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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer dynamoelektrischen Maschine, einen damit hergestellten Stator und eine mit einem derartigen Stator versehene dynamoelektrische Maschine, als auch die Verwendung einer derartigen dynamoelektrischen Maschine.
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Wicklungssysteme dynamoelektrischer Maschinen, wie z.B. Niederspannungsmotoren werden bevorzugt mittels Runddrahtwickeltechnologie ausgeführt. Dabei werden die Runddrähte in Bündeln in Spulenform gewickelt, beispielsweise mittels eines Flyerwicklers oder Schablonenwicklers etc. und im Anschluss über Einzugslamellen in Nuten eines Stators eingezogen.
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Die Statoren weisen dabei axial paketierte, insbesondere stanzpaketierte Bleche auf, welche radial angeordnete, zu einer Statorbohrung weisende Nuten aufweisen, in welche die Drahtbündel als Spulen gezogen werden.
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Radial nach innen - also einem Rotor zugewandt - befinden sich am Stator sogenannte Nutzähne, welche in einer Art „T-Form“ ausgeführt sind und zu einer Verjüngung der dazwischen befindlichen, anliegenden Nuten führt - den Nutschlitzen. Zwischen zwei Nutzähnen entsteht somit der sogenannte Nutspalt oder Nutschlitz, welcher im Vergleich zum sonstigen Nutquerschnitt eine Verjüngung darstellt. Durch diese Verjüngung müssen beim Einziehen die Drahtbündel geschoben werden, somit stellt diese Verjüngung das „Nadelöhr“ dieser Technologie dar.
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Bisher wurde der Nutschlitz so weit reduziert, wie es die damit steigenden Einziehkräfte auf den Wickeleinziehautomaten und den Drahtlack zuließ.
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Aus elektromagnetischer Sicht wäre bei den Nuten des Stators ein Nutschlitz mit einer verschwindend kleinen Öffnung (nahe Null, aber elektrisch isolierend) sinnvoll, wohingegen aus fertigungstechnischer Sicht jedoch jede Verjüngung der eigentlichen Nutgeometrie zu Schwierigkeiten bei der oben beschriebenen Bewicklung führt.
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Die Leitungsenden der Wicklung bzw. Drahtbündel werden heute mit Silikon(SIK)-Schläuchen, PUR-Schläuchen oder Kunststoff-Schrumpfschläuchen isoliert. Beim Knicken kann das Gewebe der Schläuche brechen und die somit die erforderliche Spannungsfestigkeit, insbesondere im Wickelkopfbereich dann nicht mehr gegeben ist. Die Schläuche bewirken u.a., dass diese Abschnitte beim Pressen des Wickelkopfes leicht zurück federn, da sie elastisch sind. Dies erschwert einen automatischen Herstellungsvorgang eines Stators. Zudem ist der Prozess „Isolieren von Wicklungsenden“ mit Schläuchen nicht automatisierbar und muss deshalb auch wegen der Biegeschlaffheit dieser Wicklungsenden (also aufschieben eines SIK-Schlauches) händisch erfolgen.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer dynamoelektrischen Maschine bereitzustellen, das u.a. die oben genannten Nachteile vermeidet. Des Weiteren soll ein Stator für eine dynamische Maschine bereitgestellt werden, die einen kompakten Aufbau und einen effizienten Betrieb aufweist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer dynamoelektrischen Maschine, das folgende Schritte aufweist:
- - Erzeugen eines Blechpaketes des Stators, das eine Statorbohrung, mit einem Jochrücken mit zu der Statorbohrung weisenden Zähnen aufweist, wobei in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Zähnen Nuten vorgesehen sind, die zur Statorbohrung weisende Nutschlitze aufweisen,
- - Einbringen einer Nutisolation in die Nuten,
- - Einziehen von einer oder mehrerer vorgefertigter Spulen über die Nutschlitze in die dafür vorgesehenen Nuten mittels einer Einziehvorrichtung, derart, dass sich an den Stirnseiten des Stators Wicklungsköpfe ergeben,
- - Isolieren der Wicklungsenden der Spulen mittels dafür vorgesehener Tapes,
