DE102007034322A1

DE102007034322A1 - Verfahren zur Herstellung einer vorzugsweise mehrphasigen Wicklung für den Stator einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102007034322A1
Application number: DE102007034322A
Authority: DE
Inventors: Klaus Herbold; Helmut Kreuzer; Gerlinde Weber; Christoph Schwarzkopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-01-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer vorzugsweise mehrphasigen Wicklung (18) für den Stator (16) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere eines Drehstromgenerators für Kraftfahrzeuge. Hierbei werden die Spulenseiten (64) eines oder mehrerer Stränge vor dem Einbringen in die Nuten (15) des Statorpaketes (17) in einem Werkzeug (62) durch Prägen entsprechend der Nutgeometrie vorgeformt, wobei erfindungsgemäß jeder Wicklungsstrang (66) mit den jeweils in einer Nut (15) liegenden Spulenseiten (64) getrennt geprägt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Wicklung für den Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Drehstromgenerators für Kraftfahrzeuge, wie es beispielsweise aus der WO 01/54 254 A1 bekannt ist. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen Statorwicklung, welche vor dem Einbringen in einen als Flachpaket vorliegenden Statorkern vorgeformt und anschließend zusammen mit dem Statorpaket in eine Zylinderringform mit radial nach innen gerichteten Nuten umgeformt wird. Alle Stränge der Wicklung werden hierbei vor dem Einlegen in die Nuten gemeinsam in einem Werkzeug in eine der Nut entsprechenden Form gepresst, wodurch das Einbringen der Wicklung in die Nuten erleichtert und der Nutfüllfaktor erhöht wird. Die einzelnen Leiter der Wicklung verlaufen hierbei jedoch ungeordnet, so dass Kreuzungen und durch das Prägen verursachte Einkerbungen der Wicklungsdrähte nicht auszuschließen sind, wodurch sich an den Kreuzungspunkten der elektrische Widerstand deutlich erhöht mit der Gefahr unzulässiger Erwärmung in diesem Bereich. Außerdem besteht im Bereich derartiger Drahtquetschungen die Gefahr von Drahtbrüchen und Unterbrechungen der Wicklung. Durch das Prägen der ungeordneten Drahtabschnitte verbleiben außerdem nach dem Verformen Spannungen aufgrund der Elastizität der Drähte, welche ein Aufspringen der Wicklung nach der Entnahme aus der Prägeform verursachen und hierdurch das Einbringen in die Nuten erschweren.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass sich die einzelnen Spulenseiten der Wicklung mit hohem Füllfaktor ohne Schwierigkeiten in die Nuten des Stators einfügen lassen unter Vermeidung von Drahtkreuzungen und querschnittsverengenden Drahtquetschungen. Die Form des vorgeformten, geprägten Nutpaketes bleibt nach dem Herausnehmen aus der Prägeform weitgehend erhalten, so dass das Drahtpaket einer Spulenseite präzise in jeweils eine Nut eingebracht werden kann. Weiterhin wird bei dieser Art der Formgebung des Wicklungsstrangs auch die Isolation der einzelnen Wicklungsdrähte gering belastet und die Drahtisolation nicht beschädigt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass neben der getrennten Prägung der einzelnen Spulenseiten auch jeder Wicklungsstrang getrennt geprägt und einzeln in die Nuten des Stators eingebracht werden kann. Neben der Vereinfachung und Verbilligung des Prägewerkzeugs wird hierdurch das Einfügen der Wicklung in die Statornuten deutlich erleichtert, da die Wicklungsstränge mit geringen Fertigungstoleranzen einzeln in die Nuten des Stators eingebracht werden können.
