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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Torsionsvermeidung von Drähten bei der Herstellung von Wellenwicklungen.
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Spulenwicklungen können durch das Wickeln von Einzeldrähten in Drahtpaketen um eine Wickelschablone hergestellt werden. Wenn die Einzeldrähte einen rechteckigen Querschnitt haben, dann spricht man von Flachdrahtwicklungen. Ein mögliches Verfahren zur Herstellung von wellenförmigen Spulenwicklungen ist aus
DE 10 2015 120 661 A1 bekannt.
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Durch ein solches Verfahren ergibt sich eine flache, wellenförmige Spulenwicklung, welche auch als Wellenwicklung bezeichnet wird und dachförmige Wickelköpfe aufweist, die im Verlauf der Einzeldrähte der Wellenwicklung zwischen zwei geraden Drahtstegen angeordnet sind. Bei Einzug in einen Rotor oder Stator mit einem zylindrischen Rotor- oder Statorkörper wird die Wellenwicklung mit den übereinanderliegenden Einzeldrähten im Bereich der Stege in Nuten eingezogen und die Wickelköpfe ragen axial über den Rotor- oder Statorkörper hinaus und bilden den Versatz der Einzeldrähte über verschiedene Nuten. In der Regel wird die gesamte hergestellte Spulenwicklung flachgepresst, sodass sich überlagernde Drähte möglichst nah aneinander liegen.
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Durch eine nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Spulenwicklung lassen sich Spulen mehrerer elektrischer Kreise auf einmal in einen Stator- oder Rotorkörper einbringen, sodass beispielsweise ein dreiphasiger Betrieb eines Elektromotors möglich ist. Daher weisen die verwendeten Drahtpakete bevorzugt eine Anzahl von Einzeldrähten aus einem Vielfachen von drei auf. Es sind aber auch andere Konstellationen denkbar. Ebenfalls ist denkbar, dass die hergestellte Wellenwicklung nicht direkt in einen Rotor oder Stator eingezogen wird, sondern zunächst in ein Einziehwerkzeug, welches die Wellenwicklung letztendlich in einen Rotor- oder Statorkörper überführt.
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Durch das vorstehend beschriebene Verfahren ist insbesondere bei der Verwendung von im Querschnitt rechteckigen Drähten für Flachdrahtwicklungen eine starke plastische Verformung der Drähte beim Umbiegen der Einzeldrähte um die Wickelschablone zu erwarten, nämlich dann, wenn die Wickelschablone gedreht wird und die geneigten Bereiche, welche die Wickelköpfe ausbilden, um eine Kante der Wickelschablone geformt und anschließend flachgepresst werden. Es entsteht zunächst eine je nach Kantenausbildung der Wickelschablone eine mehr oder weniger starke Torsion in den im Querschnitt rechteckigen Drähten, die einerseits Raum beansprucht und andererseits eine an den Drähten vorhandene Isolationsschicht beschädigen kann. Die Einzeldrähte sind gewöhnlicher Weise aus Kupfer, das wesentlich duktiler ist, als eine aufgebrachte Isolationsschicht aus Isolationslack. Bei einer übermäßigen Verformung der Drähte droht diese Isolationsschicht abzuplatzen und bildet eine Fehlstelle in der Spulenwicklung. Schon eine Fehlstelle in einer Spulenwicklung kann zu einem Ausschuss des gesamten Bauteils führen. Bei einem Verpressen zur Erreichung einer möglichst geringen räumlichen Ausdehnung der Wickelköpfe einer in einen Rotor, Stator, oder ein Einziehwerkzeug eingelegten Spulenwicklung können auch die Kanten einer Drahtstelle in einen benachbarten Draht eindrücken und die Isolationsschicht zerstören.
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Aus der eingangs genannten
DE 10 2015 120 661 A1 ist ebenfalls zu entnehmen, dass bestimmte Einzeldrähte während des Verfahrens einmal oder mehrmals paarweise vertauscht werden können, wobei ein Vertauschen der Position innerhalb des Bereiches der Wickelköpfe erfolgt, sodass die Einzeldrähte in den geraden Abschnitten, die zwischen zwei Wickelköpfen liegen, weiter parallel verlaufen. Hierdurch werden Verlusteffekte in elektrischen Spulen, die mit Wechselstrom betrieben werden, vermieden. Um diese Vertauschung zu erreichen, muss für bestimmte Einzeldrähte im Bereich der Wickelköpfe bzw. in dem Kantenbereich der Wickelschablone eine längere Drahtlänge vorgesehen werden, als für andere Drähte. Während des Drehens der Wickelschablone und des Umwickelns der Wickelschablone mit den vertauschten Einzeldrähten kann es auch hier zu Torsionen insbesondere der Drähte kommen, die zur Erreichung der gewünschten Vertauschung eine längere Drahtlänge im Bereich der Wickelköpfe haben. Durch diese Torsionen kann es ebenfalls zu einer Beschädigung der Isolationsschicht der Einzeldrähte mit den oben beschriebenen Nachteilen kommen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das die genannten Nachteile beseitigt und insbesondere eine raumeffiziente und durchgehend isolierte Spulenwicklung mit vertauschten Einzeldrähten herstellt.
