WO2008071147A2 - Elektrische maschine und verfahren zum herstellen einer solchen - Google Patents

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Luk Lamellen Und Kupplungsbau Beteiligungs Kg
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/04—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings, prior to mounting into machines
    • H02K15/0435—Wound windings
    • H02K15/0442—Loop windings
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K15/062—Windings in slots; salient pole windings
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    • H02K15/066—Windings consisting of complete sections, e.g. coils, waves inserted perpendicularly to the axis of the slots or inter-polar channels
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    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electric machine, which has a primary part and a secondary part movably mounted for movement in a direction of movement, wherein for the primary part a soft magnetic core is provided with mutually spaced apart teeth in the direction of movement, and wherein the soft magnetic core is provided with a polyphase winding, each having at least two pole coils for each winding phase, each of which delimits a tooth associated therewith the soft magnetic core.
  • the invention relates to an electrical machine having a primary part and a relative thereto movable in a direction of movement secondary part, wherein the primary part has a soft magnetic core with mutually offset in the direction of movement, spaced apart by grooves teeth and a multi-phase winding, for each winding phase in each case at least has two pole coils which each define an associated tooth of the soft magnetic core.
  • a method of the type mentioned is known from practice.
  • the individual pole coils are made as air coils with an inner cavity and then attached to the teeth of a soft magnetic stator core.
  • the ends of the coil wires of the pole coils are connected by means of interconnecting elements with each other and with electrical connections of the machine.
  • the interconnection usually requires manual or complicated to be automated joining method for connecting the coil wire ends with the interconnection elements.
  • the production and installation of the interconnection elements means an additional cost.
  • Another disadvantage is that the interconnection elements increase the volume of the electrical machine.
  • This object is achieved with respect to the method in that for each winding phase in each case an air-coil chain is prefabricated, which have provided for the winding phase in question, an inner cavity having pole coils and connecting conductors, via which the pole coils are connected in series, that the prefabricated air Each positioned on the soft magnetic core and the pole coils are plugged with their coil opening respectively on their associated tooth of the soft magnetic core, and that the coil chains are then fixed on the soft magnetic core.
  • the pole coils are therefore already electrically connected to each other before they are positioned on the teeth of the soft magnetic core.
  • the pole coils are therefore already electrically connected to each other before they are positioned on the teeth of the soft magnetic core.
  • the space saved by eliminating the Verschaltungsimplantation space can be used for the pole coils.
  • In the existing space of the electrical machine so much conductor material can be accommodated so that the machine allows a correspondingly large torque and / or a correspondingly high performance.
  • At least one wound body which has at least one number of winding teeth spaced apart from the number of pole coils of an air-coil chain whose dimensions correspond approximately to those of the corresponding teeth of the soft-magnetic core, that the winding teeth for producing the air Coil chain are wound orthocrocally with coil wire such that the pole coils of the air-coil chain are connected to each other without interruption, and that the air-coil chain thus obtained is then removed from the bobbin.
  • the bobbin can be designed with respect to its geometry so that the points at which the pole coils are to be wound, for a Wi nkel tool, such. a winding needle are easily accessible.
  • the winding body is preferably made of a material having a greater strength and / or a greater wall thickness than the soft magnetic core.
  • the pole coils are pressed prior to attachment to the soft magnetic core to reduce its coil cross-section, preferably with the aid of the winding body and / or a pressing tool.
  • the connecting conductors are bent after winding the winding teeth with the coil wire in a predetermined position, preferably such that they are arranged after positioning the coil chains on the soft magnetic core laterally next to the Wickeköpfen the Polspulen and before connecting the teeth together yoke of the soft magnetic core are.
  • the space in straight extension of the yoke in front of this space can then be used to accommodate the connection conductor.
  • the electric machine thus allows a short design.
  • a simple assembly of the coil chains results in the soft magnetic core.
  • the coil wire is coated with a baked enamel layer before the winding teeth are wound, and if the baked enamel layer is baked after the winding teeth have been wound by the application of heat.
  • the pressing of the pole coils is preferably carried out during the baking of the baked enamel layer.
  • the pole coil can be deformed more easily than at room temperature.
  • an assembly teeth for receiving the coil chains exhibiting mounting body is provided, the coil chains are mounted in one of their later mounting position corresponding to the soft magnetic core layer on the mounting teeth, the mounting body thereafter together with the coil chains arranged thereon the soft magnetic core is positioned such that the pole coils are respectively opposed to their associated teeth of the soft magnetic body, and wherein the coil chains are then displaced from the mounting body in the direction of the teeth of the soft magnetic core, that the pole coils each one of them - A - associated tooth of the soft magnetic core.
  • the prefabricated coil chain can thereby be mounted even easier on the soft magnetic core.
  • the primary part is used after fixing the coil chains on the soft magnetic core in a stator housing and a located between the primary part and the stator housing mounting gap filled with a potting compound and the potting compound is then solidified.
  • the resulting during operation of the electrical machine in the winding heat loss can then be removed via the potting compound directly and without the detour via the soft magnetic core to the stator and from there to the environment and / or connected to the stator heat sink.
  • the electric machine can thus deliver a high continuous torque without overheating.
  • the soft magnetic core is designed annular disk-shaped, wherein the teeth protrude in the axial direction of the annular disc at this.
