahnkettenträger eingesetzte Zahnkette in einer perspektivischen Darstellung,
3 eine Zahnkette in einem Zahnkettenträger mit eingesetzten Wickelwerkzeugen in einer perspektivischen Darstellung,
4 Zahnkette bei der Bewicklung mit einem Nadelträger in einer ersten Betriebsposition,
5 Zahnkette bei der Bewicklung mit einem Nadelträger in einer zweiten Betriebsposition,
6 Zahnkette bei der Bewicklung mit einem Nadelträger in einer dritten Betriebsposition,
7 Zahnkette bei der Bewicklung mit einem Nadelträger in einer vierten Betriebsposition,
8 Zahnkette bei der Bewicklung mit einem Nadelträger in einer fünften Betriebsposition, und
9 bewickelte zahnkette mit entfernten Wickelwerkzeugen in einer perspektivischen Darstellung.

Anhand der 1-9 wird ein Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung Z erstreckenden Zahnkette 1 durch einen Nadelträger 2 näher erläutert.
Bei der Zahnkette 1 handelt es sich um einen abgerollten innengenuteten Stator. Es wird eine verteilte Wicklung in diese flache Zahnkette 1 eingebracht, wie nachfolgend beschrieben.
Um ein Abrollen des innengenuteten Stators zu einer Zahnkette 1 bzw. das Aufrollen der Zahnkette 1 zu einem zylinderförmigen Stator zu erlauben, weist die Zahnkette 1 am Nutgrund eine V-förmige Nut 17 auf, so dass die benachbarten Zähne 6 um einen dem Öffnungswinkel der V-förmigen Nut 17 entsprechenden Winkel aufeinander zu verschwenkt werden können. Grundsätzlich wäre es natürlich auch denkbar, dass der bewickelte Stator am Ende des Wickelprozesses in seiner linearen Erstreckung verbleibt, wie es in der 2 gezeigt ist und dann als Stator für einen Linearmotor verwendet wird.
Zunächst erfolgt das Bereitstellen einer um ihre Längsachse 3 drehbar gelagerte Zahnkettenaufnahme 4, wie es in der 2 gezeigt ist. Die Zahnkettenaufnahme 4 ist als Schraubstock ausgebildet, in den die Zahnkette 1 eingesetzt und durch eine translatorisch in Längserstreckung des Schraubstocks bewegbare Klemmbacke lösbar in der Zahnkettenaufnahme fixierbar ist. Die Zahnkette 1 ist so mit einer Vielzahl von in Längsrichtung Z abwechselnd angeordneten quer zur Längsrichtung Z ausgerichteten Nuten 5 und Zähnen 6 in der Zahnkettenaufnahme 4 angeordnet. In die Nuten 5 ist Isolationspapier 15 eingelegt, welches in Längserstreckung der Nuten 5 beidseits aus den Nuten 5 herausragt und übersteht.
Es folgt ein Bereitstellen einer Mehrzahl von kammartigen Wickelwerkzeugen 7, welche jeweils einen Grundkörper 8 aufweisen, aus welchem quer zur Längserstreckung X des Grundkörpers 8 jeweils wenigstens zwei Klammerstege 9 herausragen. Eine Detailansicht des kammartigen Wickelwerkzeugs 7 ist in der 1 gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform ragen aus den kammartigen Wickelwerkzeugen 7 quer zur Längserstreckung X des Grundkörpers 8 jeweils sechs Klammerstege 9 heraus. Diese Wickelwerkzeuge 7 werden an der Zahnkette 1 entlang der Längserstreckung der Zähne 6 fixiert, wie es in der 3 gezeigt ist.
Nach diesen Vorbereitungen der Zahnkette 1, erfolgt das Bewickeln der Zahnkette 1 mit wenigstens einem Leitungsstrang 10.
Hierzu wird der Nadelträger 2 translatorisch aus einer ersten Betriebsstellung 11 entlang der Längserstreckung einer ersten der Nuten 5 in eine zweite Betriebsstellung 12 bewegt und der Leitungsstrang 10 dabei in der ersten Nut 5 abgelegt, so wie es in der 4 wiedergegeben ist.
Hiernach erfolgt eine Drehung der Zahnkettenaufnahme 4 in einer ersten Drehrichtung um ihre Längsachse 3 um 90°, wobei der Nadelträger 2 in seiner zweiten Betriebsstellung 12 verbleibt, was in der 5 gezeigt ist.
Anschließend wird eine translatorische Bewegung des Nadelträgers 2 aus der zweiten Betriebsstellung 12 in Längsrichtung Z der Zahnkette 1 in eine dritte Betriebsstellung 13 bewirkt, was durch den Pfeil in der 6 angedeutet ist. Was der 6 auch entnommen werden kann ist, dass die konzentrischen Spulen einer Spulengruppe eines Leitungsstrangs 10 in den jeweiligen Nuten 5 übereinander angeordnet.
Nach dem Erreichen der dritten Betriebsstellung 13 des Nadelträgers 2, dessen Betriebsstellung in der 7 wiedergeben ist, erfolgt eine Drehung der Zahnkettenaufnahme 4 in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung um ihre Längsachse 3 im 90°, so dass durch den Nadelträger 2 aus der dritten Betriebsstellung 13 der Leitungsstrang 10 in der zweiten Nut 5 abgelegt wird, so wie es in der 8 gezeigt ist.
Diese Verfahrensschritte des Bewickelns der Zahnkette 1 durch den Nadelträger 2 werden entsprechend der gewünschten Spulenwindungszahl wiederholt.
Um verschiedene Phasen der Wicklung auszubilden, erfolgt ein sequenzielles Bewicklen der Zahnkette 1 mit einzeln zu bestromenden Leitungssträngen 10. Hierzu erfolgt das Bewickeln jeweils entlang der entsprechenden nutartigen Drahtablagebereiche 16, die an den Wickelwerkzeugen 7 ausgebildet sind, was sich gut anhand der 1 erkennen lässt. Die einzelnen Phasen der Bewicklung werden dann den zugeordneten Drahtablagebereichen 16 zugeordnet und sind so in Längserstreckung des kammartigen Wickelwerkzeugs 7 voneinander beabstandet. In dem gezeigten Bespiel ist die Zahnkette 1 3-phasig bewickelt.
Nach der erfolgten Bewicklung der Zahnkette 1 werden die Wickelwerkzeuge 7 von der Zahnkette 1 entfernt. Die so bewickelte Zahnkette 1 kann abschließend zu einem zylindrischen innengenuteten Stator zusammengerollt und gefügt werden.
An der 9 ist gut zu erkennen, dass nach der Durchführung der Verfahrensschritte a-d Isolationspapier 15 in einer die Längserstreckung der Zahnkette 1 schneidenden Ebene, an den aus den Nuten 5 hervorstehenden Leitungssträngen 10 eingesetzt wird.
Anschließend kann die bewickelte Zahnkette 1 dann aufgerollt und zu einem zylindrischen Stator geformt werden.
In der 9 ist auch die Lage und Bezeichnung der Achsen des in dieser Anmeldung verwendeten Koordinatensystems gezeigt. Die Z-Achse entspricht dabei der Längsrichtung Z der Zahnkette 1, während die Nuten 5 rechtwinklig hierzu entlang der X-Achse verlaufen.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Zahnkette
2: Nadelträger
3: Längsachse
4: Zahnkettenaufnahme
5: Nuten
6: Zähnen
7: Wickelwerkzeugen
8: Grundkörper
9: Klammerstege
10: Leitungsstrang
11: erste Betriebsstellung
12: zweite Betriebsstellung
13: dritte Betriebsstellung
15: Isolationspapier
16: Drahtablagebereich
17: Nut

