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EP-3642934-B1 - DEVICE AND METHOD FOR JOINING ELECTRICAL CONDUCTORS IN A MACHINE ELEMENT OF AN ELECTRIC MACHINE

EP3642934B1EP 3642934 B1EP3642934 B1EP 3642934B1EP-3642934-B1

Inventors

  • Dreher, Clemens
  • METZGER, MANFRED

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20180620

Claims (12)

  1. Device for joining electrical conductors in a machine element of an electric machine, comprising: a collection receptacle (80) for providing a ring assembly (20) consisting of one or more rings that are formed of electrically conductive wire pieces (2); a joining device (90) for removal of the ring assembly (20) from the collection receptacle (80) and for insertion of the ring assembly (20) into the machine element (37), wherein the joining device (90) comprises a gripping element (65, 67) for engaging the ring assembly (20) on its outer side, characterized in that the joining device (90) comprises a first gripping element (65) and a second gripping element (67) for engaging the ring assembly (20) on its outer side, wherein the gripping elements (65, 67) are movable independently of one another in the axial direction relative to the collection receptacle (80).
  2. Device according to claim 1, characterized in that 2.1 the gripping elements (65, 67) are of annular design and/or 2.2 the gripping elements (65, 67) are arranged vertically one on top of the other and are designed as an upper gripping element (65) or lower gripping element (67) and/or 2.3 the gripping elements (65, 67) are designed as gripping rings with radially movable finger elements (69) for opening and closing.
  3. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the joining device (90) 3.1 comprises an axially movable counterholder (70) for positioning on the inner side of the ring assembly (20) and/or 3.2 is also designed for removing the individual rings from a pre-pinning nest and for inserting the individual rings into the collection receptacle (80).
  4. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the joining device (90) comprises a first retaining element (75) and a second retaining element (77), wherein 4.1 the retaining elements (75, 77) are movable independently of one another in the axial direction and/or 4.2 the retaining elements (75, 77) are each designed as an annular piston and/or 4.3 the retaining elements (75, 77) are arranged vertically one on top of the other and function as a counterholder for an upper gripping element (65) and a lower gripping element (67) and/or 4.4 the retaining elements (75, 77) have a groove (75a, 77a) for receiving parts of a gripping element (65, 67) and/or 4.5 one of the retaining elements (77) is fixed to a frame (50) which holds the joining device (90) and/or 4.6 at least one of the retaining elements (75) is axially moved by a gripping element (65) through a positive connection with this.
  5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the collection receptacle (80) includes a nest region (81) for receiving the wire pieces (2) and a counterholder (82) for positioning the wire pieces (2) on its outer side.
  6. Device according to claim 5, characterized in that the counterholder (82) 6.1 is designed as an annular piston and/or is axially movable relative to the nest region (81) and/or 6.2 includes a groove (82a) for receiving parts of a gripping element (65, 67) and/or 6.3 is carried along in the axial direction by the gripping element (65, 67) when a closed gripping element is moved and/or 6.4 is pre-loaded relative to the nest region (81) and/or 6.5 is arranged below the nest region (81).
  7. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the joining device (90) comprises a pressure element (45) for pressing the wire pieces (2) into the machine element (37), wherein the pressure element (45) 7.1 is axially movable and/or 7.2 is designed in a bell shape.
  8. Method for joining electrical conductors in a machine element of an electric machine, comprising the steps of: providing a ring assembly (20) consisting of one or more rings formed from joined, electrically conductive wire pieces (2) in a collection receptacle (80); removing the ring assembly (20) from the collection receptacle (80) using a gripping element (65, 67); inserting the ring assembly (20) into the machine element (37), characterized in that the ring assembly (20) is removed from the collection receptacle (80) by opening, closing and axially displacing at least two independently movable gripping elements (65, 67) relative to the collection receptacle (80).
