DE102012010226A1 - Method for manufacturing electrical coil with conductor loop, for use in electrical machine e.g. electric motor, involves forming conductor loop by reshaping metal semi-finished product formed with polygonal cross-section - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule aus einem Metallhalbzeug und die elektrotechnische Spule an sich sowie eine Elektromaschine mit einer solchen.The invention relates to a method for producing an electrotechnical coil from a metal semi-finished product and the electrotechnical coil itself and an electric machine with such.
Elektrotechnische Spulen kommen bei jedem Elektromotor sowie Elektrogeneratoren oder Drehstromsynchronmaschinen vor. Ferner gibt es eine Vielzahl von elektrischen Vorrichtungen, bei denen elektrotechnische Spulen eingesetzt werden.Electrotechnical coils occur in every electric motor as well as electric generators or three-phase synchronous machines. Furthermore, there are a variety of electrical devices in which electrotechnical coils are used.
Elektrotechnische Spulen weisen einen im Wesentlichen spiralförmigen Verlauf auf, wobei die Leiterschlaufen bzw. -wicklungen um eine sogenannte Wickelachse herumgewunden sind. Der Aufbau einer elektrotechnischen Spule wird unter anderem durch die Wicklungsanzahl, das Querschnittsprofil des die Wicklungen ausbildenden elektrischen Leiters sowie vom Abstand der Leiterschlaufen zur Wicklungsachse bestimmt, wobei der Abstand mit fortschreitendem Wicklungswinkel nicht konstant sein muss. Um einen hohen Wirkungsgrad elektrotechnischer Spulen von beispielsweise Elektromotoren zu erzielen, muss ein möglichst hoher Füllfaktor der Leiterschlaufen im Wicklungsbauraum erreicht werden. Wenn die Leiterschlaufen der elektrotechnischen Spulen aus einem metallischen Runddraht gebildet werden, ergeben sich aufgrund des kreisrunden Querschnittprofils des Runddrahts Freiräume zwischen den einzelnen Wicklungen bzw. Leiterschlaufen. Die mit Runddrähten ausgebildeten Wicklungen bzw. Spulen weisen theoretisch eine 91%ige Raumauffüllung im Wicklungsbauraum auf.Electrotechnical coils have a substantially spiral shape, wherein the conductor loops or windings are wound around a so-called winding axis. The structure of an electrotechnical coil is determined inter alia by the number of turns, the cross-sectional profile of the electrical conductor forming the windings and the distance of the conductor loops to the winding axis, wherein the distance with increasing winding angle does not have to be constant. In order to achieve a high efficiency of electrical coils of, for example, electric motors, the highest possible fill factor of the conductor loops in the winding installation space must be achieved. If the conductor loops of the electrotechnical coils are formed from a metallic round wire, open spaces between the individual windings or conductor loops result due to the circular cross-sectional profile of the round wire. The coils or coils formed with round wires theoretically have a 91% space filling in the winding installation space.
Ziel ist es daher, den Querschnitt des Wickelleiters so zu verändern, dass die Freiräume weitestgehend eliminiert werden.The aim is therefore to change the cross section of the winding conductor so that the free spaces are largely eliminated.
Eine bessere Wickelbauraumausnutzung ist mit rechteckigen Leiterquerschnittsprofilen möglich. Problematisch bei derartigen rechteckigen Leiterquerschnitten ist jedoch das Umbiegen der Leiterquerschnitte um die Wickelachse herum, da an den Biegestellen sehr enge Radien auftreten. Die sehr engen Radien, die bei der Ausbildung für elektrotechnische Spulen notwendig sind, können mit dem bisherigen Stand der Technik nicht ausgeführt werden.A better winding space utilization is possible with rectangular conductor cross-section profiles. The problem with such rectangular conductor cross-sections, however, is the bending of the conductor cross-sections around the winding axis, since very narrow radii occur at the bending points. The very tight radii that are necessary in the formation of electrotechnical coils, can not be performed with the prior art.
Beispielsweise ist es mit dem sogenannten Hochkantbiegen von rechteckigen Metallbändern nicht möglich, Radien auszuformen, wie sie bei den Spulengeometrien heutiger Elektromotoren verwendet werden.For example, it is not possible with the so-called edgewise bending of rectangular metal bands to form radii, as used in the coil geometries of today's electric motors.