  • the soft magnetic core is designed annular, wherein the teeth protrude in the radial direction on the outer circumference of the soft magnetic core at this.
  • the method can also be used to produce an external rotor with an air gap through which the magnetic field flows.
  • the above object is achieved with respect to the electric machine in that the coil wires of the pole coils of each phase are each integrally connected to each other.
  • the pole coils are integrally interconnecting connecting conductor laterally next to Wickeköpfen the Pole coils and in front of a teeth interconnecting yoke of the soft magnetic core are arranged.
  • the electric machine thus allows a short design.
  • the turns of the pole coils are each connected to each other by a baked enamel and / or a potting compound.
  • the pole coils are then substantially dimensionally stable and allow in the manufacture of the electrical machine easy handling and mounting on the soft magnetic core.
  • the electric machine is preferably designed as a disk rotor.
  • the primary part may have a single disc-shaped soft magnetic core or two disk-shaped soft magnetic cores (intermediate rotor) arranged on both sides of the secondary part.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a one-sided axial flow machine with single-pole winding
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a pancake with intermediate rotor and single-pole winding
  • FIG. 4 shows a cross section through the pancake shown in FIG. 3, the cross-sectional plane passing through the rotor of the pancake rotor, FIG.
  • FIG. 5 shows a magnetically soft stator core of the primary part of the axial flux machine with coil chains mounted on the core
  • FIG. 6 shows an impression device for demolding a coil chain from a wound body
  • 7 shows a mounting body, are arranged on the winding body in pre-assembly, 8 shows the mounting body after winding with coil wire,
  • FIG. 9 shows the mounting body positioned on a soft magnetic core with the coil chains mounted thereon, FIG.
  • Fig. 11 is a side view of the primary part.
  • An electrical machine 1 designed as a pancake electric motor has a primary part (stator) and a secondary part (rotor), which are mounted so as to be rotatable relative to one another about a rotational axis 3 by means of a bearing in a direction of movement marked by the double arrow 2.
  • the primary part has a single, approximately annular disk-shaped soft magnetic core having a number of axially projecting on a yoke 4 teeth 5, which in the circumferential direction by radially to the rotation axis 3 extending grooves. 6 spaced apart from each other.
  • a single-pole winding is arranged, which has a plurality of winding phases.
  • Each winding phase has in each case a plurality of pole coils 7, which are connected in series.
  • the coil wires of the pole coils 7 of each winding phase are each integrally connected to each other.
  • Fig. 2 it can be seen that each pole coil is associated with a tooth 5, the pole coil 7 bounded.
  • the secondary part has an approximately pot-shaped, soft-magnetic housing part 8, which has an annular row of axially alternating permanent magnet poles 9 alternately in directions opposite to each other on its bottom area facing the soft-magnetic core.
  • the permanent magnet poles 9 are arranged at constant distances from the axis of rotation 3 and cooperate with the pole coils 7 and the soft-magnetic core of the primary part to produce a rotational movement via an air gap 10, which is penetrated axially by the magnetic flux.
  • the primary part has two soft-magnetic cores, which are arranged axially on both sides of a disc-shaped secondary part (intermediate rotor) parallel thereto.
  • an air-coil chain 11 is prefabricated for the primary part first for each winding phase, which has provided for the respective winding phase pole coils 7 and connecting conductors 12, via which the pole coils 7 are connected in series.
  • the pole coils 7 and the connection conductors 12 of each winding phase are integrally connected to each other.
  • a winding body (not shown in detail in the drawing) is provided for each winding phase, which has a number of the pole coils of the winding phase corresponding number laterally spaced from each other winding teeth.
  • the cross-sectional dimensions of the winding teeth coincide with the cross-sectional dimensions of the corresponding teeth 5 of the soft-magnetic primary part core or are larger around the mounting gap.
  • the winding teeth are wound with coil wire orthocyclically.
  • the pole coils 7 preferably have a straight layer number and start and end at the groove bottom of the winding grooves 14.
  • the crossover region of the layers lies in the outer winding head of the pole coils 7.
  • the track number of successive layers differs by one and the tracks in successive layers are one half the wire thickness offset each other.
  • the winding sense of successive coils changes, so that they are flowed through when energizing the coil chain 11 in opposite directions from the magnetic flux and thus produce 5 unlike magnetic poles on the teeth.
  • the coil wire round wire As a coil wire round wire is used, which is painted with a lacquer layer and an additional baked enamel layer thereon. After winding, the coil wire still on the winding teeth is heated by energizing with a heating current to make the baked enamel flowable. In this case, the baked enamel fills between the turns of the pole coils 7 located cavities, which leads to a high strength and dimensional stability of the pole coils 7 after cooling and solidification of the enamel. While the coil wire is heated, the pole coils 7 are pressed and deformed in the direction of the groove width, that is, in the case of a pancake in the circumferential direction, with the aid of a pressing tool. As a result, very high fill factors and exact outer dimensions of the pole coils 7 can be achieved.
  • the cross-sectional dimensions of the pole coils 7 are also reduced in the direction of the groove depth, ie in the case of a pancake in the axial direction.
  • the pole coils 7 are pressed in the groove direction, ie in a pancake in the radial direction against a stop. This gives the coil chain 11 winding heads with defined outer dimensions and allows installation with little radial mounting gap in the housing part eighth
  • the connecting conductors 12 are bent on the winding body in a predetermined position.