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Zur Lösung der Aufgabe sind das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 10 vorgesehen. Ausgestaltungen ergeben sich nach den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist für ein Verfahren zur Torsionsvermeidung bei der Herstellung von Wellenwicklungen auf einer flachen, um eine Drehachse drehbaren Wickelschablone, aufweisend die Verfahrensschritte: Halten von aus einem Zufuhrbereich zugeführten, parallel verlaufenden Drähten auf der Wickelschablone; Vertauschen der Position eines n-ten der parallel verlaufenden Drähte mit einem weiteren Draht der parallel verlaufenden Drähte in dem Zufuhrbereich; Fixieren der Drähte in dem Zufuhrbereich; Ausbilden von Wickelköpfen der Wellenwicklung; vorgesehen, dass vor dem Vertauschen der Position des jeweiligen n-ten Drahts ein Zuführen einer weiteren Drahtlänge für jeden n-ten Draht unter Ausbildung eines Drahtbogens vorgesehen ist, wobei der Drahtbogen vor dem Ausbilden des Wickelkopfes fixiert wird.
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Es versteht sich, dass ein Drahtbogen keine perfekte Bogenform haben muss. Ein Drahtbogen im Sinne der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass er in Bezug auf die flache Seite der Wickelschablone einen aufsteigenden Drahtabschnitt aufweist und einen absteigenden Drahtabschnitt aufweist. Dies kann die Form eines Bogens aufweisen, oder näherungsweise die Form eines Bogens. Auch ein spitz gebogener oder geknickter Draht kann diese Funktion erfüllen, sofern die Isolation dadurch nicht beschädigt wird. Der Wickelkopf wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens durch axiales Versetzen der Wickelschablone entlang der Drehachse ausgebildet. Der dadurch entstehende Versatz der auf der Wickelschablone einerseits und in dem Zufuhrbereich andererseits gehaltenen Drähte bildet die geneigten Drahtbereiche eines Wickelkopfes aus. Ein Drahtsprung des jeweiligen n-ten Drahtes, dessen Position mit einem weiteren der parallelen Drähte vertauscht wurde, erfolgt vorzugsweise auch in dem Bereich der Wickelköpfe. Im weiteren Verfahrensablauf wird die Wickelschablone vorzugsweise um 180° gedreht, wodurch sich die weiteren geneigten Drahtbereiche auf der gegenüberliegenden flachen Seite der Wickelschablone ausbilden. Auf der gegenüberliegenden flachen Seite der Wickelschablone werden die zugeführten parallelen Drähte wieder gehalten und liegen bevorzugt im weiteren Verlauf im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse der Wickelschablone. Der Verfahrensablauf kann sich in einer bevorzugten Ausgestaltung bis zur Herstellung einer gewünschten Anzahl von Wicklungen bzw. Wickelköpfen wiederholen. Durch das Fixieren des Drahtbogens bzw. der zugeführten weiteren Drahtlänge werden Torsionen bei der Handhabung der Drähte vermieden. Torsionen innerhalb der Drähte führen bei der Herstellung der Wellenwicklung insbesondere bei der Verwendung von Rechteckdrähten zu einer Beschädigung der Isolation durch die Torsion selbst oder durch ein Aufeinanderliegen von Kanten zweier Drähte im Bereich der Wickelköpfe. Durch das Fixieren wird die Länge reduziert, auf der Sich der jeweilige n-te Draht tordieren kann. Dadurch liegen die Drähte nach dem Herstellen der Wickelköpfe flach und nicht mit den Kanten auf- bzw. im Bereich des Drahtsprunges zwischen dem n-ten und einem benachbarten Draht übereinander. Es kommt allenfalls im äußersten Bereich der Wickelköpfe, also in der Spitze bzw. dort, wo der jeweilige Draht um die flache Wickelschablone umgelegt wird, zu einer Torsion. Eine Torsion in diesem Bereich ist für den Einbau und den Betrieb der Spule, die aus der Wellenwicklung hergestellt wird, unkritisch. In dem äußersten Bereich der Wickelköpfe, liegen die vertauschen Drähte nicht aufeinander.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zu einem zu dem n-ten der parallel verlaufenden Drähte benachbarten Draht der Drähte keine weitere Drahtlänge zugeleitet wird. Nach einer optionalen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der n-te der parallel verlaufenden Drähte bei dem Vertauschen der Drahtposition mit dem zu dem n-ten der parallel verlaufenden Drähte benachbarten der Drähte die Position tauscht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass einerseits die gewünschte Vertauschung in der Drahtabfolge zur Erreichung der oben beschriebenen Vorteile im Wirkungsgrad einer Spule mit der so hergestellten Wellenwicklung erreicht werden, andererseits das Risiko der zu vermeidenden Torsion auf denjenigen n-ten Draht begrenzt wird, für den die weiteren Drahtlänge zugeführt wird. Dementsprechend ergibt sich aus einer optionalen Weiterbildung der Erfindung, dass der jeweilige n-te Draht mit einem direkt benachbarten Draht vertauscht wird.