  9. Method according to claim 8, characterized in that , multiple rings are assembled in the collection receptacle (80) to form the ring assembly (20), and the rings are removed together from the collection receptacle (80) and inserted together into the machine component (37).
  10. Method according to any one of claims 8 or 9, characterized in that 10.1 for gripping the ring assembly (20), the axially movable gripping elements (65, 67) cooperate with retaining elements (75, 77) axially movable relative to one another and/or 10.2 for gripping the ring assembly (20), at least one of the gripping elements (67) or a third gripping element cooperates with an axially movable counterholder (82) of the collection receptacle (80) and/or 10.3 for the removal of the ring assembly (20), a gripping element (67) initially grips the ring assembly (20) at a first axial position and partially moves it out of the collection receptacle (80) by means of axial movement and thereafter another gripping element (65) grips the ring assembly (20) at a second axial position to move the ring assembly (20) completely out of the collection receptacle (80) by means of axial movement and/or 10.4 for inserting the ring assembly (20) into the machine element (37), a first gripping element (65) is axially moved in the direction of the machine element (37) while a second gripping element (67) remains at its axial position and/or 10.5 for inserting the ring assembly (20) into the machine element (37), a pressure element (45) is axially moved in the direction of the machine element (37) and/or 10.6 for inserting the ring assembly (20) into the machine element (37), a pressure element (45) is moved past the opened gripping elements (65, 67) to completely insert the wire pieces (2) into the machine element (37) and/or 10.7 the rings (20a) are removed individually and one after the other from one or more pre-pinning nests and are supplied one after the other to collection receptacle (80) before they are removed from the collection receptacle (80) together and inserted into the machine element (37) and/or 10.8 the steps according to 11.7 are performed using the same joining device as in the removal of the ring assembly (20) from the collection receptacle (80) and insertion of the ring assembly (20) into a machine element (37).
  11. Method according to any one of claims 8 to 10, characterized by one or more of the following steps: 11.1 positioning and closing a lower gripping element (67) below the collection receptacle (80); 11.2 moving the lower gripping element (67) axially downward for axially aligning the wire pieces; 11.3 further closing the lower gripping element (67) to grip the wire pieces (2) with a force-fit; 11.4 moving the lower gripping element (67) axially upward and carrying the wire pieces (2) along; 11.5 closing an upper gripping element (65) for gripping the wire pieces (2) above the collection receptacle (80); 11.6 opening the lower gripping element (67) and moving to a position between the collection receptacle (80) and the upper gripping element (65); 11.7 closing the lower gripping element (67); 11.8 moving the upper gripping element (65) axially upward and carrying the wire pieces (2) from the collection receptacle (80) along; 11.9 positioning the joining device (90) above the machine element (37); 11.10 moving the upper gripping element (65) axially downward to partially insert the wire pieces (2) into the machine element (37); 11.11 moving the pressure element (45) axially downward together with the upper gripping element (65); 11.12 opening the upper and the lower gripping elements (65, 67) and further moving the pressure element (45) axially downward to completely insert the wire pieces (2) into the machine element (37).