Hinsichtlich der Gestaltung des Prägewerkzeuges ist es vorteilhaft, wenn die für jeweils eine Nut bestimmten Spulenseiten eines Wicklungsstrangs gemeinsam in einer nutartig gestalteten Schablone mit parallelen, seitlich verschiebbaren Flanken vorgeformt werden. Mit einer derartigen Schablone erhält man eine nach dem Prägen sehr gut an die Gestalt der Nuten angepasste Form der Spulenseiten, welche auch nur eine geringe Tendenz zur Aufweitung nach der Entnahme aus dem Prägewerkzeug besitzen. Durch parallele, seitlich verschiebbare Flanken an den Schablonen wird die Entnahme der geprägten Spulenseiten deutlich erleichtert und Verformungen beim Herausnehmen der Spulenseite aus dem Prägewerkzeug praktisch vollständig vermieden. Die Spulenseiten eines Wicklungsstrangs werden hierbei vorzugsweise gemeinsam durch einen Prägestempel in den Schablonen auf der gesamten Länge der Nut geprägt, während der ursprüngliche Drahtquerschnitt in den Bereichen außerhalb der Nut erhalten bleibt, sodass die Gestaltungsmöglichkeiten der Wickelköpfe der Wicklung unbeeinflusst bleiben.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Leiter der Spulenseiten beim Prägen der Wicklung übereinander angeordnet werden. Hierdurch wird das Prägen der Spulen besonders erleichtert, das Aufspringen der Spulenseiten nach der Entnahme aus der Prägeform minimiert und das Prägewerkzeug stark vereinfacht. Vorzugsweise sind die Drahtquerschnitte aller in der Wicklung verwendeten Drähte vor dem Prägen kreisförmig und gleich groß und die Breite der zum Prägen verwendeten Schablone etwas größer als der Drahtdurchmesser, jedoch kleiner als der doppelte Drahtdurchmesser. Hierdurch erreicht man, dass die Drähte einerseits leicht in die Schablone eingebracht werden können, andererseits jedoch Drahtkreuzungen und starke Verformungen der Drähte vermieden werden. Die Querschnittsfläche der Prägeschablone ist dabei zweckmäßigerweise kleiner als die in der Nut für die Spulenseite zur Verfügung stehende Querschnittsfläche, sodass elastische Rückverformungen der Spulenseite nach der Entnahme aus dem Prägewerkzeug das Einbringen der Wicklung in die Nut nicht behindert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wicklung,
2 einen Ausschnitt aus einem Werkzeug zum Prägen einer Spulenseite der Wicklung,
3 eine entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Prägen verformte Spulenseite der Wicklung,
4 einen Ausschnitt aus einem modifizierten Werkzeug zum Prägen einer Spulenseite der Wicklung und
5 einen Ausschnitt eines als Flachpaket ausgebildeten Stators mit einer eingefügten, durch Prägen vorgeformten Spulenseite der Wicklung der elektrischen Maschine.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein Längsschnitt durch eine elektrische Maschine in der Ausführung als Drehstrom-Synchrongenerator 10 für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist ein zweiteiliges metallisches Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten topfförmigen Lagerschild 13.1 und einem zweiten topfförmigen Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen Stator 16 auf mit einem kreisringförmigen Blechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 15 eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen elektromagnetisch erregten Rotor 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 20 besteht unter anderem aus zwei Klauenpolplatinen 22 und 23, an deren Außenumfang sich jeweils in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet sind. Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im Rotor 20 derart angeordnet, dass ihre Klauenpolfinger 24, 25 am Umfang des Rotors 20 einander als N- und S-Pole abwechseln. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Klauenpolzwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, welche wegen der sich zu ihrem freien Enden hin verjüngenden Klauenpolfinger 24 und 25 leicht schräg zur Maschinenachse verlaufen.
Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Seite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert.
Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen im Wesentlichen aus einem scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie auch durch die kühlluftdurchlässigen Wickelköpfe 45 auf der Antriebsseite und 46 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelköpfe gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe, beziehungsweise nach dem Umströmen dieser Wickelköpfe, einen Weg radial nach außen durch nicht dargestellte Öffnungen.