Eine andere Möglichkeit, elektrotechnische Spulen mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt auszubilden, wird in
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule sowie eine elektrotechnische Spule bereitzustellen, die mit einem hohen Füllfaktor des elektrischen Leiters im Wickelraum hergestellt werden kann. Ferner besteht die Aufgabe, eine elektrotechnische Spule anzugeben, die eine kostengünstige Konstruktion mit hoher Energiedichte aufweist sowie eine Elektromaschine mit einer derartigen elektrotechnischen Spule anzugeben.The object of the invention is therefore to provide a method for producing an electrotechnical coil and an electrotechnical coil, which can be produced with a high filling factor of the electrical conductor in the winding space. It is also the object to provide an electrotechnical coil having a low-cost construction with high energy density and to provide an electric machine with such an electrical coil.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der elektrotechnischen Spule durch die Merkmale des Patentanspruchs 16 gelöst. Hinsichtlich der Elektromaschine erfolgt die Lösung erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Anspruches 21.This object is achieved in terms of the method for producing an electrical coil according to the invention by the features of
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens und der elektrotechnischen Spule sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.Further preferred embodiments of the method and of the electrotechnical coil are specified in the respective subclaims.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule mit einer oder einer Mehrzahl von Leiterschlaufen bereitgestellt, wobei die Leiterschlaufe durch Umformen eines Metallhalbzeuges mit einem vieleckigen Querschnitt ausgebildet wird. Dies hat den Vorteil, das besonders kostengünstige Materialien verwendet werden können, wobei gleichzeitig mittels des vieleckigen Querschnittes, der bevorzugt rechteckig ist, eine dichtere Wicklungspackung erzielt werden kann.According to a first aspect of the invention, a method according to the invention for producing an electrotechnical coil with one or a plurality of conductor loops is provided, wherein the conductor loop is formed by forming a metal semi-finished product with a polygonal cross-section. This has the advantage that particularly cost-effective materials can be used, at the same time by means of the polygonal cross-section, which is preferably rectangular, a denser winding package can be achieved.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule ist das Metallhalbzeug ein Metallband mit vieleckigem Querschnitt, das um eine Wicklungs-Achse gebogen wird. Dies hat den Vorteil, dass die elektrotechnische Spule in einem kontinuierlichen Verfahren ausgebildet werden kann, in dem das Metallband um eine Wicklungs-Achse geformt bzw. gewickelt wird. Dies hat den Vorteil, dass ein Metallhalbzeug aus einem Metallband ein besonders günstiges Ausgangsmaterial ist und relativ günstig bezogen werden kann, da es als ein Massenprodukt zur Verfügung gestellt wird.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal semifinished product is a metal band with a polygonal cross-section which is bent around a winding axis. This has the advantage that the electrotechnical coil can be formed in a continuous process in which the metal strip is wound or wound around a winding axis. This has the advantage that a metal semi-finished product made of a metal strip is a particularly favorable starting material and can be obtained relatively cheaply, since it is made available as a mass product.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule weist das Metallband einen vieleckigen Querschnitt mit einer Breite und einer Höhe auf, die ein Mehrfaches der Breite ist, das an einer Mehrzahl von an dem Metallband zueinander beabstandeten aufeinanderfolgenden Biegestellen durch Umbiegen des Metallbandes an der jeweilige Biegestelle zur Ausbildung der Leiterschlaufe um die Wicklungs-Achse derart gebogen wird, so dass sich die Höhe der Leiterschlaufe im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Wicklungs-Achse erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass der Wickelbauraum zum Erzeugen der elektrotechnischen Spule besonders effektiv ausgenutzt werden kann und möglichst wenig Freiräume übrig bleiben, die nicht von der jeweiligen Leiterschlaufe ausgefüllt werden, so dass eine hohe Energiedichte erzielbar ist.After a further process step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip has a polygonal Cross-section with a width and a height which is a multiple of the width, which is bent at a plurality of successive bending points spaced from each other on the metal strip by bending the metal strip at the respective bending point to form the conductor loop around the winding axis such that the height of the conductor loop extends substantially perpendicular to the direction of extension of the winding axis. This has the advantage that the winding space for generating the electrotechnical coil can be exploited particularly effectively and remain as little free space as possible, which are not filled by the respective conductor loop, so that a high energy density can be achieved.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird das Metallband von den aufeinanderfolgenden Biegestellen in aufeinanderfolgende Schlaufenabschnitte unterteilt, wobei das Metallband von den aufeinanderfolgenden Biegestellen in aufeinanderfolgende Schlaufenabschnitte unterteilt ist, wobei zum Ausbilden einer Öffnung der nach der Biegestelle angeordnete Schlaufenabschnitt hin zu und auf den vorgelagerten Schlaufenabschnitt gebogen wird.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is subdivided by the successive bending points into successive loop sections, wherein the metal strip is subdivided by the successive bending points into successive loop sections, forming the loop section arranged after the bending point towards and to form an opening is bent on the upstream loop portion.
