DE102008064579B4

DE102008064579B4 - Verfahren und Trägerzylinder zur Herstellung einer elektrischen Wicklung

Info

Publication number: DE102008064579B4
Application number: DE102008064579A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hammer; Martin Mairinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2028-12-23
Also published as: EP2361434A1; WO2010072518A1; DE102008064579A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Wicklung (3), dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) zumindest teilweise ein Gemisch mit elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen und einer nachfolgenden Isolationsschicht (5a, 5b) derart aufgetragen wird, dass die so gebildete Schicht mit Kohlenstoffnanoröhrchen als elektrische Wicklung (3) und die Isolationsschicht (5a, 5b) zur elektrischen Isolation der so gebildeten Wicklung (3) dient, wobei der Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) spiralförmig ausgebildete Nuten (2) aufweist, in die das Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen aufgetragen und nachfolgend die Isolationsschicht (5a, 5b) aufbracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Trägerzylinder zur Herstellung einer elektrischen Wicklung.
Herkömmlicherweise werden elektrische Wicklungen im Rahmen eines aufwändigen Herstellungsprozesses mit unterschiedlichsten Arbeitsschritten hergestellt. Hierbei wird auf einem entsprechenden Ausgangskörper manuell ein Wicklungsdraht aufgewickelt, wobei während des Aufwicklungsprozesses sichergestellt sein muss, dass eine elektrische Isolation den Wicklungsdraht auf der gesamten Länge vollständig umschließt. Die elektrische Isolation kann entweder mittels einer Lackschicht oder anderer Isolationsschichten unmittelbar auf den Wicklungsdraht aufgetragen und anschließend mitverwickelt werden. Alternativ muss eine Isolationsschicht während des Wicklungsvorgangs zwischen die einzelnen Lagen des Wicklungsdrahts eingefügt werden. Diese Abläufe während der Herstellung sind aufgrund der manuellen Tätigkeiten sehr arbeits- und zeitintensiv. Als Stand der Technik ist WO 2009/039872 A1 zu nennen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und einen Trägerzylinder bereitzustellen, der eine schnelle und einfache Herstellung einer elektrischen Wicklung gewährleistet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird ebenfalls durch einen Trägerzylinder gemäß den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf einen Trägerzylinder zumindest teilweise ein Gemisch mit elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchchen und einer nachfolgenden Isolationsschicht derart aufgetragen wird, dass die so gebildete Schicht mit Kohlenstoffnanoröhrchen als elektrische Wicklung und die Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der so gebildeten Wicklung dient. Es sind Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. Carbon Nano Tubes – CNT) bekannt, die zum einen eine erhöhte thermische Leitfähigkeit aufweisen und insbesondere in der Halbleitertechnik zum Aufbau von geschichteten Halbleitern genutzt werden. So beschreibt beispielsweise die JP 2002 038033 A eine thermisch leitfähige Schichtstruktur, die mit Elastomerschichten einen schichtweisen Aufbau einer thermisch leitfähigen Halbleiterschicht offenbart. Des Weiteren offenbart die US 2007/0253890 A1 ein Herstellungsverfahren zum Aufsprühen von Kohlenstoffnanoröhrchen. Hierzu werden Kohlenstoffnanoröhrchen in einer gasförmigen Phase auf eine Oberfläche aufgesprüht. Ein ähnliches Verfahren offenbart die US 6,558,645 B2 .