  12. Use of a device according to any one of claims 1 to 7 for carrying out a method according to any one of claims 8 to 11.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen elektrischer Leiter in ein Maschinenelement einer elektrischen Maschine Unter elektrischen Maschinen werden insbesondere Maschinen zum Umwandeln elektrischer Energie in Bewegungsenergie und Maschinen zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie verstanden. Insbesondere sind darunter Elektromotoren und Generatoren zu verstehen. Maschinenelemente derartiger elektrischer Maschinen sind beispielsweise Statoren oder Rotoren. Diese weisen elektrisch leitende Wicklungen bzw. Windungen auf, die eine Spulenwicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds bilden. Zum Beispiel bestehen Elektromotoren aus einem rotierenden Rotor und einem unbewegten Stator. Sowohl der Rotor als auch der Stator weisen eine Vielzahl von zueinander isolierten elektrischen Leitungen auf, welche die Wicklungen bzw. Windungen bilden, in denen bei Stromfluss das zur Bewegung des Elektromotors nötige magnetische Feld erzeugt wird. Bei der Herstellung von Statoren für Elektromotoren müssen somit eine Vielzahl von parallel zueinander laufenden Leitungen auf engstem Raum mit hoher geometrischer Genauigkeit zueinander ausgerichtet werden. Somit sind Herstellungsverfahren für Statoren kompliziert und kostenaufwändig. Gleiches gilt für Rotoren von Elektromotoren. Im Folgenden sind die Aussagen für Statoren auch sinngemäß für Rotoren zutreffend. Eine effiziente Herstellungsweise für Statoren ist die Verwendung von sogenannten Hairpins zur Bildung der Wicklungen. Dabei werden die Wicklungen aus einer Vielzahl von Drahtstücken gebildet, deren Enden miteinander verbunden werden. Derartige Drahtstücke werden oftmals und auch im Folgenden als Pins oder Hairpins bezeichnet. Der Draht, aus dem die Pins bzw. Hairpins geformt werden, kann insbesondere einen rechteckigen Querschnitt haben, als Flach-, Vierkant oder Profildraht ausgestattet sein, oder zum Beispiel als Flachbandstahl oder ähnliches vorliegen. Fügevorrichtungen mit einem Greifelement zum Greifen und Halten einer Ringanordnung von Hairpins beim Überführen oder Fügen in Maschinenelemente von elektrischen Maschinen sind aus der GB 2 290 040 A, GB 644 761 A und der US 2006/0230607 A1 bekannt. Zum Beispiel offenbaren die GB 2 290 040 A und die GB 644 761 A Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements einer elektrischen Maschine mittels Einfügens von Hairpins in ein Gehäuse des Maschinenelements. In der GB 644 761 A wird hierzu ein Kranz von Hairpins gebildet und in einen Kern eines Rotors eingefügt. Hierzu ist eine Sammelaufnahme zum manuellen Bilden der Kranzanordnung an einem beweglichen unteren Träger angeordnet, während an einem stationären oberen Träger ein Greifelement mit radial beweglichen Fingern angeordnet ist, die an der Außenseite der Kranzanordnung angreifen und die Drahtstücke der Kranzanordnung zwischen sich reibschlüssig aufnehmen und greifen können. Somit sind aus der GB 644 761 A eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs bekannt. Beispielsweise dient ein Statorelement mit einer Vielzahl von Nuten zur Aufnahme der Pins oder Hairpins. Diese werden an ihren Enden elektrisch miteinander verbunden, um auf diese Weise ein mit Wicklungen versehenes Maschinenelement in Form eines Stators zu bilden. Die Kontaktierung entsteht zumeist durch Verschweißen der Pins an ihren Enden. Um bei der Herstellung von Statoren oder Rotoren eine Vielzahl von Pins möglichst dicht gepackt zusammenzustecken, sind diese oftmals in ihrem Dachbereich in einer Richtung gebogen, die senkrecht zur Ebene des Pins verläuft. Die Pins oder Hairpins können verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise gibt es U-förmige Hairpins mit zwei parallel zueinander verlaufende Schenkeln und einem Mittelstück, das eine Dachform hat, die auch als Hausdachform bezeichnet wird. Die Pins oder Hairpins können auch bogenförmig sein oder als sogenannte I-Pins ausgebildet sein, das heißt mit einem einzigen geraden Schenkel. Nachfolgend wird der Begriff "Pin" allgemein für verschiedenartig ausgebildete Drahtstücke oder Hairpins verwendet, die zur Bildung von Statoren, Rotoren und ähnlichen Maschinenelementen geeignet sind. Um beispielsweise einen Stator unter Verwendung von Pins als elektrische Leiter herzustellen, werden die verschiedenen Pins oftmals so im Stator verbaut, dass sie einen oder mehrere ringförmige Kränze bilden. An ihren Enden bzw. an den Enden ihrer Schenkel werden die einzelnen Pins elektrisch miteinander verbunden und bilden auf diese Weise eine dicht gepackte Spulenwicklung in der Form eines oder mehrerer Kränze. Die Verbindung der Enden der Pins erfolgt üblicherweise durch Schweißen. Um die Phasen des Stators an eine Leistungselektronik anzuschließen, wird beispielsweise ein Element zur entsprechenden Verschaltung elektrisch an die Kranzanordnung angeschlossen. Beim Einfügen der Pins in ein Maschinenelement, wie zum Beispiel Stator oder Rotor, werden j