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Ausgestaltend kann vorgesehen sein, dass das Vertauschen der Position des n-ten Drahtes mit einem zweiten, dritten oder vierten der parallel verlaufenden benachbarten Drähte erfolgt. Durch das Vorsehen einer Vertauschung von nicht direkt benachbarten Drähten, sondern in einem Abstand von zwei, drei oder vier Drähten können die oben beschriebenen positiven technischen Effekte hinsichtlich des Wirkungsgrads der mit der Wellenwicklung hergestellten Spule in Abhängigkeit von deren Einzugsmuster in einen Rotor- oder Statorkörper erreicht werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich der Drahtbogen in dem jeweiligen n-ten Draht im Wesentlichen senkrecht zu der flachen Seite der Wickelschablone gebildet wird, auf der die Drähte gehalten werden. Dies ermöglich in vorteilhafter Weise, dass eine Fixiervorrichtung parallel zu der Drehachse der Wickelvorrichtung eingeschoben werden kann, welche die Drahtbögen des jeweiligen n-ten Drahts vor und während der Ausbildung des Wickelkopfs fixiert und somit vor und während der Ausbildung der Wickelköpfe Torsionen innerhalb der weiteren Drahtlänge bzw. in dem jeweiligen Drahtbogen vermeidet.
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Dementsprechend kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen sein, dass zum Fixieren der Drahtbögen eines jeden n-ten Drahtes vorgesehen ist, dass die Drahtbögen bzw. die zugeführte weitere Drahtlänge zwischen einer oberen und einer unteren Klemmbacke einer Fixiervorrichtung fixiert werden. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein aufsteigender Teil des Drahtbogens mit einer ersten Fixiervorrichtung und bevorzugt zwischen einer oberen und einer unteren Klemmbacke der ersten Fixiervorrichtung fixiert wird und ein absteigender Teil der Drahtbogens mit einer zweiten Fixiervorrichtung und bevorzugt zwischen einer oberen und einer unteren Klemmbacke der zweiten Fixiervorrichtung fixiert wird.
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Nach einer Ausgestaltung kann dementsprechend vorgesehen sein, dass die jeweilige Fixiervorrichtung zur Aufnahme der Drahtbögen eines jeden n-ten Drahtes axial zu der Drehachse der Wickelschablone bewegt wird. Auf diese Weise wird die Fixierung vorteilhaft erreicht, ohne den weiteren Verfahrensablauf und die Herstellung der Wickelköpfe zu verhindern. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Fixierung der Drahtbögen eines jeden n-ten Drahtes aufgelöst, bevor die Wickelschablone zur Erzeugung des Wickelkopfs um 180° gedreht wird.
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Nach einer Weiterbildung des Verfahrens ergibt sich, dass n der Zahl 2, 3, 4, oder ein einem Vielfachen der Zahl 2, 3 oder 4 entspricht. Durch das Vorsehen eines sequentiellen Abstands des vertauschten Drahtes im Verlauf der Wellenwicklung können die oben beschriebenen Vorteile im Wirkungsgrad einer Spule je nach Einbausituation der Spule, die mittels der verfahrensgemäß erzeigten Wellenwicklung hergestellt wird, erreicht werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, dass für das Ausbilden der Wickelköpfe vorgesehen ist, dass die Wickelschablone gegen den Zufuhrbereich bezogen auf die Drehachse axial versetzt wird und die Wickelschablone anschließend zur Herstellung des Wickelkopfs um die Drehachse rotiert wird, wobei ein Vertauschen der Drähte nach jeder m-ten Rotation der Wickelschablone um die Drehachse erfolgt.