Wicklungen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jeder gewickelte Leiter zur Erzeugung eines innerhalb des gewickelten Leiters entstehenden Magnetfeldes. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik der herkömmlichen Aufwicklungen von Kupfer- oder Aluminiumwicklungen um einen Wicklungskörper kann mittels der herstellungstechnisch einfachen Möglichkeit der Auftragung von elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen auf einem Trägerzylinder eine elektrisch leitfähigen Schicht innerhalb einer elektrischen Wicklung schnell und einfach hergestellt werden. Mit Hilfe der nachfolgend aufgetragenen Isolationsschicht ist eine elektrische Isolation der aufgetragenen Kohlenstoffnanoröhrchen gewährleistet, so dass ein bekannter schichtweiser Aufbau einer elektrischen Wicklung mittels der vorliegenden Erfindung schnell und einfach hergestellt werden kann.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Trägerzylinder spiralförmig ausgebildete Nuten aufweist, in die das Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen aufgetragen und nachfolgend die Isolationsschicht aufgebracht wird. Durch innerhalb des Trägerzylinders angeordnete spiralförmig ausgebildete Nuten ist eine bezüglich der Stärke und relativen Positionierung des Gemisches mit Kohlenstoffnanoröhrchen als leitfähige Schicht auf dem Trägerzylinder gewährleistet. Insofern können die elektrischen Eigenschaften der so gebildeten elektrischen Wicklung genauestens vorgegeben werden. Des Weiteren ist durch die nachfolgende Aufbringung der Isolationsschicht sicher gestellt, dass keine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Lagen der elektrischen Wicklung vorliegen beziehungsweise elektrische Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Lagen durch zu dünne Isolationsschichten entstehen können.
Zur Herstellung von elektrischen Wicklungen mit einer Vielzahl von Wicklungslagen werden vorteilhafterweise mehrere Trägerzylinder mit dem Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen und der nachfolgenden Isolationsschicht beschichtet, wobei die Trägerzylinder unterschiedliche Durchmesser aufweisen und ineinander steckbar sind und die jeweiligen Schichten mit Kohlenstoffnanoröhrchen und die Isolationsschichten der einzelnen Trägerzylinder miteinander verbunden werden. Mittels einer arbeitsteiligen Aufbringung des Gemisches mit Kohlenstoffnanoröhrchen auf die jeweiligen Trägerzylinder ist eine lagenunabhängige Herstellung der elektrischen Wicklung möglich. Im Gegensatz zum derzeitigen zeitintensiven Herstellungsverfahren der elektrischen Wicklung mittels einer kontinuierlichen Aufwicklung des Wicklungsdrahtes auf den Wickelzylinder können mittels des vorliegenden Verfahrens mehrere Trägerzylinder gleichzeitig mit dem Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen beschichtet und anschließend ineinander gesteckt werden. Mittels einer elektrischen Verbindung der Kohlenstoffnanoröhrchenschichten auf dem jeweiligen Trägerzylinder kann eine elektrische Wicklung mit wesentlich geringerem Zeitaufwand als bisher hergestellt werden. Gleichzeitig führen Beschädigungen nur einzelner Lagen der elektrischen Wicklung nicht zu einer irreparablen Beschädigung der gesamten elektrischen Wicklung, da nunmehr einzelne fehlerhafte Wicklungslagen durch fehlerfreie Wicklungslagen auf korrespondierenden Trägerzylindern ausgetauscht werden können.
Das Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen wird vorteilhafterweise aufgesprüht oder – falls es als gasförmige Phase vorliegt – der Trägerzylinder dann dem gasförmigen Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen ausgesetzt. Mittels einer Sprüh- oder Aufdampftechnik ist eine gleichmäßige Aufbringung des Gemisches mit Kohlenstoffnanoröhrchen auf den Trägerzylinder gewährleistet. Vorteilhafterweise wird eine elektrische Leitung mit dem Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen auf den Trägerzylinder und/oder in die Nute des Trägerzylinders eingeklebt. Falls ein entsprechend ausgefertigter elektrischer Leiter aus Kohlenstoffnanoröhrchen vorliegt, kann im Vergleich zu bisherigen Wicklungsverfahren an einer elektrischen Wicklung mittels der vorliegenden Erfindung ein Leiter schnell und fixierend mittels Einklebung auf den Trägerzylinder angebracht werden. Alternativ kann das Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen als Pulvergemisch in die Nuten der Trägerzylinder gepresst. Eine weitere Alternative zur Aufbringung des Gemisches mit Kohlenstoffnanoröhrchen besteht in der schichtweisen Auftragung des Gemisches mit Kohlenstoffnanoröhrchen als Flüssigkeitsgemisch auf den Trägerzylinder. Vorteilhafterweise umfasst die Isolationsschicht einen glasfaserverstärkten Kunststoff, Zellulose, Lack, Keramik oder ein Harz.