  • the position is chosen so that the connecting conductors 12 are arranged after positioning the coil chains 11 on the soft magnetic core laterally adjacent to the Wickeköpfen the pole coils 7 and before the teeth 5 interconnecting yoke 4 of the soft magnetic core ,
  • the air-coil chain 11 thus obtained is shaped by the wound body by means of an impression device 13.
  • the impression device 13 has two approximately plate-shaped clamping members 14 which are clamped together by means of a clamping device 15.
  • two insert rings 16 are arranged, which engage in the position of use of the winding body or the coil chain 11 to separate these parts from each other.
  • two pairs of insert rings 16 are provided, which can be selected or alternately arranged between the clamping parts 14.
  • an approximately annular mounting body 17 (FIGS. 6 to 8) which has mounting teeth 18 corresponding to the teeth 5 of the soft magnetic core.
  • the mounting body 17 is preferably made of a material having a higher strength than the material of the soft magnetic core.
  • Fig. 8 it can be seen that the yoke portion of the mounting body 17 also has a greater wall thickness than the yoke 4 of the soft magnetic core.
  • the coil chains in one of their later mounting position on the soft magnetic core 5 corresponding position are mounted (Fig. 7 and 8).
  • the mounting body 17 is positioned together with the coil chains arranged thereon on the soft magnetic core, that the mounting teeth 18 each directly opposite to their associated teeth 5 of the soft magnetic core (Fig. 9). Then, the coil chains 11 are displaced from the mounting body 17 in the direction of the soft magnetic core, that the pole coils 7 each define their associated tooth 5 of the soft magnetic core. In this case, the connecting conductors 12 are located radially outside the yoke 4 axially adjacent to the winding heads of the pole coils 7. Thereafter, the mounting body 17 is removed from the soft magnetic core and the coil chains 11.
  • a plug member 19 is positioned, which has a plurality of electrical connection contacts 20 which are encapsulated with an electrically insulating carrier material and with their ends from the Protruding support material. With the connection contacts 20, the wire ends of the coil chains 11 are electrically connected, for example by soldering or welding
  • the primary part thus obtained is inserted into the housing part 8 and a mounting gap located between the primary part and the housing part 8 is filled with a potting compound which solidifies.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, die ein Primärteil und ein relativ dazu in eine Bewegungsrichtung bewegbar gelagertes Sekundärteil aufweist, wird für das Primärteil ein weichmagnetischer Kern mit in Bewegungsrichtung zueinander versetzten, durch Nuten voneinander beabstandeten Zähnen bereitgestellt. Der weichmagnetische Kern wird mit einer mehrphasigen Wicklung versehen, die für jede Wicklungsphase jeweils mindestens zwei Polspulen aufweist, die jeweils einen ihnen zugeordneten Zahn des weichmagnetischen Kerns umgrenzen. Für jede Wicklungsphase wird jeweils eine Luft-Spulenkette vorgefertigt, welche die für die betreffende Wicklungsphase vorgesehenen, eine Innenhöhlung aufweisenden Polspulen und Verbindungsleiter hat, über welche die Polspulen in Reihe geschaltet sind. Die vorgefertigten Luft-Spulenketten werden jeweils an dem weichmagnetischen Kern positioniert und die Polspulen mit ihrer Spulenöffnung jeweils auf den ihnen zugeordneten Zahn des weichmagnetischen Kerns aufgesteckt. Die Spulenketten werden auf dem weichmagnetischen Kern fixiert.

Description

Elektrische Maschine und Verfahren zum Herstellen einer solchen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, die ein Primärteil und ein relativ dazu in eine Bewegungsrichtung bewegbar gelagertes Sekundärteil aufweist, wobei für das Primärteil ein weichmagnetischer Kern mit in Bewegungsrichtung zueinander versetzten, durch Nuten voneinander beabstandeten Zähnen bereitgestellt wird, und wobei der weichmagnetische Kern mit einer mehrphasigen Wicklung versehen wird, die für jede Wicklungsphase jeweils mindestens zwei Polspulen aufweist, die jeweils einen ihnen zugeordneten Zahn des weichmagnetischen Kerns umgrenzen. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrische Maschine mit einem Primärteil und einem relativ dazu in eine Bewegungsrichtung bewegbar gelagerten Sekundärteil, wobei das Primärteil einen weichmagnetischen Kern mit in Bewegungsrichtung zueinander versetzten, durch Nuten voneinander beabstandeten Zähnen und eine mehrphasige Wicklung aufweist, die für jede Wicklungsphase jeweils mindestens zwei Polspulen hat, die jeweils einen ihnen zugeordneten Zahn des weichmagnetischen Kerns umgrenzen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der Praxis bekannt. Dabei werden zunächst die einzelnen Polspulen als Luft-Spulen mit einer Innenhöhlung gefertigt und danach auf die Zähne eines weichmagnetischen Stator-Kerns aufgesteckt. Dann werden die Enden der Spulendrähte der Polspulen mittels Verschaltungselementen untereinander und mit elektrischen Anschlüssen der Maschine verbunden. Beim Verschalten der einzeln vorgefertigten Polspulen wird viel Bauraum benötigt. Das Verschalten erfordert meist manuelle oder aufwändig zu automatisierende Fügeverfahren zum Verbinden der Spulendrahtenden mit den Verschaltungselementen. Die Herstellung und Montage der Verschaltungselemente bedeutet einen zusätzlichen Kostenaufwand. Ungünstig ist außerdem, dass die Verschaltungselemente das Volumen der elektrischen Maschine vergrößern.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Herstellung einer leistungs- und/oder drehmomentstarken elektrischen Maschine mit kompakten Abmessungen ermöglicht. Ferner besteht die Aufgabe, eine solche Maschine anzugeben. Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass für jede Wicklungsphase jeweils eine Luft-Spulenkette vorgefertigt wird, welche die für die betreffende Wicklungsphase vorgesehenen, eine Innenhöhlung aufweisenden Polspulen und Verbindungsleiter haben, über welche die Polspulen in Reihe geschaltet sind, dass die vorgefertigten Luft-Spulenketten jeweils an dem weichmagnetischen Kern positioniert und die Polspulen mit ihrer Spulenöffnung jeweils auf den ihnen zugeordneten Zahn des weichmagnetischen Kerns aufgesteckt werden, und dass die Spulenketten dann auf dem weichmagnetischen Kern fixiert werden.