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Durch das Vorsehen der Drahtvertauschung für jeden m-ten, wobei m vorzugsweise 2, 3, oder 4 oder einem Vielfachen von 2, 3, oder 4 entspricht, Wickelkopf im Verlauf der Wellenwicklung können die oben beschriebenen Vorteile im Wirkungsgrad einer Spule je nach Einbausituation der Spule, die mittels der verfahrensgemäß erzeugten Wellenwicklung hergestellt wird, erreicht werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Drähte in der Fixiervorrichtung axial zur Drehachse gesehen schwimmend gelagert sind, also vorzugsweise die Ausbildung der geneigten Drahtabschnitte durch parallelen Versatz der auf der Wickelschablone gehaltenen Drähte zu den in dem Zufuhrbereich gehaltenen Drähten in der Richtung des Versatzes zur Herstellung des Wickelkopfes nicht behindert wird. Es versteht sich, dass ein bogenförmig gebogener Draht durch die Fixiervorrichtung begradigt wird, wenn vorzugsweise zwei Klemmbacken oder Klemmleisten der Fixiervorrichtung den Drahtbogen wie oben beschrieben einspannen.
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Für eine Vorrichtung zur Vermeidung von Torsionen bei der Herstellung von Wellenwicklungen, aufweisend eine flache, um eine Drehachse drehbare Wickelschablone, eine Drahtzufuhr zur Zuführung von parallel verlaufenden Drähten zu der Wickelschablone, eine erste Haltevorrichtung zum Halten der zugeführten Drähte auf der Wickelschablone, eine zweite Haltevorrichtung zum Halten der Drähte in einem Zufuhrbereich der Drahtzufuhr, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung zumindest eine Fixiervorrichtung zum Fixieren von zwischen dem Zufuhrbereich und der Wickelschablone ausgebildeten Drahtbögen aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die zugeführten parallel verlaufenden Drähte Flachdrähte sein. In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung weist die Fixiervorrichtung eine obere Klemmbacke und eine untere Klemmbacke zur Fixierung der Drahtbögen zwischen den Klemmbacken auf und optional ist zwischen den Klemmbacken ein Aufnahmeraum der zugeführten parallel verlaufenden Drähte vorhanden, welche bevorzugt Flachdrähte sind. Der Aufnahmeraum wird bevorzugt zwischen den Klemmbacken durch einen Abstand gebildet, der größer oder gleich der Dicke der Drähte der zugeführten parallel verlaufenden Drähte ist. Die Drähte sind bevorzugt innerhalb der Klemmbacken in einer Richtung parallel zu der Drehachse der Wickelschablone schwimmend gelagert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung ist zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen. Für die Vorrichtung ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile des Verfahrens sinngemäß.
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Weitere Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung Ausführungsbeispielen basierend auf den Zeichnungen.
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In den Figuren zeigen:
- 1: einen Zwischenschritt des Verfahrens, in dem Drahtbögen im Bereich der nachfolgend zu bildenden Wickelköpfe in jedem n-ten Draht ausgebildet sind; und
- 2: einen schematischen Querschnitt durch eine Fixiervorrichtung, welche in einem Verfahrensschritt zum Einsatz kommt, mit einer ersten Klemmbacke und einer zweiten Klemmbacke und dazwischen zumindest in einer Richtung fixierter Drähte.
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1 zeigt einen Zwischenschritt des Verfahrens, in dem Drahtbögen 31, 32, 33, 34, 35, 36 im Bereich der nachfolgend zu bildenden Wickelköpfe 12 in jedem n-ten Draht 21, 22, 23, 24, 25, 26 der Drähte 10 ausgebildet sind. Die Drähte 10 sind auf einer Wickelschablone 30 gewickelt und bilden gerade Drahtabschnitte 14 aus, die zwischen Wickelköpfen 12 liegen.