Nach einem anderen Verfahrensschritt des Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird das Metallband an den vorbestimmten Biegestellen des Metallbandes mit einem vorbestimmten ersten Winkel, der größer als 0° und kleiner als 90° ist, relativ zu der Schwerachse des Metallbandes hin zu einem vorgelagerten Schlaufenabschnitt des Metallbandes und um einen zweiten Winkel, der kleiner oder gleich 180° ist, auf den dem nachfolgenden Schlaufenabschnitt vorgelagerten Schlaufenabschnitt geschwenkt. Dies hat den Vorteil, dass beliebige Spulenformen wie viereckig, dreieckig, achteckig usw. ausgebildet werden können. Ferner ist es möglich, dass der dem vorgelagerten Schlaufenabschnitt nachgelagerte Schlaufenabschnitt nicht nur um 180°, sondern auch um einen kleineren Winkel gebogen werden kann, so dass die beiden Schlaufenabschnitte nicht gegeneinander anliegen, sondern leicht beabstandet sind, wobei gleichzeitig eine spiralförmige bzw. schraubenlinienförmige Wicklung der Spule erzielt werden kann.After another method step of the method of manufacturing an electrotechnical coil, the metal strip at the predetermined bending points of the metal strip at a predetermined first angle greater than 0 ° and smaller than 90 °, relative to the heavy axis of the metal strip towards an upstream loop portion of Metal strip and at a second angle which is less than or equal to 180 °, pivoted on the loop portion preceding the subsequent loop portion. This has the advantage that any coil shapes such as square, triangular, octagonal, etc. can be formed. Further, it is possible that the loop portion downstream of the upstream loop portion can be bent not only by 180 ° but also by a smaller angle so that the two loop portions do not abut against each other but are slightly spaced, at the same time forming a helical coil the coil can be achieved.
Bei einem anderen Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird das Metallband von einer ersten Querkante des Metallbandes hin zu einer der ersten Querkante gegenüberliegenden zweiten Querkante des Metallbandes gebogen, so dass der sich weg von der Biegestelle erstreckende Schlaufenabschnitt des Metallbandes an einer Seite zu liegen kommt, die sich zwischen der ersten Querkante und der zweiten Querkante erstreckt und die Schlaufenabschnitte gegeneinander verpresst werden, so dass die Außenflächen der Schlaufenabschnitte bündig aneinander angrenzen. Dies hat den Vorteil, dass es keinen Kantenabsatz an den Biegestellen bzw. an den Biegeecken gibt. Vorteilhafterweise kann die Biegestelle mit entsprechenden Ausnehmungen versehen sein, so dass kein vollständiges Verpressen erforderlich ist, um einen Kantenabsatz zu vermeiden.In another method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is bent from a first transverse edge of the metal strip towards a second transverse edge of the metal strip opposite the first transverse edge, so that the loop portion of the metal strip extending away from the bending point lies on one side comes, which extends between the first transverse edge and the second transverse edge and the loop portions are pressed against each other, so that the outer surfaces of the loop portions are flush with each other. This has the advantage that there is no edge offset at the bending points or at the bending corners. Advantageously, the bending point can be provided with corresponding recesses, so that no complete pressing is required in order to avoid an edge offset.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird zum Ausbilden der Spule mit wenigstens zwei Leiterschlaufen bzw. zum Ausbilden einer spiralförmigen Spule das Metallband an den vorbestimmten Biegestellen umgeformt, bis eine vorbestimmte Anzahl von Leiterschlaufen zum Ausbilden der Gesamt-Spule vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass mit dem Verfahren durch mehrmaliges Biegen des Metallbandes eine Gesamtspule hergestellt werden kann, wobei die Anzahl der Wicklungen der Gesamtspule lediglich von den Biegestellen und der Länge des Metallbandes begrenzt ist.After a further process step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is formed at the predetermined bending points to form the coil with at least two conductor loops or for forming a spiral coil until a predetermined number of conductor loops for forming the overall coil is present. This has the advantage that with the method by repeated bending of the metal strip, a total coil can be produced, wherein the number of windings of the entire coil is limited only by the bending points and the length of the metal strip.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird das Metallband vor dem Umformen mit einer Isolation, insbesondere einer Isolationsschicht zum elektrischen Isolieren des Metallbandes versehen. Dies hat den Vorteil, dass zum Erzeugen eines Magnetfeldes die Leiterschlaufen ausreichend elektrisch voneinander isoliert sind, so dass kein Kurzschluss erzeugt werden kann. Ferner kann hierdurch sichergestellt werden, dass alle Bereiche des Metallbandes ausreichend isoliert sind, was auch einfacher kontrolliert werden kann.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is provided before forming with an insulation, in particular an insulating layer for electrically insulating the metal strip. This has the advantage that to generate a magnetic field, the conductor loops are sufficiently electrically isolated from each other, so that no short circuit can be generated. Furthermore, this can ensure that all areas of the metal strip are sufficiently insulated, which can also be controlled more easily.