In vorteilhafter weise werden die Polspulen also bereits elektrisch miteinander verbunden, bevor sie auf den Zähnen des weichmagnetischen Kerns positioniert werden. Somit entfällt ein aufwändiges Verbinden der einzelnen montierten Polspulen einer Phase durch Verschaltungselemente. Der durch den Wegfall der Verschaltungselemente eingesparte Bauraum kann für die Polspulen genutzt werden. In dem vorhandenen Bauraum der elektrischen Maschine kann also möglichst viel Leitermaterial untergebracht werden, so dass die Maschine ein entsprechend großes Drehmoment und/oder eine entsprechend hohe Leistung ermöglicht.
Vorteilhaft ist, wenn mindestens ein Wickelkörper bereitgestellt wird, der zumindest eine der Anzahl der Polspulen einer Luft-Spulenkette entsprechende Anzahl von durch Wickelnuten beabstandeten Wickelzähnen aufweist, deren Abmessungen etwa denen der entsprechenden Zähne des weichmagnetischen Kerns entsprechen, dass die Wickelzähne zum Herstellen der Luft-Spulenkette derart mit Spulendraht orthozyklisch bewickelt werden, dass die Polspulen der Luft-Spulenkette unterbrechungsfrei miteinander verbunden sind, und dass die so erhaltene Luft-Spulenkette danach von dem Wickelkörper entfernt wird. Der Wickelkörper kann bezüglich seiner Geometrie so ausgestaltet sein, dass die Stellen, an denen die Polspulen gewickelt werden sollen, für ein Wi ekel Werkzeug, wie z.B. eine Wickelnadel gut zugänglich sind. Der Wickelkörper besteht bevorzugt aus einem Werkstoff, der eine größere Festigkeit und/oder eine größere Wandstärke aufweist als der weichmagnetische Kern. Mit Hilfe des Wickelkörpers können die Polspulen und die Verbindungsleiter der Luft-Spulenkette auf einfache Weise mit großer Präzision hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Polspulen vor dem Aufstecken auf den weichmagnetischen Kern zum Reduzieren ihres Spulenquerschnitts verpresst, vorzugsweise mit Hilfe des Wickelkörpers und/oder eines Presswerkzeugs. Dabei können die Spulenabmessungen in Richtung der Tiefe der Nuten, in Richtung der Breite der Nuten (also in Richtung der späteren Bewegung des Sekundärteils relativ zum Primärteil) und/oder in Richtung der Länge der Nuten (also normal zu der Fläche, in der bei der fertig montierten elektrischen Maschine der Luftspalt zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil angeordnet ist) reduziert werden. In der elektrischen Maschine kann deshalb bei gleichen Abmessungen noch mehr Leiterwerkstoff untergebracht werden.
Zweckmäßigerweise werden die Verbindungsleiter nach dem Bewickeln der Wickelzähne mit dem Spulendraht in eine vorbestimmte Lage gebogen, vorzugsweise derart, dass sie nach dem Positionieren der Spulenketten an dem weichmagnetischen Kern seitlich neben den Wickeköpfen der Polspulen und vor einem die Zähne miteinander verbindenden Joch des weichmagnetischen Kerns angeordnet sind. Der in gerader Verlängerung des Jochs vor diesem befindliche Bauraum kann dann für die Unterbringung der Verbindungsleiter genutzt werden. Die elektrische Maschine ermöglicht dadurch eine kurze Bauform. Außerdem ergibt sich eine einfache Montage der Spulenketten am weichmagnetischen Kern.
Vorteilhaft ist, wenn der Spulendraht vor dem Bewickeln der Wickelzähne mit einer Backlackschicht beschichtet wird, und wenn die Backlackschicht nach dem Bewickeln der Wickelzähne durch Wärmezufuhr gebacken wird. Durch das Backen werden die Windungen der Polspulen zu einem im Wesentlichen formstabilen Spulenkörper miteinander verbunden, der sich während der Montage an den Zähnen des weichmagnetischen Primärteil-Kerns gut handhaben lässt.