In 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe 49 ab, die eine ringspulenförmige, auf einem Polkern angeordnete Erregerwicklung 51 geregelt mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden 50 und in dieser Darstellung nicht gezeigte Plusdioden eines Gleichrichters 19 in Form einer Brückenschaltung miteinander verbindet.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Werkzeug 62 zum Prägen einer Spulenseite 64 der Statorwicklung 18. Das Werkzeug 62 insgesamt ist so gestaltet, dass alle Spulenseiten eines Stranges 66 der Wicklung 18 in einem Arbeitsgang geprägt werden können. In 2 ist hiervon ebenso wie in 4 nur eine einzige Schablone 68 zum Prägen einer Spulenseite 64 dargestellt. Das gemeinsame Prägen aller Spulenseiten 64 des Wicklungsstrangs 66 in einem Arbeitsgang in einem Werkzeug 62 hat den Vorteil, dass die Toleranzen bei der Formgebung eines oder mehrere Stränge 66 einer mehrphasigen Maschine minimiert werden können. Je höher hierbei die Strangzahl der elektrischen Maschine ist, desto vorteilhafter macht sich die präzise Prägung der einzelnen Spulenseiten 64 und der einzelnen Wicklungsstränge bemerkbar. Dies gilt beispielsweise für eine fünfsträngige Ausführung der Maschine, welche wegen ihrer geringen Geräuschentwicklung in der Ausführung als Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge besondere Vorteile aufweist und hinsichtlich des Einbringens von fünf Strängen in der Fertigung von dem erfindungsgemäßen Verfahren in besonderer Weise Gebrauch macht, wenn alle Spulenseiten 64 eines Wicklungsstrangs 66 gemeinsam durch einen symbolisch dargestellten Prägestempel 70 auf der gesamten Länge einer Nut 15 geprägt und vorgeformt werden.
Wie aus 2 ersichtlich sind alle Leiter, beziehungsweise Drähte 72 einer Spulenseite 64 in der Schablone 68 übereinander angeordnet und werden durch den Prägestempel 70 gemeinsam verformt. Bei der Ausführung gemäß 2 entspricht dabei die Breite B der Schablonen 68 im Wesentlichen dem Durchmesser D eines Leiters 72. Die ursprüngliche Höhe H der übereinander angeordneten Leiter 72 wird durch die als Pfeil 74 dargestellte Prägekraft auf die Höhe h nach dem Prägen reduziert, wobei der Füllfaktor der Nut deutlich erhöht wird, wie dies aus 3 ohne Weiteres ersichtlich ist. Die in den 2 und 3 dargestellte Gestaltung einer Spulenseite 64 mit sechs Leitern 72 wird dabei von einer Ausgangshöhe H auf eine Prägehöhe h reduziert, welche das 0,65- bis 0,95fache vorzugsweise das 0,75- bis 0,85fache der ursprünglichen Höhe H beträgt.
Die Querschnittsfläche der Schablone 68 ist kleiner als die später in der Nut 15 für die Spulenseite 64 zur Verfügung stehende Querschnittsfläche. Auf diese Weise erreicht man, dass die Spulenseite 64 trotz einer gewissen Aufweitung aufgrund elastischer Verformungsanteile beim Prägen problemlos in die Nut 15 eingebracht werden kann. Die Seitenwände 76 der Schablonen 68 des Werkzeugs 62 sind vorzugsweise beide in Richtung der Pfeile 78 verschiebbar, wodurch die Entnahme der Spulenseiten 64 und der Stränge 66 aus dem Werkzeug 62 deutlich erleichtert und durch Reibungskräfte bedingte Verformungen der Spulenseiten 64 beim Herausnehmen aus dem Werkzeug 62 vermieden werden. Die Seitenwände 76 der Schablone 68 verlaufen parallel, wodurch das Einbringen der Spulenseiten 64 in die Nuten 15 weiter vereinfacht wird. Die Höhe der einzelnen Leiter 72 nach dem Prägen ist unterschiedlich, wobei der Prägegrad der oberen, dem Prägestempel 70 benachbarten Leiter 72 stärker ist als die Verformung der unteren Leiter 72. Dies ist bedingt durch die Reibung der Drähte beim Prägen an den Seitenwänden 76 der Schablone 68.
Die durch das Prägen erzielte Erhöhung des Füllfaktors der Nuten 15 entspricht dem Grad der Verformung der Leiter 72 durch den Prägestempel 70. Hierbei wird durch das Prägen ein Nutfüllfaktor von etwa 60%–75% erreicht. Der Prägegrad wird durch die auftretenden Kräfte auf die Drähte 72 und die hierdurch bedingte Gefahr der Beschädigung der Drahtisolation 80 begrenzt. Durch zu hohe Prägekräfte könnten Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Leitern 72 auftreten.
