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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, einen Spanndorn sowie eine elektrische Maschine, wie sie beispielsweise als Traktionsmotor in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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Elektromotoren oder elektrische Maschinen der in Rede stehenden Art weisen Wicklungen auf, welche mit Werkstoffen, wie beispielsweise Harzen, getränkt sind. Hierbei ist möglichst sicherzustellen, dass das Harz vollständig bzw. gleichmäßig innerhalb der Wicklung verteilt wird, insbesondere also keine Lunker oder dergleichen entstehen. Dadurch würde die Wärmeleitung von der Wicklung in das anliegende Blechpaket verringert werden. Zudem wird die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung verringert. Die Drähte der Wicklung könnten sich im Betrieb bewegen, was zudem zu akustischen Auffälligkeiten führen kann. Um eine gezielte Imprägnierung zu ermöglichen und den Nacharbeitsaufwand möglichst gering zu halten, schlägt die
DE 10 2019 121 956 A1 eine Imprägniervorrichtung zum Imprägnieren von Bauteilen einer elektrischen Maschine vor, umfassend eine Harzauftragseinrichtung zum Auftragen eines Harzes auf einen ersten Bereich eines sich in der Imprägniervorrichtung drehenden Bauteils und eine Sperrgasströmungserzeugungseinrichtung zum Richten einer Sperrgasströmung auf wenigstens einen sich an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich des Bauteils, um ein Fließen des Harzes von dem ersten Bereich zu dem oder über den zweiten Bereich zu verhindern. Auch damit ist allerdings noch nicht sichergestellt, dass die Verteilung des Harzes innerhalb der Wicklung möglichst vollständig und gleichmäßig ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, einen Spanndorn sowie eine elektrische Maschine anzugeben, welche eine optimale Imprägnierung der Wicklung mit Harz, oder allgemein einem Imprägnierwerkstoff, ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, einen Spanndorn gemäß Anspruch 11 sowie durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, umfassend einen Grundkörper, welcher sich entlang einer Rotationsachse erstreckt und eine Vielzahl von umfänglich verteilt angeordneten Nuten zur Anordnung einer Wicklung oder von Leitermaterial aufweist, die Schritte:
- - Bereitstellen eines Grundkörpers und Anordnen von Leitermaterial in zumindest einer Nut;
- - Aufbringen einer Kraft in radialer Richtung auf das Leitermaterial zum Verdichten und/oder Ausrichten des Leitermaterials in der Nut;
- - Aufbringen von Imprägniermaterial auf das Leitermaterial im verdichteten/ausgerichteten Zustand.
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Durch das Aufbringen der Kraft wird das Leitermaterial innerhalb der Nut ausgerichtet bzw. komprimiert. Bei dem Leitermaterial kann es sich um Draht, wie beispielsweise klassischen Kupferdraht (mit einem runden oder im Wesentlichen runden Querschnitt), handeln. Alternativ kann das Leitermaterial auch Formdraht sein. Dieser weist typischerweise einen viereckigen, insbesondere einen rechteckigen, Querschnitt auf. Die lange Seite des „Rechtecks“ entspricht dabei gemäß einer Ausführungsform im Wesentlichen einer Breite der Nut. Unabhängig von der tatsächlichen Ausgestaltung des Leitermaterials können über das Aufbringen der Kraft vorliegend mit Vorteil etwaige Spalte, Zwischenräume oder Lücken zwischen den (Form-)Drähten oder auch Verformungen der (Form-)Drähte minimiert werden. Geraden zu Hairpins geformte Formdrähte weisen oftmals maßliche Toleranzen auf, sind also zum Beispiel etwas „verdreht“ oder „krumm“. Die kann sehr gut über das vorliegende Verfahren korrigiert oder kompensiert werden können. Das Ausrichten und/oder Verdichten bewirkt eine optimale Imprägnierung, da der Kapillareffekt, welcher maßgeblich die Verteilung des