Das Verpressen der Polspulen erfolgt bevorzugt während des Backens der Backlackschicht. In erwärmtem Zustand lässt sich die Polspule leichter verformen als bei Raumtemperatur.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Montagezähne für die Aufnahme der Spulenketten aufweisender Montagekörper bereitgestellt, wobei die Spulenketten in einer ihrer späteren Montagelage an dem weichmagnetischen Kern entsprechenden Lage an den Montagezähnen montiert werden, wobei der Montagekörper danach zusammen mit den daran angeordneten Spulenketten derart an dem weichmagnetischen Kern positioniert wird, dass die Polspulen den ihnen zugeordneten Zähnen des weichmagnetischen Körpers jeweils gegenüberliegen, und wobei die Spulenketten danach derart von dem Montagekörper in Richtung auf die Zähne des weichmagnetischen Kerns verschoben werden, dass die Polspulen jeweils einen ihnen - A - zugeordneten Zahn des weichmagnetischen Kerns umgrenzen. Die vorgefertigte Spulenkette kann dadurch noch leichter an dem weichmagnetischen Kern montiert werden. Durch die Verwendung des Montagekörpers ist der weichmagnetische Kern bei der Montage der Spulenketten vor Beschädigung geschützt.
Vorteilhaft ist, wenn das Primärteil nach dem Fixieren der Spulenketten auf dem weichmagnetischen Kern in ein Statorgehäuse eingesetzt und ein zwischen dem Primärteil und dem Statorgehäuse befindlicher Montagespalt mit einer Vergussmasse befüllt und die Vergussmasse dann verfestigt wird. Die während des Betriebs der elektrischen Maschine in der Wicklung entstehende Verlustwärme kann dann über die Vergussmasse direkt und ohne den Umweg über den weichmagnetischen Kern an das Statorgehäuse und von dort an die Umgebung und/oder eine mit dem Statorgehäuse verbundene Wärmesenke abgeführt werden. Die elektrische Maschine kann dadurch ein hohes Dauerdrehmoment liefern, ohne zu überhitzen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der weichmagnetische Kern ringscheibenförmig ausgestaltet, wobei die Zähne in Axialrichtung der Ringscheibe an dieser vorstehen. Mit dem Verfahren kann also ein Scheibenläufer mit axial vom Magnetfeld durchflutetem Luftspalt hergestellt werden.
Bei eine anderen zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der weichmagnetische Kern ringförmig ausgestaltet, wobei die Zähne in radialer Richtung am Außenumfang des weichmagnetischen Kerns an diesem vorstehen. Mit dem Verfahren kann also auch ein Außenläufer mit radial vom Magnetfeld durchflutetem Luftspalt hergestellt werden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird bezüglich der elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass die Spulendrähte der Polspulen jeder Phase jeweils einstückig miteinander verbunden sind. In vorteilhafter Weise wird somit der Bauraum für die Spulendrähte miteinander verbindende Verschaltungselemente, wie z.B. Kontaktbrücken mit Löt- oder Schweißstellen und/oder eine Leiterplatte, eingespart. Im Bauraum der elektrischen Maschine kann daher entsprechend viel Leitermaterial untergebracht sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine sind die die Polspulen einstückig miteinander verbindenden Verbindungsleiter seitlich neben Wickeköpfen der Polspulen und vor einem die Zähne miteinander verbindenden Joch des weichmagnetischen Kerns angeordnet sind. Die elektrische Maschine ermöglicht dadurch eine kurze Bauform.
Zweckmäßigerweise sind die Windungen der Polspulen jeweils durch einen Backlack und/oder eine Vergussmasse miteinander verbunden. Die Polspulen sind dann im Wesentlichen formstabil und ermöglichen bei der Herstellung der elektrischen Maschine eine einfache Handhabung und Montage an dem weichmagnetischen Kern.
Die elektrische Maschine ist bevorzugt als Scheibenläufer ausgestaltet. Dabei kann das Primärteil einen einzigen scheibenförmigen weichmagnetischen Kern oder zwei beidseits des Sekundärteils angeordnete scheibenförmige weichmagnetische Kerne (Zwischenläufer) aufweisen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine einseitige Axialflussmaschine mit Einzelpolwicklung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Axialflussmaschine,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Scheibenläufer mit Zwischenrotor und Einzelpolwicklung,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fg. 3 gezeigten Scheibenläufer, wobei die Querschnittsebene durch den Rotor des Scheibenläufers verläuft,
Fig. 5 einen weichmagnetischer Stator-Kern des Primärteils der Axialflussmaschine mit an dem Kern montierten Spulenketten,
Fig. 6 eine Abform Vorrichtung zum Entformen einer Spulenkette von einem Wickelkörper,
Fig. 7 ein Montagekörper, an dem Wickelkörper in Vormontagestellung angeordnet sind, Fig. 8 den Montagekörper nach dem Bewickeln mit Spulendraht,
Fig. 9 der an einem weichmagnetischen Kern positionierte Montagekörper mit den darauf montierten Spulenketten,
Fig. 10 eine Teilansicht eines Primärteils der Axialflussmaschine, und
Fig. 11 eine Seitenansicht des Primärteils.