- - Positionieren von nichtklebenden oder klebenden Phasenzwischenlagen zumindest zwischen Spulengruppen unterschiedlicher Phase.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch einen Stator einer dynamoelektrischen Maschine, mit einem aus axial geschichteten Blechen aufgebauten Blechpaket des Stators, welches Blechpaket eine Statorbohrung, mit einem Jochrücken mit zu der Statorbohrung weisenden Zähnen aufweist, wobei in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Zähnen Nuten vorgesehen sind, die zur Statorbohrung weisende Nutschlitze aufweisen,
- - wobei in den Nuten eine Nutisolation vorgesehen ist,
- - wobei ein in den Nuten befindliches, aus Spulen gebildetes Wicklungssystem an den Stirnseiten des Stators Wicklungsköpfe ausbildet,
- - wobei Wicklungsenden der Spulen mit einem Tape versehen sind.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch eine dynamoelektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch Verwendung einer erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine in Produktionsmaschinen, wie Werkzeugmaschinen, Kunststoffverarbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Extruder, in der Papierindustrie, in der Baustoffindustrie bei der Verarbeitung von Zement/Sand als auch auf dem weiten Feld der Infrastruktur wie der Automobilindustrie oder deren Batterieproduktion, in Wasserwerken.
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Ebenso werden diese erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschinen bei Logistikanwendungen wie Krananlagen, Förderbänder in Verteilungszentren, als auch in der Energietechnik in Kraftwerken, beispielsweise Wasserkraftwerken, oder auch der Öl-/Gas-Industrie eingesetzt.
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Durch den erfindungsgemäßen Einsatz dieser erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine in den oben beispielhaft ausgeführten Anwendungsbereichen als Kompressoren, Pumpen, Verdichter und Lüfter, wird bei einem kompakten Aufbau dieser dynamoelektrischen Maschine ein effizienter Betrieb in der jeweiligen Anwendung erhalten.
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Durch die Substitution des Isoliermaterials ist die automatische Herstellung an einer Maschine möglich. Das Tape kann an den Leitungsenden bzw. Wicklungsenden der jeweiligen Spule angebracht werden. Das Tape hat kein Gewebe, das brechen kann und weist somit immer eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit auf. Die erfindungsgemäß isolierten Leitungsenden sind sehr kompakt und bilden deshalb einen vergleichsweise axial weniger ausladenden Wicklungskopf an den Stirnseiten des Blechpakets des Stators auf. Eine Rückfederung der Wicklungsenden der jeweiligen Spule tritt erfindungsgemäß nicht mehr ein, so dass ein weiterer Schritt einer automatischen Herstellung eines Stators erfolgen kann. Dies ist vorteilhaft, wenn in einer automatischen Fertigungsanlage ein Greifer die Wicklungsenden an vorbestimmten definierten Positionen vorfindet.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch die erforderlichen Luft-/bzw. Kriechstrecken zu benachbarten Bauteilen eingehalten werden.
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Der axial benötigte Bauraum für den Wicklungskopf ist demnach axial und/oder radial weniger ausladend, was zu einer vergleichsweise axial kürzeren Baulänge der dynamoelektrischen Maschine führt.
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Das Tape aus an sich bekanntem Isolationsmaterial ist auf der Innenseite mit Kleber versehen und wird in definierter Länge - in Abhängigkeit des Statortyps - beispielsweise in einer Vorrichtung vorpositioniert und an den Wicklungsenden befestigt.
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Die Dicke des Tapes, als auch dessen Form ist u.a. abhängig von Spannungsebenen der Maschine. Die geometrische Form kann dabei beispielsweise nierenförmig, rechteckig, tailliert etc. sein.
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Der von einer Wickelmaschine noch fixierte Draht wird über die mit Kleber versehene Innenseite des Tapes gelegt. Die Seiten des Tapes werden um den Draht gelegt, dass sich die Innenseiten berühren und mittels der Klebeflächen verschließen. Dabei sollen die Klebeflächen möglich keine Lufteinschlüsse aufweisen, um u.a. ein „Aufgehen“ der Klebeverbindung zu vermeiden.