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Zur Torsionsvermeidung bei der Herstellung einer Wellenwicklung 1 auf der flachen, um eine Drehachse D drehbaren Wickelschablone 30 werden aus einem Zufuhrbereich 40 die parallel verlaufenden Drähte 10, vorzugsweise Rechteckdrähte, auf der Wickelschablone 30 gehalten. Für jeden n-ten Draht 21, 22, 23, 24, 25, 26 wird eine weitere Drahtlänge zugeführt, wodurch sich jeweils für jeden n-ten Draht die in 1 erkennbaren Drahtbögen 31, 32, 33, 34, 35, 36 ausbilden. Die Drahtbögen 31, 32, 33, 34, 35 haben jeweils eine aufsteigende Flanke 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 36a und eine absteigende Flanke 31b, 32b, 33b, 34b, 35b, 36b. Die Drahtbögen 31, 32, 33, 34, 35, 36 werden vorzugsweise an jeweils an der aufsteigenden Flanke 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 36a und der absteigenden Flanke 31 b, 32b, 33b, 34b, 35b, 36b mittels einer Fixiervorrichtung 50, 50' fixiert, bevor der jeweilige Wickelkopf 12 durch paralleles Verschieben der auf der Wickelschablone 30 gehaltenen geraden Drahtabschnitte 14 gegenüber den in dem Zufuhrbereich 40 gehaltenen Drahtabschnitten, bezogen auf die Drehachse D der Wickelschablone 30 in einer axialen Richtung, und durch anschließendes Drehen der Wickelschablone 30 um die Drehachse 30 (nicht dargestellt) erfolgt.
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Wie man in 1 erkennt, werden die Drahtsprünge vor dem Herstellen des Wickelkopfes 12 durch Vertauschen der Position des jeweiligen n-ten Drahtes 21, 22, 23, 24, 25, 26 der parallel verlaufenden Drähte 10 mit einem weiteren Draht der parallel verlaufenden Drähte in dem Zufuhrbereich 40 hergestellt.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Fixiervorrichtung 50, 50', welche in einem Verfahrensschritt zum Einsatz kommt, mit einer ersten, oberen Klemmbacke 52, 52' und einer zweiten, unteren Klemmbacke 54, 54` und dazwischen zumindest in einer Richtung fixierter Drähte 10, wobei die mittels der Fixiervorrichtung 50, 50' fixierten Drähte die n-ten Drähte 21, 22, 23, 24 (in 2 sind nur vier der n-ten Drähte dargestellt) der Drähte 10 sind. Die Klemmbacken können leistenförmig ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die obere Klemmbacke 52 der ersten Fixiervorrichtung 50 oberhalb der aufsteigenden Flanken 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 36a bezogen auf die Drehachse D gesehen, axial eingeschoben wird und die untere Klemmbacke 54 der ersten Fixiervorrichtung 50 unterhalb der aufsteigenden Flanken 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 36a bezogen auf die Drehachse D gesehen, axial eingeschoben wird. Für die zweite Fixiervorrichtung 50' kann vorgesehen sein, dass die obere Klemmbacke 52' oberhalb der absteigenden Flanken 31 b, 32b, 33b, 34b, 35b, 36b bezogen auf die Drehachse D gesehen, axial eingeschoben wird und die untere Klemmbacke 54' der ersten Fixiervorrichtung 50 unterhalb der absteigenden Flanken 31 b, 32b, 33b, 34b, 35b, 36b bezogen auf die Drehachse D gesehen, axial eingeschoben wird.
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Wie für 1 beschrieben, kann eine Fixiervorrichtung 50, 50` je Flanke 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, 34b, des ausgebildeten Drahtbogens 31, 32, 33, 34 des jeweiligen n-ten Drahtes 21, 22, 23, 24 vorgesehen sein. Zwischen der oberen Klemmbacke 52, 52' und der untere Klemmbacke 54, 54` der jeweiligen Fixiervorrichtung 50, 50' ist ein Aufnahmeraum 56, 56' vorgesehen, in dem die n-ten zugeführten parallel verlaufenden Drähte 21, 22, 23, 24 angeordnet sind. Der Aufnahmeraum 56, 56' hat einen Abstand, der größer oder gleich der Dicke der Drähte der darin aufgenommenen Drähte ist, wodurch die Drähte zwischen den Klemmbacken 52, 52' und 54, 54' in einer axialen Richtung, also parallel zu der Drehachse D der Wickelschablone 30, schwimmend gelagert sind.
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Sämtliche Merkmale und Vorteile, die sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung ergeben, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl allein als auch in verschiedenen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellenwicklung
- 10
- Draht
- 21, 22, 23, 24, 25, 26
- n-te Drähte
- 30
- Wickelschablone
- 31, 32, 33, 34, 35, 36
- Drahtbogen
- 31a, 32a, 33a 34a, 35a, 36a 31b, 32b, 33b
- erste Flanke
- 34b, 35b, 36b
- zweite Flanke
- 40
- Zufuhrbereich
- 50, 50'
- Fixiervorrichtung
- 52, 52'
- obere Klemmbacke
- 54, 54`
- untere Klemmbacke
- 56, 56`
- Aufnahmeraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015120661 A1 [0002, 0006]