Nach einem anderen Verfahrensschritt zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird die Leiterschlaufe durch Ausstanzen aus einem Metallhalbzeug ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass zur Herstellung der Leiterschlaufe besonders günstige Materialien wie Blechhalbzeuge verwendet werden können. Ferner können auch Bleche bzw. Materialien verwendet werden, die besonders leicht sind, also nicht zum Ausbilden eines gezogenen Runddrahtes geeignet sind. Bevorzugt kann das Metallhalbzeug aus einem Material mit einem geringen Gewicht, wie beispielsweise Aluminium ausgebildet werden.After another method step for producing an electrotechnical coil, the conductor loop is formed by punching from a metal semi-finished product. This has the advantage that particularly favorable materials, such as sheet metal semi-finished products, can be used to produce the conductor loop. Furthermore, it is also possible to use metal sheets or materials which are particularly lightweight, ie are not suitable for forming a drawn round wire. Preferably, the semi-finished metal product may be formed of a lightweight material such as aluminum.
Nach einem anderen Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule weist die Leiterschlaufe eine Mehrzahl von Schlaufenabschnitten auf, die eine Öffnung definieren, wobei an wenigstens einem der Schlaufenabschnitte der Leiterschlaufe ein Spalt ausgebildet wird, der einen der Schlaufenabschnitte in einen ersten Anschlusssteg und einen zweiten Anschlusssteg trennt. Dies hat den Vorteil, dass einer der Anschlussstege beispielsweise zum Anschließen einer anderen Leiterschlaufe, mit einem entsprechenden Anschlusssteg verwendet werden kann. Ferner kann der Anschlusssteg zum Anschließen an eine elektrische Stromquelle verwendet werden. Die Öffnung ist vorteilhafterweise zur Aufnahme eines Tragekörpers, insbesondere eines Spulenkörpers, ausgebildet, der einerseits zum Halten der elektrotechnischen Spule und andererseits, wenn der Tragekörper ein geeignetes magnetisches Material aufweist, zum Verstärken des von der Spule erzeugten Magnetfeldes bzw. Induktivität vorgesehen ist. Der Tragekörper muss nicht zwingend vorhanden sein. Ist kein Spulenkörper oder Tragekörper vorgesehen oder ist er aus einem nichtmagnetischen Material gebildet, spricht man im mechanischen bzw. elektrischen Sinne von Luftspulen. Der Spulenkörper hat im letzten Fall die Aufgabe, die elektrotechnische Spule mechanisch zu stabilisieren und hat keinen magnetischen Einfluss auf das mit der elektrotechnischen Spule erzeugbare Magnetfeld.According to another method step of the method for producing an electrotechnical coil, the conductor loop has a plurality of loop sections defining an opening, wherein a gap is formed on at least one of the loop sections of the conductor loop, which forms one of the loop sections into a first connection web and a second connection web separates. This has the advantage that one of the connecting webs can be used for example for connecting another conductor loop, with a corresponding connecting web. Furthermore, can the connection bar can be used to connect to an electrical power source. The opening is advantageously designed to accommodate a support body, in particular a bobbin, on the one hand for holding the electrotechnical coil and on the other hand, when the support body has a suitable magnetic material for amplifying the magnetic field generated by the coil or inductance is provided. The carrying body does not necessarily have to be present. If no bobbin or support body is provided or if it is formed from a nonmagnetic material, one speaks in the mechanical or electrical sense of air coils. In the latter case, the bobbin has the task of mechanically stabilizing the electrotechnical coil and has no magnetic influence on the magnetic field that can be generated by the electrotechnical coil.