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Der Draht ist insbesondere bereits vorisoliert und weist somit zumindest eine Windungsisolation auf.
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Die Breite der beiden aufeinanderliegenden Klebeflächen sind mindestens so breit wie die benötigte Luft- und Kriechstrecke.
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Ein Pressen des Wicklungskopfes an den Stirnseiten des Stators erfolgt vollautomatisch oder manuell. Dieser Pressvorgang erzeugt eine Formstabilität des Wicklungskopfes, dieser kann aber ggf. noch mit einem zusätzlichen Band oder einer Kappe fixiert werden, um Luft und Kriechstrecken besser einzuhalten.
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Vor diesem Pressvorgang können Sensoren im Wicklungskopf positioniert werden, um beispielsweise dort direkt die Temperatur im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine zu erfassen.
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Durch ein positionsgenaues Verharren oder ein definiertes Ablegen in einer Vorrichtung der mit Tape versehenen Wicklungsenden wird ein automatischer Schaltvorgang der einzelnen Spulen eines Wicklungsstranges erleichtert.
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Idealerweise lassen sich die unterschiedlichsten Schaltbilder, wie Reihen- bzw. Parallelschaltung der einzelnen Wicklungsstränge untereinander durchzuführen, beispielsweise durch Heißcrimpen.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen, darin zeigen:
- 1 einen Längsschnitt einer dynamoelektrischen Maschine,
- 2 einen Detailansicht einer Nut,
- 3 eine prinzipielle Darstellung eines Drahtbündels,
- 4 eine Seitensicht eines Stators.
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Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“, „tangential“ etc. auf die in der jeweiligen FIG bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Achse 14 beziehen. Mit anderen Worten: die Richtungen axial, radial, tangential beziehen sich stets auf eine Achse 14 des Rotors 11 und damit auf die entsprechende Symmetrieachse des Stators 6.
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Dabei beschreibt „axial“ eine Richtung parallel zur Achse 14, „radial“ beschreibt eine Richtung orthogonal zur Achse 14, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential“ ist eine Richtung, die in konstantem radialem Abstand zur Achse 14 und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Achse 14 herum gerichtet ist. Der Ausdruck „in Umfangsrichtung“ ist mit „tangential“ gleichzusetzen.
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In Bezug auf eine Fläche, bspw. eine Querschnittsfläche, beschreiben die Begriffe „axial“, „radial“, „tangential“ etc. die Orientierung des Normalenvektors der Fläche, d.h. desjenigen Vektors, der senkrecht auf der betroffenen Fläche steht.
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Unter dem Ausdruck „koaxiale Bauteile“, bspw. koaxiale Komponenten wie Rotor 11 und Stator 6, werden hier Bauteile verstanden, die gleiche Normalenvektoren aufweisen, für die also die von den koaxialen Bauteilen definierten Ebenen parallel zueinander sind. Des Weiteren soll der Ausdruck beinhalten, dass die Mittelpunkte koaxialer Bauteile auf der gleichen Rotations- bzw. Symmetrieachse liegen. Diese Mittelpunkte können jedoch auf dieser Achse ggf. an verschiedenen axialen Positionen liegen und die genannten Ebenen also einen Abstand >0 voneinander haben. Der Ausdruck verlangt nicht zwangsläufig, dass koaxiale Bauteile den gleichen Radius haben.
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Der Begriff „komplementär“ meint im Zusammenhang mit zwei Komponenten, welche „komplementär“ zueinander sind, dass ihre äußeren Formen derart ausgestaltet sind, dass die eine Komponente vorzugsweise vollständig in der zu ihr komplementären Komponente angeordnet werden kann, so dass sich die innere Oberfläche der einen Komponente und die äußere Oberfläche der anderen Komponente idealerweise lückenlos bzw. vollflächig berühren. Konsequenterweise ist also im Falle von zwei zueinander komplementären Gegenständen die äußere Form des einen Gegenstandes durch die äußere Form des anderen Gegenstandes festgelegt. Der Begriff „komplementär“ könnte durch den Begriff „invers“ ersetzt werden.
