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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bekannte Nadelwickeltechniken zum Beispiel für Statoren von Elektromaschinen dienen zur Herstellung entweder ein- oder mehrlagiger konzentrierter Wicklungen oder verteilter Wicklungen, bei denen der Wickeldraht mittels einer, Vorschubbewegungen unterliegender, Wickelnadel um einen oder mehrere, radial abragende Zähne geführt wird. Ziel muss es dabei sein, die Wicklungen möglichst homogen auszubilden bzw. einen möglichst hohen Füllgrad in der zu bewickelnden Nut herzustellen. Dabei ist problematisch, dass die Einstellbarkeit der Wickelnadel quer zur Nut durch die, die Nut teilweise überdeckenden, Polschuhe eingeschränkt ist.
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Aus der
EP 2 015 427 A2 ist ein Wickelverfahren bekannt, das ausschließlich für das Erstellen von konzentrierten Wicklungen anwendbar ist. In dem Verfahren sind zusätzlich zu den Vorschubbewegungen der Wickelnadel Wickeldrahtführungen vorgesehen, die in verbessertem Maße eine Verteilung des Wickeldrahtes innerhalb der Nuten ermöglichen. Dies bedingt jedoch einen vermehrten, maschinen- und steuerungstechnischen Aufwand und ist nicht in jedem Falle einsetzbar.
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Die Erstellung von verteilten Wicklungen erfolgt in gängiger Praxis mittels der Einziehtechnik. Mittels der Einziehtechnik ist jedoch lediglich eine sogenannte Wildwicklung erreichbar, bei der keine lagegenaue Positionierung des Wickeldrahts in der Nut erfolgen kann. Demgegenüber ist aus der
DE 10 2011 008 662 A1 ein Nadelwickelverfahren bekannt, das für das Erstellen von verteilten Wicklungen anwendbar ist. In dem Verfahren kann jedoch ebenfalls nur eine Wildwicklung erzeugt werden, das heißt der Wickeldraht wird nicht lagegenau abgelegt.
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Aus der
DE 601 07 381 T2 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers bekannt, bei dem eine nummerisch gesteuerte automatische Wickelmaschine für das Wickeln einer elektrischen Leitung auf Statoren mit geschlossenen Nuten vorgesehen ist. Aus der
US 2004/0 140 388 A1 und aus der
US 4 093 132 A sind weitere Wickelverfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers bekannt. Aus der
DE 32 36 616 A1 ist eine Ständer-Wickelvorrichtung für Elektromotoren bekannt. Aus der
US 2011/0 248 113 A1 und aus der
US 2002/0 047 065 A1 sowie aus der
US 5 906 331 A sind weitere Verfahren und Vorrichtungen zum Bewickeln von Wicklungsträgern bekannt. Gleiches trifft auch auf die
DE 24 06 612 A zu, aus der eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Feldwicklungen für dynamoelektrische Maschinen durch Vorschieben des Magnetdrahtes bekannt sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers für konzentrierte und verteilte Wicklungen bereitzustellen, bei dem mit geringem Mehraufwand und ohne zusätzliche Wickeldrahtführungen homogene Wicklungen mit hohem Füllgrad innerhalb der Nuten ermöglicht sind.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Wickelnadel im Eintauchbereich zwischen den Wicklungsträger-Zähnen mit einer Krümmung ausgeführt ist und dass durch gezieltes Verdrehen der Wickelnadel um ihre Mittelachse diese die Polschuhe mehr oder minder hintergreifend mit ihrer Mündung (Austritt des Wickeldrahtes) an die Nutflanken oder an bereits aufgebrachte Wickellagen herangeführt wird. Damit gelingt es, in besonders präziser Weise, die Wickeldrähte innerhalb der durch die Wicklungsträger-Zähne begrenzten Nuten innig aneinander zu reihen, wobei lediglich als zusätzlicher, steuerungstechnischer Parameter die Verdrehung der Wickelnadel synchron zu den regulären Steuerungsparametern einzustellen ist.
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Besonders bevorzugt kann beim Wickelprozess die Wickelnadel mit ihrer Nadelspitze in der Wicklungsträger-Axialrichtung durch eine erste Nut geführt und in einer Gegenrichtung durch eine zweite Nut rückgeführt werden, und zwar unter Bildung einer Spulenwindung sowie unter Ablage des Wickeldrahts auf den Nutflächen der Nuten sowie auf den Stirnseiten des Wicklungsträgers.
