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1. WO2020193425 - POSITIONIERVORRICHTUNG FÜR KUPFERSTÄBE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Positioniervorrichtung für Kupferstäbe

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zur umfänglichen und radialen Positionierung um eine Mittelachse M einer Mehrzahl an Endabschnitten von Kupferstäben, wobei die Kupferstäbe im Wesentlichen U-förmig mit einem ersten Schenkelabschnitt, einem zweiten Schenkelabschnitt und einem beide Schenkelabschnitte verbindenden Querabschnitt ausgeformt sind und die beiden Schenkelabschnitte mit den Endabschnitten enden.

Bei der Herstellung von elektrischen Maschinen, beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren, geht es darum, den Montageprozess zu vereinfachen und gleichzeitig die Qualitätsparameter wäh rend des Montageprozesses zu verbessern. Hierbei ist zwischen in Wicklungs-Technologie herge stellten oder in Hair-Pin-Technologie hergestellten Statorelementen bzw. Rotorelementen zu un terscheiden. Die Hair-Pin-Technologie bietet die Möglichkeit die Leistungsdichte von Elektromoto ren, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen sollen, zu erhöhen. Bei der Hair-Pin-Technologie werden speziell gebogene Kupferstäbe, die wegen ihrer Form auch als Hair-Pins bezeichnet wer den, in axial verlaufende und innenumfänglich oder außenumfänglich angeordnete Aufnahmenu ten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt.

Im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff Kupferstab verwendet und auf den englischen Begriff Hair-Pin verzichtet. Ein Kupferstab im Sinne dieser Beschreibung ist bevorzugt U-förmig gebogen, so dass er zwei im Wesentlichen parallele Schenkelabschnitte aufweist, die von einem Querabschnitt miteinander verbunden werden. Die Länge dieses Querabschnittes bestimmt die sogenannte Spannweite des Kupferstabes, die demnach den Abstand der beiden Schenkelab schnitte zueinander angibt. Die beiden Schenkelabschnitte sind im montierten Zustand der Kup ferstäbe in die Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements eingeführt.

Die beschriebene Biegung beziehungsweise Form des Kupferstabes bedingt, dass in einer Axial ansicht betrachtet die beiden Schenkelabschnitte parallel zu der Mittelachse M in den Aufnahme nuten einsitzen, allerdings auf zwei unterschiedlichen Durchmessern bezogen auf die Mittelachse M. Diese zwei unterschiedlichen Durchmesser, auf denen Kupferstäbe in den Aufnahmenuten des Statorelements bzw. Rotorelements gesteckt sind, werden als sogenanntes„Level“ bezeichnet.

Strukturell betrachtet kann der Montageprozess unterteilt werden in

1. eine Vorpositionierung, bei der es zunächst gilt, die einzelnen Kupferstäbe sowohl relativ zu einander als auch insgesamt umfänglich anzuordnen. Hierbei haben die Kupferstäbe nach er folgter Vorpositionierung noch nicht eine überlappende Position zueinander, die sie später in dem Statorelement bzw. Rotorelement haben müssen;

2. eine Positionierung mittels einer Positioniervorrichtung, der die Kupferstäbe in der vorpositio nierten Anordnung übergeben werden und über die die Kupferstäbe in die überlappende Po sition gebracht werden und

3. den eigentlichen Montagevorgang, in dem die Kupferstäbe mittels einer weiteren Montagevor richtung in das zu bestückende Statorelement bzw. Rotorelement eingeführt werden.

Im eingeführten Zustand stehen die jeweiligen Querabschnitte der Kupferstäbe zu der einen Seite aus dem Statorelement bzw. Rotorelement heraus und die freien Endabschnitte zu der anderen Seite aus dem Statorelement bzw. Rotorelement heraus. Im Anschluss an das Einführen der Kup ferstäbe in das Statorelement bzw. Rotorelement und einem hierauf folgenden Biegevorgang an den freien Endabschnitten, ist es erforderlich die freien Endabschnitte unterschiedlicher Kupfer stäbe in geeigneter Weise paarweise miteinander zu verbinden, so dass sich durch die Gesamt heit der miteinander verbundenen Kupferstäbe ein oder mehrere durchgängige, wicklungsähnli che Drahtverläufe in dem Statorelement bzw. Rotorelement ergeben.