Imprägniermaterials zwischen den (Form-)Drähten oder innerhalb der Wicklung bewirkt, bestmöglich wirken kann. Die Formdrähte werden über die Krafteinleitung zusammengedrückt/ausgerichtet, wodurch vorhandene Hohlräume und Spalten verringert werden. Größere Leerräume werden vermieden, die Abstände der (Form-)Drähte zueinander werden angeglichen, sodass beim Imprägnieren die Kapillarwirkung das Harz bzw. das Imprägniermaterial deutlich effektiver in die (kleinen) Spalten zieht. Es entsteht eine bessere und gleichmäßigere Befüllung der Nuten und eine Erhöhung des Nutfüllgrades mit Harz/Imprägniermaterial. Vorteilhaft ist dies unter anderem auch für die Wärmeableitung zum Blechpaket, die Akustik, das Teilentladungsverhalten etc.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Grundkörper ein Statorkörper. Der Statorkörper umfasst beispielsweise ein Blechpaket. Die vorgenannten Nuten sind an einer inneren Umfangsfläche des Blechpakets ausgebildet bzw. angeordnet. Alternativ kann der Grundkörper auch ein Rotorkörper sein. Dieser weist entsprechend an seiner äußeren Umfangsfläche die Nuten auf und umfasst ebenfalls typischerweise ein Blechpaket. Nachfolgend wird das Verfahren dahingehend beschrieben, dass der Grundkörper ein Statorkörper ist. Die Merkmale und Vorteile gelten analog und entsprechend aber auf für einen Rotorkörper.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Leitermaterial durch Hairpins gebildet, welche axial in die Nuten eingebracht werden. Hierbei ist Formdraht zu einem sogenannten „Hairpin“ geformt. Die Nutöffnungen, üblicherweise „Nutschlitze“ genannt, der Statornuten sind zur Rotationsachse hin verengt, wodurch die vorgeformten Hairpins nur axial in die Nuten eingebracht bzw. eingeschoben werden können.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer Kraft auf das in der Nut angeordnete Leitermaterial, welche radial von der Rotationsachse weg gerichtet ist.
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Zweckmäßigerweise wird über die Krafteinleitung das in der Nut befindliche Leitermaterial an das Joch des Statorkörpers gedrückt. Neben dem vorgenannten Vermeiden von Lunkern etc. wird hierbei zweckmäßigerweise auch der Außendurchmesser des Wickelkopfs am Nutausgang vergrößert. Ein vergrößerter Abstand zum Rotor hin ist besonders vorteilhaft, da ein ungewolltes Berühren im Betrieb vermieden werden kann. Zudem wird die Gefahr von elektrischen Überschlägen minimiert, welche aus einer zu geringen Luftstrecke resultieren können. Bei einem Rotorköper wäre sinngemäß die Kraft radial zur Rotationsachse hin zu richten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verwenden eines Hilfselements zum Aufbringen der Kraft.
Zweckmäßigerweise ist das Hilfselement ein leistenartiges, bevorzugt längliches, Element, vorliegend auch Tragelement oder Schieber genannt, welches gemäß einer Ausführungsform zumindest so lang wie die jeweilige Nut ist. Zweckmäßigerweise kann damit vollflächig und gleichmäßig entlang der jeweiligen Nut die Kraft aufgebracht werden. Damit kann eine gleichmäßige Komprimierung/Verdichtung/Ausrichtung entlang der gesamten Nut erreicht werden, wodurch sichergestellt wird, dass das Leitermaterial über die gesamte Länge optimal ausgerichtet und verdichtet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Halten des Grundkörpers beim Imprägnieren mittels einer Vielzahl von Hilfselementen.
Indem der Grundköper beim Imprägnieren, insbesondere ausschließlich, über die Hilfselemente gehalten wird, können Harzrückstände an der inneren oder der äußeren Umfangsfläche des Grundkörpers vermieden werden. Würde der Grundkörper dort über Greifer oder dergleichen gehalten werden, würde der Kapillareffekt dazu führen, dass in diese Bereiche (Berühr- oder Kontaktstellen der Greifer) ungewollt Harz vordringt. Dieses müsste nachträglich aufwendig entfernt werden.