Eine als Scheibenläufer-Elektromotor ausgestaltete elektrische Maschine 1 hat ein Primärteil (Stator) und ein Sekundärteil (Rotor), die mittels einer Lagerung in einer durch den Doppelpfeil 2 markierten Bewegungsrichtung um eine Rotationsachse 3 relativ zueinander verdrehbar gelagert sind.
Bei einem in Fig. 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel hat das Primärteil einen einzigen, etwa ringscheibenförmig ausgestalteten weichmagnetischen Kern, der eine Anzahl von in axialer Richtung an einem Joch 4 vorstehende Zähne 5 aufweist, die in Umfangsrichtung durch radial zur Rotationsachse 3 verlaufende Nuten 6 voneinander beabstandet sind.
An dem weichmagnetischen Kern ist eine Einzelpol-Wicklung angeordnet, die mehrere Wicklungsphasen aufweist. Jede Wicklungsphase hat jeweils mehrere Polspulen 7, die in Reihe geschaltet sind. Die Spulendrähte der Polspulen 7 jeder Wicklungsphase sind jeweils einstückig miteinander verbunden. In Fig. 2 ist erkennbar, dass jeder Polspule ein Zahn 5 zugeordnet ist, den die Polspule 7 umgrenzt.
Das Sekundärteil hat ein etwa topfförmiges, weichmagnetisches Gehäuseteil 8, das an seinem dem weichmagnetischen Kern zugewandten Bodenbereich, eine ringförmige Reihe von abwechselnd in zueinander entgegen gesetzte Richtungen axial magnetisierten Permanentmagnetpolen 9 aufweist. Die Permanentmagnetpole 9 sind in konstanten Abständen zur Rotationsachse 3 angeordnet und wirken zur Erzeugung einer Drehbewegung über einen Luftspalt 10, der axial vom magnetischen Fluss durchsetzt wird, mit den Polspulen 7 und dem weichmagnetischen Kern des Primärteils zusammen. Bei einem in Fig. 3 und 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel hat das Primärteil zwei weichmagnetische Kerne, die axial beidseits eines scheibenförmigen Sekundärteils (Zwischenrotor) parallel zu diesem angeordnet sind.
Bei der Herstellung der elektrischen Maschine 1 wird für das Primärteil zunächst für jede Wicklungsphase eine Luft-Spulenkette 11 vorgefertigt, welche die für die betreffende Wicklungsphase vorgesehenen Polspulen 7 und Verbindungsleiter 12 aufweist, über welche die Polspulen 7 in Reihe geschaltet sind. Die Polspulen 7 und die Verbindungsleiter 12 jeder Wicklungsphase sind einstückig miteinander verbunden.
Für die Herstellung der Luft-Spulenketten 11 wird für jede Wicklungsphase jeweils ein in der Zeichnung nicht näher dargestellter Wickelkörper bereitgestellt, der eine der Anzahl der Polspulen der Wicklungsphase entsprechende Anzahl seitlich von voneinander beabstandeten Wickelzähnen aufweist. Selbstverständlich ist es auch möglich, die einzelnen Luft-Spulenketten 11 nacheinander auf demselben Wickelkörper zu fertigen. Die Querschnittsabmessungen der Wickelzähne stimmen mit den Querschnittsabmessungen der entsprechenden Zähne 5 des weichmagnetischen Primärteil-Kerns überein bzw. sind um den Montagespalt größer.
Die Wickelzähne werden mit Spulendraht orthozyklisch bewickelt. Die Polspulen 7 weisen vorzugsweise eine gerade Lagenzahl auf und beginnen und enden am Nutboden der Wickelnuten 14. Der Überkreuzungsbereich der Lagen liegt im äußeren Wickelkopf der Polspulen 7. Die Spurzahl aufeinander folgender Lagen unterscheidet sich um eins und die Spuren in aufeinander folgenden Lagen sind um eine halbe Drahtstärke zueinander versetzt. In der Spulenkette 11 wechselt der Wicklungssinn aufeinander folgender Spulen, damit diese beim Bestromen der Spulenkette 11 in zueinander entgegen gesetzte Richtungen vom magnetischen Fluss durchflössen werden und somit an den Zähnen 5 ungleichnamige Magnetpole erzeugen.
Als Spulendraht wird Runddraht verwendet, der mit einer Lackschicht und einer darauf befindlichen zusätzlichen Backlackschicht lackiert ist. Nach dem Bewickeln wird der noch auf den Wickelzähnen befindliche Spulendraht durch Bestromen mit einem Heizstrom erwärmt, um den Backlack fließfähig zu machen. Dabei füllt der Backlack zwischen den Windungen der Polspulen 7 befindliche Hohlräume, was nach dem Abkühlen und Verfestigen des Backlacks zu einer hohen Festigkeit und Formstabilität der Polspulen 7 führt. Während der Spulendraht erwärmt ist, werden die Polspulen 7 in Richtung der Nutbreite, also bei einem Scheibenläufer in Umfangsrichtung, mit Hilfe eines Presswerkzeugs verpresst und verformt. Dadurch können sehr hohe Füllfaktoren und exakte Außenabmessungen der Polspulen 7 erreicht werden. Beim Verpressen reduzieren sich die Querschnittsabmessungen der Polspulen 7 auch in Richtung der Nuttiefe, also bei einem Scheibenläufer in Axialrichtung. Beim Verpressen werden die Polspulen 7 in Nutrichtung, also bei einem Scheibenläufer in Radialrichtung gegen einen Anschlag gedrückt. Damit erhält die Spulenkette 11 Wickelköpfe mit definierten Außenabmessungen und ermöglicht den Einbau mit wenig radialem Montagespalt in das Gehäuseteil 8.