Ein„Level“ entsteht nun dadurch, dass die freien Endabschnitte der Kupferstäbe auf dem äuße ren Durchmesser mit den freien Endabschnitten der Kupferstäbe auf dem zweiten, inneren Durch messer verbunden werden. In Konfigurationen, in denen ein zweiter„Level“ in den Aufnahmenu ten eines Statorelements bzw. Rotorelements einsitzt, sind die Kupferstäbe folglich auf einem drit ten und einem vierten Durchmesser gesteckt. Die Level sind in der Regel mit einem gewissen ra dialen Abstand konzentrisch zueinander angeordnet.

Das Verbinden der freien Endabschnitte der Kupferabschnitte erfolgt gemeinhin durch einen Fü geprozess, beispielsweise Löten oder Schweißen, insbesondere Laserschweißen. Für das Fügen der Endabschnitte miteinander ist es erforderlich, dass die paarweise zu verbindenden Endab schnitte möglichst spaltfrei zueinander angeordnet werden. Hierfür sind Positioniervorrichtungen bekannt, wie beispielsweise eine in der EP 2 684 283 Al beschrieben wird. Bei dieser vorbeschrie benen Vorrichtung kann es als nachteilig erachtet werden, dass die Krafteinwirkung auf die zu fü genden Endabschnitte sowohl im geraden Ende als auch im geneigten Bereich davor, welche durch den zuvor durchgeführten Biegevorgang entstanden ist, erfolgt. Insbesondere ist eine Krafteinwirkung in dem geneigten Bereich unerwünscht, da in dem geneigten Bereich hierdurch eine Beschädigung des aufgebrachten Isolierlacks erfolgen kann. Im Unterschied dazu ist in den freien Endbereichen der Kupferstäbe prinzipbedingt kein Isolierlack aufgetragen bzw. ein solcher wurde entfernt, so dass eine dort erfolgende Krafteinwirkung auch keine Beschädigungen hervor-rufen kann. Zu nennen ist hier auch noch die US 6990724 B2.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung be reitzustellen, durch die eine Krafteinwirkung auf die Endbereiche der Kupferstäbe ohne die Gefahr einer Beschädigung der Isolierung erfolgen kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Positioniervorrichtung zur umfänglichen und radialen Positio nierung einer Mehrzahl an Endabschnitten von Kupferstäben in einem Statorelement oder Rotor element um eine Mittelachse M des Statorelements oder Rotorelements, wobei die Kupferstäbe im Wesentlichen U-förmig mit einem ersten Schenkelabschnitt, einem zweiten Schenkelabschnitt und einem beide Schenkelabschnitte verbindenden Querabschnitt ausgeformt sind und die beiden Schenkelabschnitte mit den Endabschnitten enden, mit einer Mehrzahl an Ausrichtschieberele menten und einer Mehrzahl an Radialspannelementen, wobei die Endabschnitte jeweils paarwei se über das Ausrichtschieberelement umfänglich bezogen auf die Mittelachse M positionierbar sind und über das Radialspannelement radial bezogen auf die Mittelachse M positionierbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung werden alle Endabschnitte der Kupferstäbe ak tiv und gleichzeitig in ihre bestimmungsgemäße Position gebracht und in dieser gehalten. Hier durch ist gewährleistet, dass die Endabschnitte auf einen jeweiligen Flächenkontakt ohne lichten Spalt zusammengedrückt werden, so dass bei einer Laserschweißung die Gefahr eines„Durch schießens“ des Laserstrahls zwischen den beiden Endabschnitten eines Paares wirkungsvoll ver ringert oder gar vermieden wird. Ein„Durchschießen“ kann nämlich eine irreparable Schädigung des Bauteils zur Folge haben. Zudem ist durch den Flächenkontakt zwischen den Endbereichen ei ne gleichmäßige Wärmeverteilung eindeutig begünstigt, so dass keine lokalen Hitzenester entste hen können. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass sowohl die Ausrichtschieberelemente als auch die Radialspannelemente ringförmig und gleichmäßig verteilt um die Mittelachse M angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist derart getroffen, dass die Ausschieberelemente sich in Umfangsrichtung mittelbar über die dazwischen befindlichen Endabschnitte der Kupferstä be abstützen und damit stabilisieren.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Mehrzahl an Übertragungsele menten vorgesehen ist, die entlang einer bezüglich der Mittelachse M radialen Richtung zwischen zwei paarweise angeordneten Endabschnitten positionierbar sind, um eine kinematische Wirkver bindung in der radialen Richtung zwischen den zwei paarweise angeordneten Endabschnitten her zustellen. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn die Kupferstäbe in dem Statorelement oder Rotorelement in einem ersten Level und einem zweiten Level angeordnet sind. Hierbei ist der Anordnung derart getroffen, dass die paarweise angeordneten Endbereiche der Kupferstäbe des ersten Levels radial versetzt zu den paarweise angeordneten Endbereiche der Kupferstäbe des zweiten Levels stehen, so dass die Mehrzahl an Übertragungselementen den radialen Abstand zwi schen den beiden Leveln überbrücken, so dass es ausreichend ist die Endschnitte der Kupferstä- be des radial äußeren Levels mit den Radialspannelementen zu beaufschlagen und hierüber auch mittelbar die Endabschnitte der Kupferstäbe des radial inneren Levels in Position zu drücken.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Übertragungselemente zwischen einer in Richtung der Mittelachse M angehobenen Position und einer abgesenkten Position beweg lich sind, wobei die Übertragungselemente in der abgesenkten Position in radialer Richtung schwimmend zwischen den zwei paarweise angeordneten Endabschnitte einsitzen. Hierdurch sind die Übertragungselemente in erster Linie nur passive Elemente. Durch die schwimmende Anord nung ist auch gewährleistet, dass die Übertragungselemente beim Absenken von der angehobe nen Position in die abgesenkte Position sauber in die radiale Lücke zwischen die Endabschnitte der Kupferstäbe der beiden Level findet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein innerer Radialanschlag vorgese hen ist, als Gegenlagerung für die durch das Radialspannelement eingebrachte Beaufschlagung. Durch den Anschlag bzw. die Gegenlagerung ist gewährleistet, dass sich die Endbereiche der Kup ferstäbe nicht während des Andrückens verbiegen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Schutzabdeckung vorgesehen ist, zum zumindest überwiegenden Abdecken der Positioniervorrichtung. Hierdurch werden die Bauteile an sich und die Teile der Positioniereinheit vor Verunreinigungen geschützt, beispielswei se Schweißspritzer beim Laserschweißen. Zweckmäßigerweise weist die Schutzabdeckung um fänglich angeordnete Durchbrüche auf, zum Durchtritt der Endabschnitt der Schenkelabschnitt.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsfor men der Erfindung. Hierin zeigen