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Des Weiteren kann bei mehrlagigen konzentrierten Wicklungen die Wickelnadel in einer Wicklungsträger-Radialrichtung (Y-Richtung) je Spulenwindung so verfahren werden, dass tangential übereinander liegende Spulenwindungen zu der vorherigen Lage um den halben Drahtdurchmesser versetzt zueinander positioniert sind, wodurch ein optimaler Füllgrad der Wicklungen innerhalb des zur Verfügung stehenden Nutraums erreichbar ist. Analog können bei der Erstellung von verteilten Wicklungen durch entsprechendes Stellen der Wickelnadel die radial übereinander liegenden Windungslagen tangential zueinander um einen halben Drahtdurchmesser versetzt werden, wodurch auch hier ein besonders hoher Füllfaktor erreicht werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung einer Wickelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird dadurch erzielt, dass an einem die Vorschubbewegungen in Z- und Y-Richtung ausführenden Träger die gekrümmte Wickelnadel erfindungsgemäß in einem relativ zum Träger um ihre Mittelachse verdrehbaren Nadelhalter gehalten und mittels eines Stellmotors oder eines Servomotors gezielt verdrehbar ist. Unter anderem kann dadurch die Wickelvorrichtung nahezu problemlos an unterschiedlich auszuführende Wickelverfahren und/oder an baulich unterschiedlich ausgeführte Elektromaschinen angepasst werden, indem neben steuerungstechnischen Änderungen (Softwareanpassungen) lediglich die Wickelnadel zu wechseln bzw. einzustellen ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die Erstellung konzentrierter Wicklungen beschränkt, sondern kann auch auf die Erstellung verteilter Wicklungen angewendet werden. Beim Erstellen von verteilten Wicklungen ist es gegebenenfalls hilfreich, wenn die Vorrichtung mit einer zusätzlichen Schwenkachse erweitert wird, die quer zur Geräte-Hochrichtung (das heißt quer zur Vertikalachse) ausgerichtet ist.
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Dabei kann ferner in baulich einfacher Weise der Nadelhalter in einem Gehäuse des Stellmotors drehbar gelagert sein, wobei die Drahtzufuhr zur Wickelnadel zentrisch durch die Antriebswelle des Stellmotors hindurch erfolgt.
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Des Weiteren kann der Stellmotor mit dem Nadelhalter an dem Träger über eine Flanschverbindung befestigt sein, was insbesondere eine Nachrüstung bereits vorhandener Wickelvorrichtungen vereinfacht.
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Der Stellmotor kann zudem bevorzugt als ein elektrischer Schrittmotor ausgeführt sein, der synchron zu den Vorschubbewegungen des Trägers und einer Aufspanneinrichtung für den Stator oder Rotor der Elektromaschine ansteuerbar ist und die Wickelnadel entsprechend taktgesteuert verdreht. Gegebenenfalls kann jedoch auch ein hydraulischer oder pneumatischer Servomotor bzw. Stellmotor verwendet sein.
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Schließlich kann der Wickeldraht von einer Drahtführung über eine am Träger angeordnete Umlenkrolle zur Antriebswelle des Stellmotors und durch diese hindurch zur Wickelnadel geführt sein. Dies stellt sicher, dass unabhängig von den Vorschubbewegungen des Trägers der Wickelvorrichtung und unabhängig von den Drehbewegungen der Wickelnadel eine gleichmäßige Zuführung des Wickeldrahts erfolgen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in teilweiser Darstellung eine Wickelvorrichtung zum Bewickeln eines Stators einer Drehstrom-Elektromaschine, mit einem in Vorschubbewegungen verstellbaren Träger, an dem ein Nadelhalter für eine gebogene Wickelnadel verdrehbar gelagert und über einen Stellmotor gezielt verdrehbar ist;
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2 in perspektivischer Ansicht eine Anordnung aus Wickelnadel und Stator mit innenliegenden Statornuten;
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3 eine Schnittansicht entlang der Schnittebene I-I aus der 1 durch den Schrittmotor mit Nadelhalter und Wickelnadel;
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4 abschnittsweise den Stator einer Elektromaschine mit skizzenhafter Darstellung der gekrümmten Wickelnadel beim Wicklungsprozess für eine konzentrierte Wicklung;
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5 eine Draufsicht auf einen zu bewickelnden Stator-Zahn mit Darstellung der Wickelnadel und deren Bewegungsablauf im Wickelprozess;
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6 eine Darstellung der Wicklungslagen nach 5 mit beispielhafter Winkelanstellung der Wickelnadelkrümmung je Wickellage; und
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7 einen Querschnitt durch eine dreilagige, verteilte Wicklung mit zueinander versetzten Wicklungsdrähten, die mittels der gekrümmten Wickelnadel erzeugt sind.