Nach einem Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird der erste Anschlusssteg versetzt gegenüber dem zweiten Anschlusssteg angeordnet, so dass zum Ausbilden einer Gesamtspule an den zweiten Anschlusssteg einer ersten Leiterschlaufe der erste Anschlusssteg einer zweiten Leiterschlaufe angebracht werden kann. Dies hat den Vorteil, dass eine Gesamtspule aus mehreren Leiterschlaufen hergestellt werden kann.After a method step of the method for producing an electrotechnical coil, the first connection web is arranged offset relative to the second connection web, so that the first connecting web of a second conductor loop can be attached to form a complete coil to the second connecting web of a first conductor loop. This has the advantage that a total coil can be made from multiple conductor loops.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule wird der erste Anschlusssteg einer ersten Leiterschlaufe mit dem zweiten Anschlusssteg einer anderen zweiten Leiterschlaufe, vorzugsweise an den gegenüberliegenden Stirnseiten der Anschlussstege, gestoßen und zum Ausbilden einer Gesamtspule mittels eines Fügeverfahrens elektrisch leitend miteinander gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass eine Mehrzahl von Leiterschlaufen zum Ausbilden der gewünschten Gesamtspule verwendet werden kann, wobei nach dem Baukastenprinzip abhängig von der verwendeten Anzahl von Leiterschlaufen unterschiedliche Gesamtspulen ausgebildet werden können.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the first connecting web of a first conductor loop with the second connecting web of another second conductor loop, preferably at the opposite end faces of the connecting webs, pushed and electrically conductively coupled together to form a total coil by means of a joining process. This has the advantage that a plurality of conductor loops can be used to form the desired overall coil, wherein different overall coils can be formed according to the modular principle, depending on the number of conductor loops used.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule werden die Stossstellen der Anschlussstege mittels Schweißens, Klemmens, Pressens und/oder Klebens elektrisch leitend miteinander verbunden, um eine Gesamtspule auszubilden.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the joints of the connecting webs are connected to one another by means of welding, clamping, pressing and / or gluing in an electrically conductive manner in order to form a complete coil.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule werden die Stossstellen der Anschlussstege mittels einer Steckverbindung elektrisch leitend aneinander gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass keine aufwendigen Lot- oder Schweißverfahren erforderlich sind und durch Verwenden beispielsweise von Steckmuffen die Leiterschlaufen je nach Bedarf nach dem Baukastenprinzip erweitert werden können, um die jeweilige Gesamtspule auszubilden.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the joints of the connecting webs are electrically conductively coupled to one another by means of a plug connection. This has the advantage that no costly soldering or welding process is required and by using, for example, push-in sleeves, the conductor loops can be extended as needed according to the modular principle in order to form the respective overall coil.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule werden die Leiterschlaufen nach dem Fügeverfahren mit einer Isolation, insbesondere einer Isolationsschicht, zum elektrischen Isolieren der Leiterschlaufen, versehen.After a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the conductor loops are provided after the joining process with an insulation, in particular an insulating layer, for electrically insulating the conductor loops.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrotechnische Spule mit wenigstens einer eine Wicklung ausbildenden Leiterschlaufe bereitgestellt, wobei die Leiterschlaufe einen vieleckigen Profil-Querschnitt eines flächigen Halbzeuges aufweist, wobei die Leiterschlaufen seitlich aneinander angrenzen. Dies hat den Vorteil, dass die elektrotechnische Spule eine besonders dichte Wicklungspackung aufweist. Unter flächigen Halbzeugen sind Halbzeuge zu verstehen, die einen Querschnitt aufweisen, bei dem das Höhen zu Breiten-Verhältnis < 1 ist und sich mit einer Breiten-Seite flächig in einer Ebene erstrecken. Unter flächigen Halbzeugen sind bevorzugt Halbzeuge mit einem rechteckigen Querschnittsprofil zu verstehen. Es sind jedoch auch Halbzeuge mit einem trapezoidalen oder mehreckigen Querschnittsprofil vorstellbar.According to a second aspect of the invention, an electrotechnical coil is provided with at least one winding loop forming a winding, wherein the conductor loop has a polygonal profile cross-section of a sheet semifinished product, wherein the conductor loops adjoin one another laterally. This has the advantage that the electrotechnical coil has a particularly dense winding package. Semi-finished semi-finished products are to be understood as meaning semi-finished products which have a cross-section in which the height-to-width ratio is <1 and extend with a width-side surface in one plane. Under flat semi-finished products are preferably to be understood semi-finished products with a rectangular cross-sectional profile. However, semi-finished products with a trapezoidal or polygonal cross-sectional profile are also conceivable.
Nach einer anderen Ausführungsform der Elektrotechnische Spule weist der Querschnitt der jeweiligen der Leiterschlaufe einen konstanten Flächeninhalt auf. Dies hat den Vorteil, dass jede Leiterschlaufe eine konstante Stromdichte bereitstellen kann.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the cross-section of the respective conductor loop has a constant surface area. This has the advantage that each conductor loop can provide a constant current density.