Figur la) eine Darstellung eines einzelnen Kupferstabes;

Figur lb) Statorelement bzw. Rotorelement mit Kupferstäben;

Figur 2 eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung in einer Draufsicht;

Figur 3 eine Detaillierung einer Positioniervorrichtung;

Figuren 4a) bis 4d) und Figur 5 eine Abfolge eines Spannvorgangs der Endabschnitte mit ei ner Positioniervorrichtung und

Figur 6 eine weitere Detaillierung einer Positioniervorrichtung.

Die Figur la) zeigt zunächst einen einzelnen Kupferstab 2, der im Wesentlichen U-förmig mit ei nem ersten Schenkelabschnitt 4i, einem zweiten Schenkelabschnitt 42 und einem beide Schen kelabschnitte 4i, 42 verbindenden Querabschnitt 8 ausgeformt ist. Das vorliegend unten darge stellte Ende jedes Schenkelabschnitts 4i, 42 kann als Endabschnitt 6i, 62 bezeichnet werden, der im Gegensatz zu dem übrigen und nach oben weiterführenden Schenkelabschnitt 4i, 42 keine Iso lation, beispielsweise durch einen Isolationslack, des Kupfermaterials aufweist.

Die Figur lb) zeigt ein Statorelement bzw. Rotorelement 1, das umfänglich mit einer Mehrzahl an Kupferstäben 2 bestückt ist, welche in nicht näher dargestellten Nuten des Statorelement bzw. Ro torelement 2 einsitzen. Die Kupferstäbe 2 sitzen derart im dem Statorelement bzw. Rotorelement 1 ein, dass sie zur einen axialen Seite mit den Querabschnitten 8 und zur anderen axialen Seite mit den Endabschnitten 6i, 62 über die jeweilige Stirnfläche hinausragen. Mit M ist eine Mittelachse bezeichnet, die im späteren Betrieb des Statorelement bzw. Rotorelements 1 mit der Rotations achse gleichzusetzen ist.

Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 10, in der ein mit Kupferstäben 2 bestücktes Statorelement bzw. Rotorelement 1 aufgenommen ist, welches im Inneren der Vorrich tung zu erkennen ist. Das Statorelement bzw. Rotorelement 1 ist bezüglich der Positioniervorrich tung 10 derart angeordnet, dass die aus dem Statorelement bzw. Rotorelement 1 herausragen den Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 von der Positioniervorrichtung aufgenommen sind. Vorliegend umfasst das Statorelement bzw. Rotorelement 1 zwei Level, so dass die Endabschnit te 6i, 62 der Kupferstäbe 2 in zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind, die unter einem ge wissen radialen Abstand liegen. Auf jedem der konzentrischen Kreise sind umfänglich verteilt paar weise die Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 eines Levels angeordnet, wobei es jedes Paar Endabschnitte 6i, 62 in einem nachfolgenden Arbeitsschritt miteinander zu verschweißen gilt. Zu vor werden die Endabschnitte 6i, 62 jedes Paars über die Positioniervorrichtung 10 weitestgehend, bevorzugt vollständig, spaltfrei einander angenähert, um einerseits hierbei eine definierte endgülti ge Positionierung zu erfahren und andererseits das Risiko eines Durchschusses zwischen den bei den Endabschnitte 6i, 62 während des Schweißens zumindest weitestgehend zu vermeiden.

Die Figur 3 zeigt eine Detaillierung einer Positioniervorrichtung 10 und zwar einen umfänglichen Ausschnitt der Elemente, über die die Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 aufgenommen und beaufschlagt werden. Die Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 sind in der Figur 4 nicht darge stellt. Eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 10 umfasst zunächst eine Mehrzahl an Aus richtschieberelementen 12i, 122. . .12n und eine Mehrzahl an Radialspannelementen 14i,

142. . .14n. Über eine derartige Ausgestaltung mit Mehrzahl an Ausrichtschieberelementen 12i,

122. . .12n und eine Mehrzahl an Radialspannelementen 14i, 142. . .14n ist in vorteilhafter Weise möglich die Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 eine Levels spaltfrei zu positionieren. Hierbei können sowohl die Ausrichtschieberelemente 12i, 122. . .12n als auch die Radialspannelemente 14i, 142. . .14n von radial außen nach radial innen zugestellt werden, wobei hierzu zweckmäßige Antriebsmittel vorgesehen sein können, diese aber nicht explizit beschrieben werden. Eine bevor- zugte und insbesondere für Statorelemente bzw. Rotorelemente 1 mit zwei Level geeignete Aus gestaltung der Positioniervorrichtung 10 zeigt die Figur 3, bei der die Endabschnitte 6i, 62 der Kup ferstäbe 2 auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind. Hier sind die Endabschnitte 6i, 62 auf dem inneren Kreis in Aufnahmetaschen 16i, 162. . .16n angeordnet und die Endabschnitte 6i, 62 auf dem äußeren Kreis in Aufnahmetaschen 18i, 182. . .18n angeordnet. Zwischen den beiden kreisförmig angeordneten Endabschnitten 6i, 62 sind eine Mehrzahl an Übertragungselementen 20i, 202. . .20n angeordnet, die dazu ausgebildet sind eine kinematische Wirkverbindung in radia ler Richtung zwischen den beiden kreisförmig angeordneten Endabschnitten 6i, 62 herzustellen. Hierbei ist unter Wirkverbindung eine Übertragung der durch die Radialspannelementen 14

142. . .14n auf die äußeren Endabschnitte 6i, 62 auf die inneren Endabschnitte 6i, 62 ausgeübte Spannkraft zu verstehen. Weiterhin ist innerhalb der inneren Endabschnitte 6i, 62 ein ringförmiger Radialanschlag 22 vorgesehen, als Gegenlagerung für die durch das Radialspannelement 14i,

142. . .14n eingebrachte Beaufschlagung.