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Der Übersichtlichkeit wegen werden in den Figuren teilweise in den Fällen, in denen Bauteile mehrfach vorhanden sind, häufig nicht sämtliche dargestellten Bauteile mit Bezugszeichen versehen.
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Die beschriebenen Ausführungen können beliebig kombiniert werden. Ebenso sind auch Einzelmerkmale der jeweiligen Ausführungen kombinierbar, ohne das Wesen der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt in einem Längsschnitt eine prinzipielle Darstellung einer dynamoelektrischen Maschine 1. Ein Stator 6 aus axial geschichteten Blechen gebildet, weist in seiner Statorbohrung 29 einen Rotor 11 auf. Ein Blechpaket 7 des Stators 6 ist aus einzelnen Blechen paketiert, insbesondere lose paketiert, geklammert, geschweißt oder stanzpaketiert. Stator 6 und Rotor 11 sind durch einen Luftspalt 12 voneinander beabstandet. Auf einer Mantelinnenseite der Statorbohrung 29 sind im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten 8 vorgesehen, die einen Nutschlitz 23 in Richtung Luftspalt 12 ausbilden.
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Die Nuten 8 des Stators 6 und/oder Nuten des Rotors 11 verlaufen achsparallel oder weisen einen schrägen Verlauf von der einen Stirnseite zur anderen Stirnseite von bis zu zwei oder drei Nutteilungen auf.
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Der Rotor 11 ist mit einer Welle 13 drehfest verbunden und um eine Achse 14 drehbar gelagert. Die Lager 16 sind in Lagerschilden 3 positioniert und mit dem Gehäuse 2 fixiert.
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Über die Nutschlitze 23 der Nuten 8 wird bei der Herstellung des Stators 2 ein Wicklungssystem 4, insbesondere Drahtbündel, die als Spulen 24 vorgefertigt sind, mittels eines Lamellenwerkzeuges über die Nutschlitze 23 in die jeweiligen Nuten 8 eingezogen. Dabei ist während des Einziehvorganges die Drahtisolation dieser Spulen 24 an den Kanten der Nutschlitze 12 der Gefahr von Kratzern und damit einer Herabsetzung der Isolationsfähigkeit der Drähte ausgesetzt.
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Die Spulen 24 bilden also ein Bündel von Runddrähten in Spulenform.
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Eine Herstellung des Wicklungssystems 4 erfolgt insbesondere so, dass Drahtkreuzungen und Drahtverseilungen innerhalb einer Spule 24 und einer Nut 8, als auch im Wicklungskopf 5, möglichst vermieden werden. Dies erhöht den Nutfüllfaktor und damit auch die Effizienz einer dynamoelektrischen Maschine 1.
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2 zeigt eine prinzipielle Detailansicht einer Nut 8. Die vorgefertigte Spule 24 mit den einzelnen Drähten 21 ist in die Nut 8 bereits mittels einer geeigneten Einziehvorrichtung über den Nutschlitz 23 eingezogen worden.
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Die Nut 8 ist mit einer Nutisolation 20 versehen, die vor dem Einziehvorgang in der Nut 8 platziert wird. Die Nutisolation 20 ist zumindest am Nutgrund 19 und an den Nutseitenwänden angeordnet. Die Nutisolation 20 ist dabei beispielsweise meist als PET-Multilaminat mit Aramidfilz, mit einer Dicke von ca. 300pm, versehen.
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Während oder nach dem Einziehvorgang der Spule 24 in die Nut 8, wird ein Deckschieber 22 am Nutschlitz 23 positioniert, der insbesondere - umfänglich betrachtet - mit der Nutisolation überlappend angeordnet ist.