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In den 1 und 3 ist, soweit für das Verständnis der Erfindung erforderlich, eine Wickelvorrichtung 10 zum Bewickeln eines Stators 28 eines Elektromotors in der Nadelwickeltechnik gezeigt, die einen vertikal angeordneten Träger 12 aufweist.
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Die Stator-Geometrie ist in der 2 angedeutet, wonach der Stator 28 in der Umfangsrichtung u abwechselnd angeordnete, innenliegende Statorzähne 28a mit zwischengeordneten Statornuten 30 aufweist. Durch die Statornuten 30 hindurch werden in einem Wickelprozess Spulenwicklungen mit einer vorgegebenen Anzahl von Spulenwindungen geführt. Jede Statornut 30 weist einen Nutgrund 28d und seitliche Nutflanken 28b auf und ist in der Stator-Radialrichtung y nach innen über einen Nutzschlitz 32 offen gestaltet. Der Nutschlitz 32 ist durch, in der Umfangsrichtung u ausgeweitete Polschuhe 28c benachbarter Statorzähne 28 begrenzt. Zwischen den Polschuhen 28c und den Nutflanken 28b der Statornuten 30 sind Hinterschneidungen 33 (2 oder 4), das heißt schwer zugängliche Inneneckbereiche, gebildet.
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Der in der 1 gezeigte Träger 12 ist in nicht weiter dargestellter Weise an einem Maschinengestell geführt und über Steuerungseinrichtungen zur Ausführung von Vorschubbewegungen in der Stator-Axialrichtung z und in der Stator-Radialrichtung y betätigbar.
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In einer Ebene parallel zur Radialrichtung y ist eine Aufspanneinrichtung zur Aufnahme des ringförmigen Stators 28 am Maschinengestell vorgesehen, die in Stator-Umfangsrichtung u zur Erzielung einer dritten Vorschubbewegung gezielt verdrehbar ist.
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Am Träger 12 ist über eine Flanschverbindung 14 ein elektrischer Stellmotor 16 befestigt. In dessen Gehäuse 16a (3) ist ein nabenförmiger Nadelhalter 18 über eine integrierte Gleitbuchse 20 (3) verdrehbar, in axialer Richtung jedoch unverschiebbar, gelagert. In dem Nadelhalter 18 ist eine rohrförmig ausgeführte, dünnwandige Wickelnadel 22 eingespannt.
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Anhand der 2 ist nachfolgend die Geometrie der Wickelnadel 22 beschrieben: Demzufolge weist die Wickelnadel 22 einen langgestreckten hohlzylindrischen Nadelkörper 23 auf, durch den ein Wickeldraht 24 bis zu einer an der Nadelspitze 25 befindlichen Düsenöffnung 27 geführt ist, an der der Wickeldraht 24 unter Drahtspannung austritt und auf den Nutflächen der Statornuten 30 ablegbar ist. Für eine positionsgenaue Ablage des Wickeldrahts 24 auf den Nutflächen ist der Nadelkörper 23 an der Nadelspitze 25 mit einem Endstück oder einer Krümmung 22a verlängert, die mit einem Überstand a vom Außenumfang des Nadelkörpers 23 seitlich abragt. Dadurch ist der Wickeldraht 24 beim Drahtaustritt seitlich radial nach außen umlenkbar. Der langgestreckte, hohlzylindrische Nadelkörper 23 geht materialeinheitlich und einstückig an einer Biegekante 29 in das Endstück 22a bzw. die Krümmung über. Auf diese Weise ist die Düsenöffnung 27 am Endstück 22a nicht mehr koaxial, sondern versetzt zur Längsachse L der Wickelnadel 22 positioniert und radial nach außen ausgerichtet.