Nach einer anderen Ausführungsform der Elektrotechnische Spule erstrecken sich die Leiterschlaufen spiralförmig um eine Achse und definieren eine Öffnung zur Aufnahme eines Zahnvorsprungs eines Stators.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the conductor loops extend helically about an axis and define an opening for receiving a tooth projection of a stator.
Nach einer anderen Ausführungsform der Elektrotechnische Spule werden die Abmessungen der Leiterschlaufe über die Lage relativ zu dem Stator variiert. Die hat den Vorteil, dass die Leiterschlaufen in die Nutaufnahmen eines Stators besonders dicht angeordnet werden können.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the dimensions of the conductor loop are varied over the position relative to the stator. This has the advantage that the conductor loops can be arranged particularly tightly in the groove seats of a stator.
Nach einer anderen Ausführungsform der elektrotechnischen Spule weist die elektrotechnische Spule wenigstens eine eine Wicklung ausbildende Leiterschlaufe auf, wobei die Leiterschlaufe einen eckigen Profilquerschnitt mit einer Breite und einer Höhe aufweist, die ein Mehrfaches der Breite ist, wobei die Leiterschlaufe sich um eine Achse derart herum erstreckt, dass sich die Höhe der Leiterschlaufe im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Wicklungsachse erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass wie bereits oben ausgeführt, die elektrotechnische Spule die besonders dicht gepackten und aneinander angrenzenden Leiterschlaufen aufweist.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the electrotechnical coil has at least one winding loop forming a winding, wherein the conductor loop has a square profile cross section with a width and a height which is a multiple of the width, wherein the conductor loop extends around an axis in such a way in that the height of the conductor loop extends substantially perpendicular to the direction of extension of the winding axis. This has the advantage that, as already stated above, the electrotechnical coil has the particularly tightly packed and adjacent conductor loops.
Nach einer anderen Ausführungsform der elektrotechnischen Spule erstrecken sich die Leiterschlaufen spiralförmig um die Wicklungsachse und definieren eine Öffnung zur Aufnahme eines Spulenkörpers. Der Verlauf der sich um die Wicklungsachse erstreckenden und elektrisch aneinander gekoppelten Leiterschlaufen erfolgt bevorzugt spiralförmig oder schraubenlinienförmig, so dass eine Wicklung einer elektrotechnischen Spule ausgebildet ist. Der Spulenkörper hat bevorzugt die Aufgabe, das mit der elektrotechnischen Spule erzeugbare Magnetfeld zu verbessern, kann aber auch lediglich die Funktion einer mechanischen Stabilisierung der elektrotechnischen Spule haben.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the conductor loops extend helically around the winding axis and define an opening for receiving a bobbin. The course of the conductor loops extending around the winding axis and electrically coupled to one another preferably takes place in a spiral or helical manner, so that a winding of an electrotechnical coil is formed. The bobbin preferably has the task of improving the magnetic field that can be generated with the electrotechnical coil, but can also only have the function of a mechanical stabilization of the electrotechnical coil.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der elektrotechnischen Spule weist das Metallhalbzeug ein elektrisch leitfähiges Metall oder eine Legierung aus Kupfer, Aluminium, Eisen usw. auf. Dies hat den Vorteil, dass besonders kostengünstige Materialien zur Herstellung der elektrotechnischen Spule verwendet werden können.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the semi-finished metal on an electrically conductive metal or an alloy of copper, aluminum, iron, etc. on. This has the advantage that particularly cost-effective materials can be used to produce the electrotechnical coil.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der elektrotechnischen Spule ist das Metallhalbzeug ein Metallband, das Ausnehmungen zur Aufnahme von aufeinander gebogenen Schlaufenabschnitten an den Biegestellen des Metallbandes aufweist. Dies hat den Vorteil, dass es zu keiner Sprungstelle an den Faltstellen der Biegeecken der elektrotechnischen Spule kommt. Bevorzugt sind die Ausnehmungen derart in dem Metallband ausgebildet, dass die Materialstärke der an einer Biegestelle gegeneinander angeordneten Ausnehmungen im Wesentlichen der Materialstärke des ungeschwächten Metallbandes entspricht und kein Absatz ausgebildet wird.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the semi-finished metal product is a metal strip having recesses for receiving mutually curved loop portions at the bending points of the metal strip. This has the advantage that there is no discontinuity at the folds of the bending corners of the electrotechnical coil. Preferably, the recesses are formed in the metal strip such that the material thickness of the recesses arranged at a bending point substantially corresponds to the material thickness of the unattenuated metal strip and no step is formed.