Erfindungsgemäß ist ein Trägerzylinder vorgesehen, in dem eine spiralförmig ausgebildete Nut angeordnet ist, die zur Aufnahme eines Gemisches mit Kohlenstoffnanoröhrchen dient. Vorteilhafterweise sind ihre Trägerzylinder ineinander schiebbar. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Trägerzylinders ist vorgesehen, dass mehrere Trägerzylinder relativ zueinander anordbar sind, wobei die Trägerzylinder glasfaserverstärkte Kunststoffe oder Gießharze umfassen. Vorteilhafterweise sind die Nuten von mehreren Trägerzylindern in axialer Richtung gegeneinander verschoben.
Die Trägerzylinder sind vorteilhafterweise so dimensioniert, dass nach dem Ineinanderschieben die Trägerzylinder eine Oberspannungswicklung und eine Unterspannungswicklung bilden und zwischen der Oberspannungswicklung und der Unterspannungswicklung mindestens ein Luftspalt verbleibt. Alternativ kann der Luftspalt auch Teil des Trägerzylinders sein, so dass die Trägerzylinder unmittelbar in Kontakt stehen und sich gegenseitig elektrisch isolieren, wobei gleichzeitig eine ausreichende Kühlung durch den in mindestens einem Trägerzylinder angeordneten Kühlkanal gewährleistet ist.
Durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen als auftragbares Gemisch auf einen Trägerzylinder, werden leitfähige Schichten auf dem Trägerzylinder aufgetragen und anschließend mit einer Isolationsschicht elektrisch isoliert. Anschließend wird eine neue Schicht aus Kohlenstoffnanoröhrchen aufgetragen, so dass der so üblich langwierige Wicklungsprozess eines Wicklungsdrahtes zur Herstellung einer elektrischen Wicklung entfällt und gleichzeitig ein schichtweiser Aufbau der Wicklung gewährleistet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Anhand der in den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele wird die vorliegende Erfindung mehr erläutert. Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht eines Trägerzylinders mit spiralförmig angeordneter Nut;
2 eine Teilschnittzeichnung von zwei elektrischen Wicklungen und mit jeweils zwei Trägerzylindern;
3 eine Schnittzeichnung einer elektrischen Oberspannungswicklung und mit zwei Trägerzylindern.
Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Trägerzylinders 1a mit einer spiralförmig angeordneten Nut 2 auf der Außenseite des Trägerzylinders 1a. Die Breite und Tiefe der Nut 2, sowie der axiale Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Nut 2 wird in Abhängigkeit der erforderlichen elektrischen Leistungsanforderungen und baulichen Gegebenheiten gewählt, was im handwerklichen Können des Fachmanns liegt. Der Trägerzylinder 1a ist bevorzugt aus einem leichten und temperaturbeständigen Material gefertigt, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff oder einem schichtweise aufgebauten Gießharz.
In der Figur 2 ist eine Teilschnittzeichnung von zwei elektrischen Wicklungen 3 und mit jeweils zwei Trägerzylindern 1a, 1b und 1c, 1d. Die Nut 2 ist im gezeigten Beispiel der 2 nur an der Außenseite der Trägerzylinder 1a, 1b, 1c, 1d eingebracht, wobei jeweils zwei Trägerzylinder 1a, 1b eine Unterspannungswicklung 7 und die beiden weiteren Trägerzylinder 1c, 1d eine Oberspannungswicklung 8 bilden. Die Trägerzylinder 1a, 1b, 1c, 1d sind so dimensioniert, dass zwischen der Oberspannungswicklung 8 und der Unterspannungswicklung 7 ein Luftspalt als Kühlkanal 6 verbleibt. Die Wicklungen der einzelnen Trägerzylinder 1a, 1b, 1c, 1d sind durch elektrische Verbinder 4 miteinander elektrisch verbunden. Die Trägerzylinder 1a, 1b, 1c, 1d und die Isolationsschichten 5a, 5b der Trägerzylinder 1a, 1b, 1c, 1d umfassen ein elektrisch isolierendes Material und weisen eine hohe mechanische Stabilität auf. Die Trägerzylinder 1a, 1b, 1c, 1d und/oder die Isolationsschichten 5a, 5b sind beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Gießharz hergestellt. Alternativ können die Isolationsschichten 5a, 5b in flüssiger Form ähnlich einer Farbe auf die Wicklung 3 leicht und mit einer gleichmäßigen Dicke aufgetragen werden.