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Der zum Herstellen der Wicklungen zuzuführende Wickeldraht 24 wird von einer nicht gezeigten Drahtführung am Träger 12 über eine Umlenkrolle 26 (1) zu der, eine zentrische Bohrung 16b aufweisenden Antriebswelle 16c des Stellmotors 16 und durch diese hindurch zur achsparallel in der Radialrichtung y ausgerichteten Wickelnadel 22 geführt. Der Nadelhalter 18 ist über einen Antriebsflansch 19 (3) an der Stirnseite der Antriebswelle 16c montiert. Der konstruktive technische Aufbau des Stellmotors 16 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
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Über den Stellmotor 16 kann die in einer Ebene gekrümmt ausgebildete Wickelnadel 22 um ihre Mittelachse gezielt und synchron zu den drei vorstehend ausgeführten Vorschubbewegungen x, y, u verdreht werden (wird noch ausgeführt).
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Die 4 zeigt skizzenhaft und abschnittsweise einen mit konzentrierten Wicklungen zu bewickelnden Stator 28 einer Drehstrom-Elektromaschine, der die radial nach innen ragenden Stator-Zähne 28a und an deren Enden die Polschuhe 28c aufweist und der zum Beispiel als ein Blechpaket mit einer Vielzahl aneinander gereihter Blechlamellen gebildet sein kann.
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Wie ersichtlich ist, sind die Nutschlitze 32 durch, in der Umfangsrichtung u ausgeweitete Polschuhe 28c benachbarter Stator-Zähne 28a begrenzt. Dadurch bilden sich zwischen den Polschuhen 28c und den Nutflanken 28b die Hinterschneidungen 33 mit Inneneckbereichen. Die Wickelnadel 22 ist beim Wickeln der Wickeldrähte 24 durch die engeren Nutschlitze 32 hindurchzuführen.
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Durch die Krümmung 22a der Wickelnadel 22 bei entsprechender Anstellung gelingt es nun, trotz des Hinterschnittes 33 der Nuten 30 relativ zu den engeren Nutschlitzen 32, den Wickeldraht 24 eng an die Nutflanken 28b heranzuführen und damit präzise und homogen aufzubringen bzw. Wicklungen mit hohem Füllgrad (optimaler Ausnutzung des Nutraums 30) herzustellen.
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In der 5 ist beispielhaft der prinzipielle Ablauf zur Erstellung einer konzentrierten Wicklung dargestellt, wie sie mit der in der 1 gezeigten Vorrichtung erreichbar ist. So zeigt die 5 beispielsweise die Vorschubabläufe in Pfeilen und die Verdrehung der Wickelnadel 22 mit der Krümmung bzw. dem Endstück 22a.
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Die Bewicklung kann beispielsweise beginnen mit den Schritten 1 bis 3 in Z-Richtung (Pfeil Z1), wobei die Wickelnadel 22 mit ihrer Krümmung 22a so angestellt ist, dass der Wickeldraht 24 an die linke Nutflanke des zu bewickelnden, mittleren Statorzahns 28a herangeführt wird (die Düsenöffnung 27 der Wickelnadel 22 zeigt auf der Zeichnung nach rechts).
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Nach dem Durchlaufen der Nut 30 wird die Wickelnadel 22 außerhalb der Nut 30 (Schritte 4 bis 6) um 180° gedreht (Rundpfeil 34). Zugleich wird in den Schritten 4 bis 6 (vergleiche eingezeichneter Pfeil U1) der Stator 28 in die benachbarte Nut 30 verdreht, bis der geradlinige Abschnitt der Wickelnadel 22 mit dem benachbarten, engeren Nutschlitz 32 zwischen den Stator-Zähnen 28a in einer Flucht liegt.
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Sodann wird in Schritten 7 bis 9 die Wickelnadel 22 wieder in umgekehrter Z-Richtung (Pfeil Z2) verfahren, wobei die Krümmung 22a der Wickelnadel 22 auf der Zeichnung nunmehr nach links gerichtet ist und den Wickeldraht 24 auf die rechte Nutflanke 28b des mittleren Stator-Zahns 28a ablegt.
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Wieder außerhalb der benachbarten Nut 30 wird die Wickelnadel 22 mit den Schritten 10 bis 12 in die Ausgangsstellung zurückgedreht (Rundpfeil 34) und der Stator 28 gemäß Pfeil U2 ebenfalls zurückgestellt.
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Der Ablauf zur Herstellung einer Windung der Wicklung um den Stator-Zahn 28a ist damit abgeschlossen. Überlagert wird der Wickelnadel 22 eine Vorschubbewegung Y über den Träger 12 (in 5 senkrecht zur Zeichnungsebene) jeweils in der Größe des Durchmessers des Wickeldrahtes 24; der Wickelprozess verläuft wie beschrieben kontinuierlich weiter innerhalb des in der Nut 30 zur Verfügung stehenden Nutvolumens.