Claims

Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), insbesondere zur Bildung eines innengenuteten Stators einer elektrischen Maschine durch einen Nadelträger (2), umfassend die folgenden Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass • Bereitstellen einer um ihre Längsachse (3) drehbar gelagerte Zahnkettenaufnahme (4), • Fixierung der Zahnkette (1) mit einer Vielzahl von in Längsrichtung (Z) abwechselnd angeordneten im Wesentlichen in Querrichtung zur Längsrichtung (Z) ausgerichteten Nuten (5) und Zähnen (6) in der Zahnkettenaufnahme (4), • Bereitstellen einer Mehrzahl von kammartigen Wickelwerkzeugen (7), welche jeweils einen Grundkörper (8) aufweisen, aus welchem quer zur Längserstreckung (X) des Grundkörpers (8) jeweils wenigstens zwei Klammerstege (9) herausragen, • Fixierung der Wickelwerkzeuge (7) an der Zahnkette (1) entlang der Längserstreckung der Zähne (6), • Bewickeln der Zahnkette (1) mit wenigstens einem Leitungsstrang (10), indem a. der Nadelträger (2) translatorisch aus einer ersten Betriebsstellung (11) entlang der Längserstreckung einer ersten der Nuten (5) in eine zweite Betriebsstellung (12) bewegt und der Leitungsstrang (10) dabei in der ersten Nut (5) abgelegt wird, nachfolgend b. eine Drehung der Zahnkettenaufnahme (4) in einer ersten Drehrichtung um ihre Längsachse (3) erfolgt, anschließend c. eine translatorische Bewegung zwischen dem Nadelträger (2) und der Zahnkettenaufnahme (4) aus der zweiten Betriebsstellung (12) in Längsrichtung (Z) der Zahnkette (1) in eine dritte Betriebsstellung (13) bewirkt wird, und d. eine Drehung der Zahnkettenaufnahme (4) in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung um ihre Längsachse (3) erfolgt, so dass durch den Nadelträger (2) aus der dritten Betriebsstellung (13) der Leitungsstrang (10) in der zweiten Nut (5) abgelegt wird, • Entnahme der Wickelwerkzeuge (7) von der Zahnkette (1).
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein sequenzielles Bewicklen der Zahnkette (1) mit einzeln zu bestromenden Leitungssträngen (10) erfolgt.
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnkettenaufnahme (4) um ihre Längsachse (3) zwischen 320°-380° drehbar ist, besonders bevorzugt in 90° Schritten drehbar ist.
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wiederholen der Verfahrensschritte a-d entsprechend der gewünschten Spulenwindungszahl erfolgt.
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung der Verfahrensschritte a-d Isolationspapier (15) in die zu bewickelnden Nuten (5) eingelegt wird.
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung der Verfahrensschritte a-d Isolationspapier (15) in einer die Längserstreckung der Zahnkette (1) schneidenden Ebene an den aus den Nuten (5) hervorstehenden Leitungssträngen (10) eingesetzt wird.
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrischen Spulen einer Spulengruppe eines Leitungsstrangs (10) in den jeweiligen Nuten (5) übereinander angeordnet sind.
Verfahren zum Bewickeln einer sich in einer Längsrichtung (Z) erstreckenden Zahnkette (1), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den kammartigen Wickelwerkzeugen (7) quer zur Längserstreckung (X) des Grundkörpers (8) jeweils wenigstens sechs Klammerstege (9) herausragen.