4 zeigt einen Ausschnitt aus einem modifizierten Werkzeug 62 zum Prägen der Spulenseiten 64, wobei die Breite B der verwendeten Schablone 68 größer ist als der Drahtdurchmesser D der Leiter 72. Die größtmögliche Breite B der Schablone 68 ist begrenzt auf einen Wert, der kleiner ist als der doppelte Drahtdurchmesser 2D, um Kreuzungen der Drähte und hierdurch bedingte Beschädigungen der Leiter 72 oder ihrer Isolation 80 beim Prägen zu vermeiden. Andererseits erleichtert eine etwas vergrößerte Breite B der Schablone 68 den Prägevorgang, da die Reibungsverluste an den Seitenwänden 76 der Schablone 68 reduziert werden und der Prägegrad der vom Prägestempel 70 entfernten Leiter 72 vergrößert wird. Hierzu ist in 4 beispielhaft eine verbreiterte Schablone 68 für eine Spulenseite 64 mit sieben Leitern 72 dargestellt. Im Übrigen gelten hinsichtlich 4 die Ausführungen zu 2.
5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Blechpaket 17 eines zunächst als Flachpaket ausgebildeten Stators 16, in dessen Nuten 15 die mit einer Nutisolation 82 versehenen Spulenseiten 64 eingebracht werden. Zur Ausbildung des fertigen Stators 16 werden die Wicklungsstränge 66 mit den geprägten Spulenseiten 64 einzeln nacheinander in die Nuten 15 zwischen den Statorpolen 60 eingebracht und danach alle Wicklungsstränge gemeinsam mit dem Flachpaket 17 zu einem Stator 16 in Zylinderringform in bekannter Weise gebogen, der Stoß des Blechpaketes 17 verschweißt und die nicht dargestellten Wickelköpfe der Statorwicklung 18 geformt. Diese Arbeitsgänge sind grundsätzlich bekannt und beispielsweise in der eingangs zum Stand der Technik genannten WO 01/54 254 A1 beschrieben. Auf eine Wiederholung an dieser Stelle kann daher verzichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 01/54254 A1 [0001, 0022]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer vorzugsweise mehrphasigen Wicklung (18) für den Stator (16) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere eines Drehstromgenerators für Kraftfahrzeuge, deren Spulenseiten (64) vor dem Einbringen in die Nuten (15) des Statorpaketes (17) in einem Werkzeug (62) durch Prägen entsprechend der Nutgeometrie vorgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsstrang (66) mit den jeweils in einer Nut (15) liegenden Spulenseiten (64) getrennt geprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wicklungsstränge (64) getrennt geprägt und einzeln nacheinander in die Nuten (15) des Stators (16) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wicklungsstränge (66) gemeinsam mit einem zunächst als Flachpaket ausgeführten Statorpaket (17) in eine Zylinderringform gebogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für jeweils eine Nut (15) bestimmte Spulenseite (64) eines Wicklungsstrangs (66) in einer nutartig gestalteten Schablone (68) mit wenigstens einer seitlich verschiebbaren Flanke (76) vorgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenseiten (64) eines Wicklungsstrangs (66) gemeinsam durch einen Prägestempel (79) auf der gesamten Länge der Nut (15) geprägt und vorgeformt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leiter (72) einer Spulenseite (64) beim Prägen übereinander angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtquerschnitt (D) aller in der Wicklung (18) verwendeten Leiter (72) vor dem Prägen kreisförmig und gleich groß ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der zum Prägen verwendeten Schablone (68) größer ist als der Drahtdurchmesser (D) der Leiter (72).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der zum Prägen verwendeten Schablone (68) kleiner ist als der doppelte Drahtdurchmesser (2D) der Leiter (72).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der einzelnen Drahtquerschnitte (72) beim Prägen mit zunehmendem Abstand vom Prägestempel (70) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Prägeschablone (68) kleiner ist als die in der Nut (15) für die Spulenseite (64) zur Verfügung stehende Querschnittsfläche.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass fünf bis neun Drahtabschnitte (72), vorzugsweise sechs bis acht Drahtabschnitte, einer Spulenseite (64) beim Prägen in einer Schablone (68) übereinander gelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabschnitte (72) einer Spulenseite (64) beim Prägen in der Schablone (68) auf das 0,65- bis 0,95fache, vorzugsweise auf das 0,75- bis 0,85fache ihrer Ursprungshöhe (H) bleibend verformt (h) werden.