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Ferner wird je Wickellage (6) die innerhalb des Nutraums 30 angeordnete Krümmung 22a der Wickelnadel 22 durch Verdrehen der Wickelnadel 22 um ihre Mittelachse auf einen Winkel α so eingestellt, dass zunächst die innere Wicklungslage an der Nutflanke 28b, danach die mittlere Wicklungslage und schließlich eine äußere Wicklungslage entsprechend gewickelt wird, mit jeweils dichter Heranführung der Mündung der Wickelnadel 22 an die Nutflanke 28b oder an eine bereits aufgebrachte Wicklungslage.
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Es ändert sich somit mit zunehmenden Wicklungsaufbau der Winkel α der Wickelnadel 22 bzw. der Krümmung 22a in der Nut 30, damit der Draht 24 stets direkt und präzise auf der vorhergehenden Wickellage abgelegt wird. Zudem wird die aktuell erzeugte Windung jeweils zwischen zwei Windungen der vorhergehenden Wickellage positioniert. Hierzu wird die Wickelnadel 22 (4) nach jeder erzeugten Windung radial (in Y-Richtung) um den Betrag des Drahtdurchmessers verfahren.
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Die Erfindung ist nicht auf die Erstellung konzentrierter Wicklungen (siehe 5 und 6) beschränkt, sondern kann auch auf die Erstellung verteilter Wicklungen angewendet werden. Beim Erstellen von verteilten Wicklungen ist es von Vorteil, wenn die in der 1 gezeigte Vorrichtung mit einer zusätzlichen Schwenkachse (in der 1 mit dem Bezugszeichen s angedeutet) erweitert ist. Die Schwenkachse s ist – quer zur Geräte-Hochrichtung (das heißt quer zur Vertikalachse) ausgerichtet.
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So zeigt die 7 in einem Ausschnitt eine mittels der gebogenen Wickelnadel 22 mit der Krümmung 22a aufgebrachte, dreilagige, verteilte Wicklung aus Wickeldrähten 24, die beispielsweise in der Anreihungsfolge 1 bis 23 aufgewickelt sind.
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Die Wickelnadel 22 wird dabei in der 7 in Anpassung an die einzelnen Wickellagen 1–8, 9–15 und 16–23 in der Stator-Tangentialrichtung derart verstellt, dass die einzelnen Windungen unmittelbar benachbarter Wickellagen zueinander um den halben Wickeldrahtdurchmesser in der Umfangsrichtung versetzt zueinander positioniert sind, mit einem möglichst hohen Füllgrad an Drähten im Bereich des zur Verfügung stehenden Nutraums 30.
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Wesentlich in der Ausführung der Erfindung ist zum einen die Gestaltung der Wickelnadel 22, die in ihrer geometrischen Ausführung an die Nutgeometrie anzupassen ist, und zum anderen die Wickelstrategie. Diese muss derart gewählt werden, dass bereits gewickelte Windungen sich infolge des Drahtzugs nicht verschieben.
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Der Wicklungsaufbau muss zudem so erfolgen, dass die Wickelnadel 22 mit der Krümmung 22a stets Zugänglichkeit zum unbewickelten Nutvolumen besitzt, ohne dabei mit bereits gewickelten Windungen zu kollidieren. Dies gilt insbesondere für die letzten zu wickelnden Windungen.
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Durch die Gestaltung der gekrümmten Wickelnadel 22 in Verbindung mit dem deren Anstellwinkel steuernden Stellmotor 16 kann der Nutfüllfaktor durch bessere Ausnutzung des Nutraums 30 erhöht werden. Daraus resultieren zum Beispiel niedrigere Wicklungswiderstände sowie eine bessere Entwärmung der Elektromaschine infolge höherer Packungsdichte der Wicklungen, verbunden mit einer höheren Leistungsdichte und einem besseren Wirkungsgrad.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig vom Wicklungstyp (konzentrierte Ein- und Zweischicht- sowie verteilte Wicklungen) einsetzbar und ermöglicht eine hohe Flexibilität, in dem nur geringe Anpassungen (unter anderem ein Nadelwechsel) bei unterschiedlichen Elektromaschinentypen erforderlich sind.