Die Abfolge der Figuren 4a) bis 4d) zeigt den Spannvorgang der Endabschnitte 6i, 62 der Kupfer stäbe 2 mit der Positioniervorrichtung 10 vor den paarweise Verschweißen der entsprechenden Endabschnitte 6i, 62 miteinander. Mehrfach vorkommende Elemente sind der Übersicht halber le diglich einfach ohne indizierte Bezugszeichen benannt. Zunächst ist in der Figur 4a) dargestellt, wie die Positioniervorrichtung 10 auf das Statorelement bzw. Rotorelement 1 aufgesetzt ist und die Ausrichtschieberelemente 12i, 122. . .12n, die Radialspannelemente 14i, 142. . .14n und die Über tragungselemente 20i, 202. . .20n sich ihrer jeweiligen nicht zugestellten Position befinden. Der Ra dialanschlag 22 ist vorliegend noch nicht montiert. Bezüglich der Übertragungselemente 20i,

202. . .20n kann auch von einer angehobenen Position gesprochen werden.

In der Figur 4b) ist der Zustand dargestellt, in dem die Ausrichtschieberelemente 12i, 122. . .12n radial nach innen zugestellt wurden und in den umfänglichen Zwischenräumen der Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 diese jeweils kontaktieren und in eine definierte Umfangsposition beauf schlagen. In der Figur 4c) ist der Zustand dargestellt, in dem zusätzlich der Radialanschlag 22 zen trisch innerhalb der inneren Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 montiert beziehungsweise po sitioniert wurde. Infolge des positionierten Radialanschlags 22 ist das Statorelement bzw. Rotor element 1 abgedeckt und nicht ersichtlich. Über den Radialanschlag 22 stützen sich bei Beauf schlagung die inneren Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 ab, wie nachfolgend noch beschrie ben wird. In der Figur 4d) ist der Zustand dargestellt, in dem die Übertragungselemente 20i,

202. . .20n von der angehobenen Position in die abgesenkte Position überführt wurden. In dieser abgesenkten Position befinden sich die Übertragungselemente 20i, 202. . .20n in der radialen

Lücke zwischen den Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 der beiden Level, das heißt zwischen dem äußeren und dem inneren konzentrischen Kreis.

In der Figur 5 ist schließlich der Zustand dargestellt, in dem die Radialspannelemente 14 142. . .14n nach radial innen zugestellt wurden und hierüber die äußeren Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe nach radial innen beaufschlagt werden. Diese radial nach innen gerichtete Beauf schlagung übertragt sich über die zwischengeschalteten Übertragungselemente 20i, 202. . .20n auf die inneren Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe, wobei diese ihren Halt an dem Radialanschlag 22 finden. So gesehen legt die radiale Position des Radialanschlages 22 einen Referenzinnen durchmesser für die Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 fest. Über die Positioniervorrichtung 10 und das soeben beschriebene radiale Spannen der Endabschnitte 6i, 62 werden diese jeweils entlang eines Radius spaltfrei in radialer Richtung zusammengedrückt. Hiernach kann ein Ver schweißen der jeweiligen Endabschnitte 6i, 62 miteinander erfolgen, wobei hierbei die spaltfreie Anordnung von Vorteil ist, da Durchschüsse mit beispielsweise dem Schweißlaser praktisch ver mieden werden.

Die Figur 6 zeigt eine Schutzabdeckung 24, die nach dem Spannen der Endabschnitte 6i, 62 der Kupferstäbe 2 zur Abdeckung der Positioniervorrichtung 10 und deren Elemente positioniert wer den. Hiernach kann der Schweißvorgang durchgeführt werden, so dass Schweißspritzer und sons tige Verunreinigungen nicht in das Innere der Positioniervorrichtung 10 gelangen können. Die Schutzabdeckung 24 weist Durchbrüche 26 zum Durchtritt der Endabschnitte 6i, 62 auf.

Bezugszeichenliste

1 Statorelement bzw. Rotorelement

2 Kupferstab

4 Schenkelabschnitt

6 Endabschnitt

8 Querabschnitt

10 Positioniervorrichtung

12 Ausrichtschieberelement 14 Radialspannelement

16 Aufnahmetasche

18 Aufnahmetasche

20 Übertragungselement

22 Radialanschlag

24 Schutzabdeckung

26 Durchbruch

M Mittelachse