Die Verbindungsleiter 12 werden an dem Wickelkörper in eine vorbestimmte Lage gebogen. In Fig. 5 ist erkennbar, dass die Lage so gewählt ist, dass die Verbindungsleiter 12 nach dem Positionieren der Spulenketten 11 an dem weichmagnetischen Kern seitlich neben den Wickeköpfen der Polspulen 7 und vor dem die Zähne 5 miteinander verbindenden Joch 4 des weichmagnetischen Kerns angeordnet sind.
Nach dem Härten des Backlacks wird die so erhaltene Luft-Spulenkette 11 von dem Wickelkörper mittels einer Abformvorrichtung 13 abgeformt. In Fig. 6 ist erkennbar, dass die Abformvorrichtung 13 zwei etwa plattenförmige Klemmteile 14 aufweist, die mittels einer Spannvorrichtung 15 miteinander verspannbar sind. In einem zwischen den Klemmteilen 14 gebildeten Zwischenraum sind zwei Einsatzringe 16 angeordnet, die in Gebrauchsstellung an dem Wickelkörper bzw. der Spulenkette 11 angreifen, um diese Teile voneinander zu trennen. Für jede Wicklungsphase sind jeweils zwei Paar Einsatzringe 16 vorgesehen, die wähl- oder wechselweise zwischen den Klemmteilen 14 angeordnet werden können.
Nachdem die Spulenketten 11 der einzelnen Wicklungsphasen von den Wickelkörpern getrennt wurden, wird ein etwa ringförmiger Montagekörper 17 (Fig. 6 bis 8) bereitgestellt, der Montagezähne 18 aufweist, die den Zähnen 5 des weichmagnetischen Kerns entsprechen. Der Montagekörper 17 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff, der eine höhere Festigkeit aufweist als der Werkstoff des weichmagnetischen Kerns. In Fig. 8 ist erkennbar, dass der Jochbereich des Montagekörpers 17 außerdem eine größere Wandstärke hat als das Joch 4 des weichmagnetischen Kerns. An den Montagezähnen 18 werden die Spulenketten in einer ihrer späteren Montagelage an dem weichmagnetischen Kern 5 entsprechenden Lage montiert (Fig. 7 und 8). Danach wird der Montagekörper 17 zusammen mit den daran angeordneten Spulenketten derart an dem weichmagnetischen Kern positioniert, dass die Montagezähne 18 jeweils den ihnen zugeordneten Zähnen 5 des weichmagnetischen Kerns direkt gegenüberliegen (Fig. 9). Dann werden die Spulenketten 11 derart von dem Montagekörper 17 in Richtung auf den weichmagnetischen Kern verschoben, dass die Polspulen 7 jeweils den ihnen zugeordneten Zahn 5 des weichmagnetischen Kerns umgrenzen. Dabei liegen die Verbindungsleiter 12 radial außerhalb des Jochs 4 axial neben den Wickelköpfen der Polspulen 7. Danach wird der Montagekörper 17 von dem weichmagnetischen Kern und den Spulenketten 11 entfernt.
In Fig. 10 und 11 ist erkennbar, dass an der Anordnung, bestehend aus dem weichmagnetischen Kern und den Spulenketten 11 ein Steckerteil 19 positioniert wird, das mehrere elektrische Anschlusskontakte 20 hat, die mit einem elektrisch isolierenden Trägerwerkstoff umspritzt sind und mit ihren Enden aus dem Trägerwerkstoff herausragen. Mit den Anschlusskontakten 20 werden die Drahtenden der Spulenketten 11 elektrisch verbunden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen
Das so erhaltene Primärteil wird in das Gehäuseteil 8 eingesetzt und ein zwischen dem Primärteil und dem Gehäuseteil 8 befindlicher Montagespalt wird mit einer Vergussmasse befüllt, die sich verfestigt.