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Während des Einziehvorganges werden zunächst Einzugslamellen bzw. Flanken eines nicht näher dargestellten Lamellenwerkzeugs in bzw. an dem Nutschlitz 23 positioniert, um beim Einziehen einen mechanischen Schutz der Isolation der Drähte 21 gegenüber den Zähnen 9 zu gewährleisten. Dadurch wird außerdem erreicht, dass sich das jeweilige Drahtbündel bzw. die Spule 24 lokal verjüngt und somit besser eingezogen wird. Dies ist notwendig, da das Drahtbündel des Wicklungssystems 4 zur Positionierung in der Nut 8 über den Nutschlitz 23 und dabei nahezu axial an diesen Zähnen 9 entlang gezogen wird. Durch die Einzugslamellen am Nutschlitz 23 wird somit eine Beschädigung der Isolation der Drähte 21 beim Einziehen vermieden, wobei das Einziehen senkrecht zur axialen Schichtung des Blechpakets bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung des Lamellenwerkzeugs stattfindet.
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3 zeigt eine vorgefertigt Spule 24 mit ihren Wicklungsenden 25. Diese Wicklungsenden 25 sind mit einem Tape 26 versehen, um eine Isolation der Wicklungsenden 25 „auf dem Weg“ zum Klemmenkasten 15 zu gewährleisten. Dieses Tape 26 wird vor oder nach dem Einziehvorgang manuell oder maschinell an die Wicklungsenden 25 der vorgefertigten Spulen gelegt.
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Diese mit Tape 26 versehenen Wicklungsenden 25 können damit geknickt werden ohne Einbußen der erforderlichen Spannungsfestigkeit, insbesondere im Wickelkopfbereich zu erhalten. Die Tapes sind biegeschlaff und gut formbar, so dass die Wicklungsenden 25 positionsgenau an ihren Ausgangspunkten verharren, was insbesondere für eine automatische oder halbautomatische Fertigung eines Stators 6 äußerst hilfreich ist. Dabei werden nämlich diese Wicklungsenden 25 durch dementsprechende Vorrichtungen aufgenommen und beispielsweise mit Wicklungsenden 25 anderer Spulen 24 elektrisch kontaktiert (z.B. Heißgecrimpt, etc.). Ebenso können damit die Wickelköpfe besser gepresst werden, da ein Zurückfedern ausbleibt.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften, vergleichsweise hochpoligen Stators 6, dessen Wicklungskopf 5 drei Etagen aufweist. Jede Etage weist mehrere Wicklungsstränge 18 von gleichen oder unterschiedlichen elektrischen Phasen auf. Unterschiedliche Phase sind dabei aus Isolationsgründen durch Phasenzwischenlagen 17 elektrisch voneinander isoliert.
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Derartige Zwischenlagen 17 sind ggf. auch bei Wicklungssträngen gleicher Phase am Wickelkopf 5 vorzusehen. Ebenso können die Wicklungssysteme 4 einschichtig oder auch zweischichtig (unsymmetrisch oder symmetrisch) mit gleichen oder unterschiedlichen Wickelschritten ausgeführt sein. Die Statoren 6 können dabei 4-, 6-, 8-polig oder auch mehrpolig ausgeführt sein.
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Die Verwendung einer derartigen dynamoelektrischen Maschine 1 findet vorzugsweise in Produktionsmaschinen, wie Werkzeugmaschinen, in Kunststoffverarbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Extruder, in der Papierindustrie, in der Baustoffindustrie bei der Verarbeitung von Zement/Sand, als auch bei unterschiedlichsten infrastrukturellen Anwendungen, wie der Automobilindustrie oder deren Batterieproduktion und in Wasserwerken statt.
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Ebenso werden diese erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschinen bei Logistikanwendungen wie Krananlagen, Förderbänder in Verteilungszentren, als auch in der Energietechnik in Kraftwerken, beispielsweise Wasserkraftwerken, oder auch der Öl-/Gas-Industrie eingesetzt.
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Durch den erfindungsgemäßen Einsatz dieser erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine 1 in den oben beispielhaft ausgeführten Anwendungsbereichen als Kompressoren, Pumpen, Verdichter und Lüfter, wird bei einem kompakten Aufbau dieser dynamoelektrischen Maschine 1 ein effizienter Betrieb in der jeweiligen Anwendung erhalten.