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Bevorzugt wird eine Vielzahl von Hilfselementen verwendet, sodass mit Vorteil eine gleichzeitige Kraftaufbringen in allen Nuten ermöglicht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verwenden eines Spanndorns, umfassend eine Vielzahl von umfänglich angeordneten Tragelementen, welche radial verfahrbar sind, zum Aufspannen des Grundkörpers.
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Die Tragelemente entsprechen den vorgenannten Hilfselementen. Mit Vorteil wird über den Spanndorn der Grundkörper, vorliegend insbesondere bevorzugt der Statorkörper, beim Imprägnieren gehalten. Indem die Tragelemente des Spanndorns radial verfahrbar sind, kann das in die Nuten angeordnete Leitermaterial komprimiert bzw. verdichtet werden. Der Spanndorn hält also zweckmäßigerweise nicht nur den Grundkörper, sondern ermöglicht gleichzeitig auch das Verdichten des Leitermaterials in der oder den Nuten. Zweckmäßigerweise ist der Spanndorn ausgelegt, ein Drehen oder Rotieren des Grundkörpers, um dessen Rotationsachse zu ermöglichen.
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Zweckmäßigerweise wird der Grundkörper ausschließlich oder insbesondere ausschließlich mittels des Spanndorns gehalten.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen des Imprägniermaterials mittels Träufelimprägnierung.
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Bei der Träufelimprägnierung wird der Grundkörper mittels des Spanndorns um seine eigene Achse, vgl. die vorgenannte Rotationsachse, gedreht. Der Grundkörper kann beispielsweise mittels Konvektion, Infrarotstrahlung oder Induktion aufgeheizt werden. Während der Rotation wird das bevorzugt niedrigviskose Imprägniermaterial mit Hilfe eines Dosiersystems durch vorteilhafterweise mehrere Düsen an unterschiedlichen Positionen aufgeträufelt. Durch die Kapillarwirkung dringt das Harz in die Wicklung ein und verteilt sich. Die Verteilung wird vorliegend insbesondere dadurch optimiert, als der Kapillareffekt durch die Ausrichtung bzw. Komprimierung der Wicklung optimal wirken kann.
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Bei dem Imprägniermaterial handelt es sich insbesondere um ein Harz, welches für den genannten Zweck bestimmt ist. Als Imprägnier- oder Isolationsmaterial werden gemäß bevorzugter Ausführungsformen 1 K und 2K, kalt- oder warm härtende, Epoxidharzsysteme, Polyester- oder Polyesterimidharze verwendet.
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Das Träufeln zeichnet sich durch einen vorteilhafterweise geringen Materialeinsatz aus. Zudem eignet sich die Anwendung ideal für 2K-Imprägniermaterialien, welche eine schnelle Härtung auch bei niedrigen Temperaturen ermöglichen und so die Investitions- und Betriebskosten in der Herstellung ermöglichen zu reduzieren.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des Imprägniermaterials mittels Tauchimprägnieren. Auch andere, hier nicht explizit aufgeführte Imprägnierverfahren, können zweckmäßigerweise genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen eines Isolationspapiers in der zumindest einen Nut derart, dass es im Bereich der Nutöffnung bzw. im Bereich des Nutschlitzes überlappt.
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Es hat sich herausgestellt, dass diese Art der Nutisolierung gut geeignet für das vorliegende Verfahren ist. So ist die Nutisolierung dort, wo die Krafteinleitung in das Leitermaterial erfolgt, mehrlagig, insbesondere doppellagig, und insbesondere auch beweglich ausgebildet, was dazu führt, dass bei der Krafteinleitung keine Beschädigung der Nutisolierung oder auch einer Isolierung des Leitermaterials auftritt.
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Die Erfindung betritt auch einen Spanndorn, umfassend eine Vielzahl von radial angeordneten Tragelementen, welche zur Aufnahme eines Rotorkörpers oder Statorkörpers einer elektrischen Maschine ausgelegt sind, wobei die Tragelemente zur zumindest bereichsweisen Anordnung in den Nuten des Rotorkörpers oder des Statorkörpers ausgelegt sind, und wobei die Tragelemente derart in die Nuten hinein verfahrbar ausgebildet sind, dass in den Nuten angeordnetes Leitermaterial komprimiert werden kann.