Nach einer anderen Ausführungsform der elektrotechnischen Spule ist das Metallhalbzeug ein Metallblech, aus dem die Leiterschlaufen der elektrotechnischen Spule ausgestanzt worden sind.According to another embodiment of the electrotechnical coil, the semi-finished metal product is a metal sheet from which the conductor loops of the electrotechnical coil have been punched out.
Die elektrotechnische Spule weist mindestens eine Wicklung oder Leiterschlaufe auf, die aus einem metallischen Band oder Halbzeug aus einem elektrischen Strom leitenden Material wie Kupfer, versilbertem Kupfer oder anderen elektrisch leitfähigen Metallen und Legierungen ausgebildet ist.The electrotechnical coil has at least one winding or conductor loop, which is formed from a metallic strip or semifinished product of an electrical current-conducting material such as copper, silver-plated copper or other electrically conductive metals and alloys.
Die Leiterschlaufe bildet bevorzugt eine Öffnung beispielsweise zur Aufnahme einen Zahnvorsprung eines Stators, eines Spulenkörpers oder Leiterschlaufenträgers, der vorzugsweise einen weichmagnetischen Kern aufweist. Mittels der Leiterschlaufen-Anordnung, dem Querschnitt der Leiterschlaufe, dem Leiterschlaufenmaterial und dem Kernmaterial des Leiterschlaufenträgers können beispielsweise die Induktivität und andere Eigenschaften der Spule definiert werden. Die elektrotechnische Spule kann beispielsweise zur Erzeugung oder zum Detektieren eines Magnetfeldes verwendet werden und/oder Teil eines elektrischen Bauelementes oder Gerätes, wie beispielsweise eines Transformators, Relais, Elektromotors oder Lautsprechers sein. Die Öffnung kann zur Aufnahme des Spulenkörpers konfiguriert sein. Die in dem Verfahren ausgebildete elektrotechnische Spule kann auch als sogenannte Luftspule ausgebildet werden, bei der kein magnetisch wirksamer Spulenkörper erforderlich ist. Der Spulenkörper kann auch nur als eine Haltevorrichtung für die elektrotechnische Spule vorgesehen werden.The conductor loop preferably forms an opening, for example for receiving a tooth projection of a stator, a bobbin or conductor loop carrier, which preferably has a soft-magnetic core. By means of the conductor loop arrangement, the cross section of the conductor loop, the conductor loop material and the core material of the conductor loop carrier, for example, the inductance and other properties of the coil can be defined. The electrotechnical coil may for example be used to generate or detect a magnetic field and / or be part of an electrical component or device, such as a transformer, relay, electric motor or speaker. The opening may be configured to receive the bobbin. The electrotechnical coil formed in the process can also be formed as a so-called air coil, in which no magnetically effective bobbin is required. The bobbin can also be provided only as a holding device for the electrical coil.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Elektromaschine oder eine elektrotechnische Anordnung, insbesondere ein Elektromotor bereitgestellt, der eine elektrotechnische Spule bzw. eine nach dem Verfahren hergestellte elektrotechnische Spule aufweist.According to a third aspect of the invention, an electric machine or an electrotechnical arrangement, in particular an electric motor is provided which has an electrotechnical coil or an electro-technical coil produced by the method.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The present invention will be explained in more detail by means of embodiments in conjunction with the accompanying drawings. In these show:
Das Zeichen n steht für eine vorbestimmte Anzahl von Leiterschlaufen
Es wird nun Bezug genommen auf
In
Die Biegestellen
Die Biegestelle bzw. der Biegefalz
Ferner ist in
Bevorzugt sind die Ausnehmungen
Aus
Es wird nun Bezug genommen auf
Ferner sollen mit den Bezugskoordinaten zs, S und ys die relativen Bezugspunkte, die für den Biegeprozess des zweiten Schlaufenabschnitts
Die Koordinatenachsen zs und ys sind an dem Schnittpunkt der Schwerachse S des noch nicht gebogenen Metallbandes
Bei dem Biegeprozess wird der zweite Schlaufenabschnitt