Bezuqszeichenliste
elektrische Maschine
Bewegungsrichtung
Rotationsachse
Joch
Zahn
Nut
Polspule
Gehäuseteil
Permanentmagnetpol
Luftspalt
Luft-Spulenkette
Verbindungsleiter
Abformvorrichtung
Klemmteil
Spannvorrichtung
Einsatzring
Montagekörper
Montagezahn
Steckerteil
Kontakt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine (1), die ein Primärteil und ein relativ dazu in eine Bewegungsrichtung (2) bewegbar gelagertes Sekundärteil aufweist, wobei für das Primärteil ein weichmagnetischer Kern mit in Bewegungsrichtung (2) zueinander versetzten, durch Nuten (6) voneinander beabstandeten Zähnen (5) bereitgestellt wird, und wobei der weichmagnetische Kern mit einer mehrphasigen Wicklung versehen wird, die für jede Wicklungsphase jeweils mindestens zwei Polspulen (7) aufweist, die jeweils einen ihnen zugeordneten Zahn (5) des weichmagnetischen Kerns umgrenzen, wobei für jede Wicklungsphase jeweils eine Luft-Spulenkette (11) vorgefertigt wird, welche die für die betreffende Wicklungsphase vorgesehenen, eine Innenhöhlung aufweisenden Polspulen (7) und Verbindungsleiter (12) haben, über welche die Polspulen (8) in Reihe geschaltet sind, wobei die vorgefertigten Luft-Spulenketten (11) jeweils an dem weichmagnetischen Kern positioniert und die Polspulen (8) mit ihrer Spulenöffnung jeweils auf den ihnen zugeordneten Zahn (5) des weichmagnetischen Kerns aufgesteckt werden, und wobei die Spulenketten (11) dann auf dem weichmagnetischen Kern fixiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wickelkörper bereitgestellt wird, der zumindest eine der Anzahl der Polspulen (8) einer Luft-Spulenkette (11) entsprechende Anzahl von durch Wickelnuten beabstandeten Wickelzähnen aufweist, deren Abmessungen etwa denen der entsprechenden Zähne (5) des weichmagnetischen Kerns entsprechen, dass die Wickelzähne zum Herstellen der Luft-Spulenkette (11 ) derart mit Spulendraht orthozyklisch bewickelt werden, dass die Polspulen (7) der Luft-Spulenkette (11) unterbrechungsfrei miteinander verbunden sind, und dass die so erhaltene Luft-Spulenkette (11) danach von dem Wickelkörper entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polspulen (7) vor dem Aufstecken auf den weichmagnetischen Kern zum Reduzieren ihres Spulenquerschnitts verpresst werden, vorzugsweise mit Hilfe des Wickelkörpers und/oder eines Presswerkzeugs.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleiter (12) nach dem Bewickeln der Wickelzähne mit dem Spulendraht in eine vorbestimmte Lage gebogen werden, vorzugsweise derart, dass sie nach dem Positionieren der Spulenketten (11) an dem weichmagnetischen Kern seitlich neben den Wickeköpfen der Polspulen (7) und vor einem die Zähne (5) miteinander verbindenden Joch (4) des weichmagnetischen Kerns angeordnet sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulendraht vor dem Bewickeln der Wickelzähne mit einer Backlackschicht beschichtet wird, und dass die Backlackschicht nach dem Bewickeln der Wickelzähne durch Wärmezufuhr gebacken wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen der Polspulen (7) während des Backens der Backlackschicht erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Montagezähne (18) für die Aufnahme der Spulenketten (11) aufweisender Montagekörper (17) bereitgestellt wird, dass die Spulenketten (11) in einer ihrer späteren Montagelage an dem weichmagnetischen Kern entsprechenden Lage an den Montagezähnen (18) des Montagekörpers (17) montiert werden, dass der Montagekörper (17) danach zusammen mit den daran angeordneten Spulenketten (11) derart an dem weichmagnetischen Kern positioniert wird, dass die Polspulen (7) den ihnen zugeordneten Zähnen (5) des weichmagnetischen Körpers jeweils gegenüberliegen, und dass die Spulenketten (11) danach derart von dem Montagekörper (17) in Richtung auf die Zähne (5) des weichmagnetischen Kerns verschoben werden, dass die Polspulen (7) jeweils einen ihnen zugeordneten Zahn (5) des weichmagnetischen Kerns umgrenzen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil nach dem Fixieren der Spulenketten (11) auf dem weichmagnetischen Kern in ein Statorgehäuse eingesetzt und ein zwischen dem Primärteil und dem Statorgehäuse befindlicher Montagespalt mit einer Vergussmasse befüllt und die Vergussmasse dann verfestigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weichmagnetische Kern ringscheibenförmig ausgestaltet ist, und dass die Zähne (5) in Axialrichtung der Ringscheibe an dieser vorstehen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weichmagnetische Kern ringförmig ausgestaltet ist, und dass die Zähne (5) in radialer Richtung am Außenumfang des weichmagnetischen Kerns an diesem vorstehen.
11. Elektrische Maschine (1 ) mit einem Primärteil und einem relativ dazu in eine Bewegungsrichtung (2) bewegbar gelagerten Sekundärteil, wobei das Primärteil einen weichmagnetischen Kern mit in Bewegungsrichtung (2) zueinander versetzten, durch Nuten (6) voneinander beabstandeten Zähnen (5) und eine mehrphasige Wicklung aufweist, die für jede Wicklungsphase jeweils mindestens zwei Polspulen (7) hat, die jeweils einen ihnen zugeordneten Zahn (5) des weichmagnetischen Kerns umgrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulendrähte der Polspulen (7) jeder Phase jeweils einstückig miteinander verbunden sind.
12. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polspulen (7) einstückig miteinander verbindende Verbindungsleiter (12) seitlich neben Wickelköpfen der Polspulen (7) und vor einem die Zähne (5) miteinander verbindenden Joch (4) des weichmagnetischen Kerns angeordnet sind.
13. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Polspulen (7) jeweils durch einen Backlack und/oder eine Vergussmasse miteinander verbunden sind.
14. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Scheibenläufer ausgestaltet ist.
15. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Außenläufer ausgestaltet ist.
16. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Polspulen (7) aus Runddraht bestehen, die eine Verformung des Querschnitts aufweisen und dicht beieinander liegen.
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