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Ist der Spanndorn zur Aufnahme eines Rotorkörpers ausgelegt, sind die Halteelemente radial nach innen verfahrbar, im Falle eines Statorkörpers radial nach außen.
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Im Übrigen gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend bzw. umgekehrt.
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Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und/oder Stator, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
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Durch die Schieber, Hilfs- oder Tragelemente, welche in die Nuten der jeweiligen Grundkörper eingreifen oder einfahren können, kann das in der Nut angeordnete Leitermaterial gegen das jeweilige Joch gedrückt und komprimiert bzw. verdichtet werden. Dadurch werden die (Form-)Drähte ausgerichtet und etwaige Spalte, Lücken etc. minimiert. Lunker und dergleichen können beim Imprägnieren vermieden wodurch eine optimale Wärmeabfuhr an das Blechpaket hinein ermöglicht wird. Zusätzlich wird mit Vorteil der Wickelkopfaußendurchmesser (im Falle eines Statorkörpers) am Nutausgang vergrößert. Das akustische Verhalten ist optimiert, da die gesamte Anordnung mechanisch fest stabilisiert ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Teilansicht eines Statorkörpers im Schnitt zum Veranschaulichen des Grundproblems;
- 2: die im Wesentlichen aus der 1 bekannte Anordnung, wobei das Aufbringen einer Kraft in radialer Richtung gezeigt ist;
- 3: eine schematische Ansicht einer Nut sowie die Anordnung eines Isolationspapiers.
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1 zeigt in einer schematischen Teilansicht einen Statorkörper 10, wobei vorliegend drei Nuten 20 zu erkennen sind. Der Grundkörper bzw. Statorkörper 10 sowie die Nuten 20 erstrecken sich entlang einer Rotationsachse R, vorliegend also in die Zeichenebene herein. Die Nuten 20 weisen im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt auf. Im Bereich der Nutöffnungen 22 sind die Nuten 20 verjüngt. In die Nuten 20 ist Leitermaterial angeordnet, vgl. das Bezugszeichen 12. Vorliegend sind schematisch mehrere Hairpins im Schnitt zu erkennen. Der Formdraht, aus welchem die Hairpins geformt sind, weist im Querschnitt einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Die Anordnung der Hairpins erfolgt durch Einschieben entlang der Rotationsachse R. Schematisch dargestellt ist vorliegend, dass die Formdrähte nicht optimal aneinander liegen, sondern zueinander leicht verdreht oder schief etc. angeordnet sind. Durch das radiale Aufbringen einer Kraft auf das Leitermaterial 12 kann dies mit Vorteil behoben werden, vgl. die 2.
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2 zeigt die im Wesentlichen aus der 1 bekannte Anordnung. Schematisch dargestellt ist, dass in die Nuten 20 Schieber, Hilfs- oder Tragelemente 30 derart einfahren, dass das Leitermaterial 12 komprimiert, verdichtet bzw. ausgerichtet wird. Etwaige Spalte oder Zwischenräume zwischen den Strängen des Leitermaterials 12 werden minimiert. Dadurch kann der Kapillareffekt, welcher die Verteilung des Imprägniermaterials in die Nuten und zwischen dem Leitermaterial 12 bewirkt, optimal wirken.
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Nut 20 im Querschnitt. Hier ist ein Isolationspapier 24 dargestellt, welches vor der Anordnung des Leitermaterials 12 in der Nut 20 eingebracht wird. Das Isolationspapier ist 24 vorliegend im Bereich der Nutöffnung 22 doppellagig ausgebildet. Die Enden des Isolationspapiers 24 liegen hier lose aufeinander. Damit kann es sich bei der Krafteinleitung, wie durch den Pfeil skizziert, vorteilhafterweise bewegen und wird nicht beschädigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundkörper, Rotorkörper, Statorkörper
- 12
- Leitermaterial
- 20
- Nut
- 22
- Nutöffnung, Nutschlitz
- 24
- Isolationspapier
- 30
- Hilfselement, Tragelement, Schieber
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019121956 A1 [0002]