Die 3 zeigt eine Schnittzeichnung einer elektrischen Oberspannungswicklung 8 und mit zwei Trägerzylindern 1a, 1b, wobei der erste Trägerzylinder 1a zwei Nuten 2 aufweist; zum einen auf der Innen- und zum anderen auf der Außenseite des Trägerzylinders 1a. Der zweite Trägerzylinder 1b ist so dimensioniert, dass eine ausreichende elektrische Isolation zwischen den Wicklungen 3 gewährleistet ist, so dass die zusätzliche Isolationsschicht 5a, 5b (nicht eingezeichnet) Teil des Trägerzylinders 1a, 1b ist. Des Weiteren sind die Wicklungen 3 durch elektrische Verbinder 4 miteinander verbunden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Wicklung (3), dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) zumindest teilweise ein Gemisch mit elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen und einer nachfolgenden Isolationsschicht (5a, 5b) derart aufgetragen wird, dass die so gebildete Schicht mit Kohlenstoffnanoröhrchen als elektrische Wicklung (3) und die Isolationsschicht (5a, 5b) zur elektrischen Isolation der so gebildeten Wicklung (3) dient, wobei der Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) spiralförmig ausgebildete Nuten (2) aufweist, in die das Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen aufgetragen und nachfolgend die Isolationsschicht (5a, 5b) aufbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) mit dem Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen und der nachfolgenden Isolationsschicht (5a, 5b) beschichtet werden und die Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) unterschiedliche Durchmesser aufweisen und ineinander steckbar sind, wobei die jeweiligen Schichten mit Kohlenstoffnanoröhrchen und die Isolationsschichten (5a, 5b) der einzelnen Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen aufgesprüht wird oder als gasförmige Phase vorliegt und der Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) dann dem gasförmigen Gemisch mit Kohlenstoffnanoröhrchen ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Leiter mit einem Gemisch aus Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) und/oder in die Nut (2) des Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) eingeklebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Kohlenstoffnanoröhrchen als Pulvergemisch in die Nut (2) des Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) verpresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Kohlenstoffnanoröhrchen als Flüssigkeitsgemisch schichtweise auf den Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5a, 5b) einen glasfaserverstärkten Kunststoff, Zellulose, Lack, Keramik oder ein Harz umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5a, 5b) Teil des Trägerzylinders (1a, 1b, 1c, 1d) ist.
Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) zur Herstellung einer elektrischen Wicklung (3), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) eine spiralförmig ausgebildete Nut (2) angeordnet ist, die zur Aufnahme eines Gemisches aus Kohlenstoffnanoröhrchen dient.
Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) ineinander schiebbar sind.
Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) relativ zueinander anordbar sind, wobei die Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) glasfaserverstärkte Kunststoffe oder Gießharze umfassen.
Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (2) von mehreren Trägerzylindern (1a, 1b, 1c, 1d) in axialer Richtung gegeneinander verschoben sind.
Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) so dimensioniert sind, dass nach dem ineinanderschieben die Trägerzylinder (1a, 1b, 1c, 1d) eine Oberspannungswicklung (8) und eine Unterspannungswicklung (7) bilden und mindestens zwischen der Oberspannungswicklung (8) und der Unterspannungswicklung (7) einen Kühlkanal (6) bilden.