Um die beispielsweise jeweils in den
Es wird nun Bezug genommen auf
Um die in
Es wird nun Bezug genommen auf
Die
Ferner können auch durch entsprechende Anordnung der Biegestellen
Es wird nun Bezug genommen auf
Ferner ist aus
Zum Ausbilden der Gesamtspule
Es wird nun Bezug genommen auf die
In
Je nach Ausführung der Spule kann mit zunehmendem Abstand der Leiterschlaufen
Bevorzugt ist der Querschnitt A(z) der jeweiligen Leiterschlaufe
Nach den oben vorgegebene Bedingungen weisen die einzelnen Leiterschlaufen
In
Um eine optimale Anpassung an die Form der Nuten
Wenn die Gesamtspule
Ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrotechnischen Gesamtspule
- – Bereitstellen eines Metallbandes
10 mit einer vorbestimmten Länge, einer vorbestimmten Materialstärke mit einem vieleckigen, bevorzugt rechteckigen Querschnitt (1a ) aus einem plastisch verformbaren und elektrischen Strom leitenden Material, bevorzugt einem Metall aus Kupfer; wobei die Materialstärken b(z), h(z) konstant oder variabel über den Verlauf des Metallbandes ausgelegt sein können. Zum Ausbilden einer Spule nach den12 oder13 ,13a ,13b ist die Materialstärke über die Länge des Metallbandes in x-Richtung (1 ) variabel ausgebildet, wobei die Flächeninhalt A(z) für jede Leiterschlaufe2.1 bis2.n+1 sich aus dem Produkt (h1(z) + h2(z))/2·b(z) ergibt und fürdas gesamte Metallband 10 einen konstanten Wert hat, um bei konstantem Flächeninhalt A(z) = A einen konstante Stromdichte zu erzielen. - – Ausbilden von Ausnehmungen
13.1 bis13.n an vorbestimmten Biegestellen12.1 bis12.n , wobei die Ausnehmungen alternierend auf gegenüberliegenden Seite des Metallbandes10 ausgebildet werden, so dass eine Gesamtspule100 ausgebildet werden kann. Die Anzahl der vorbestimmten Biegestellen12.1 bis12.n ergibt sich aus der Gestalt desQuerschnittprofils 200 der auszubildenden elektrotechnischen Spule100 und der Anzahl von Leiterschlaufen2.1 bis2.n+1 der auszubildenden elektrotechnischen Spule100 . Bevorzugt sind die Ausnehmungen13.1 bis13.n derart tief an den Biegestellen12.1 bis12.n eingebracht, dass eine gefaltete bzw. gebogene Ausnehmung13 im zusammengefalteten Zustand, wie beispielsweise in4 gezeigt, die Materialstärke des ungeschwächten Metallbandes10 aufweist; - – Gegebenenfalls Bearbeiten der Kantenabschnitte oder Randabschnitte der Leiterschlaufen
2.1 bis2.n+1 zum Ausbilden einer im Wesentlichen trapezoidalen Querschnittsgestalt A des Metallbandes10 , beispielsweise durch Verformen, Zerspannen, Abfasen, Fräsen, Erodieren; - – In einem nächsten Schritt des Verfahrens wird einer der Schlaufenabschnitte festgelegt, bevorzugt der erste Schlaufenabschnitt
14.1 , so dass ein dem ersten Schlaufenabschnitt14.1 nachfolgender Schlaufenabschnitt bzw. alle dem ersten Schlaufenabschnitt folgende Schlaufenabschnitte14.2 bis14.n in einem Umformschritt auf den ersten Schlaufenabschnitt gefaltet oder umgebogen werden kann/können, bevorzugt derart, dass die an den ersten und an den zweiten Schlaufenabschnitt14.1 ,14.2 angrenzende Ausnehmung13.1 durch die Faltung ausgefüllt wird undein Biegeeck 15 ausgebildet wird (siehe4 ); - – Der obige Biegeprozess wird an den vorbestimmten Biegestellen
12.1 bis12.n , die in den Ausnehmungen13.1 bis13.n vorgesehen sind, wiederholt, bis dieSchlaufenabschnitte eine Öffnung 200 definieren und/oder die gewünschte Anzahl an Schlaufenabschnitten2.1 bis2.n ,2.n+1 zum Ausbilden der elektrotechnischen Spule100 umgeformt worden sind (siehe5 ). Das Umbiegen an den Biegestellen12.1 bis12.n des Metallbandes10 erfolgt bevorzugt mit einem vorbestimmten Biege-Winkel α, der größer als 0° und kleiner als 90° sein kann, relativ zu der Schwerachse S des Metallbandes und um einen zweiten Winkel β, der kleiner oder gleich 180° ist, des nachfolgenden Schlaufenabschnitt hin zu und auf den vorgelagerten Schlaufenabschnitt. Je nach Biege-Winkel α1, α2 können beispielsweise die in5a ,6 und7 dargestellten Querschnittsprofile mit einem ersten Durchmesser D1 und einem zweiten Durchmesser D2 ausgebildet werden. Der Durchmesser D1 kann in der Abmessung im Wesentlichen identisch zu dem Durchmesser D2 sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass der Durchmesser D1 kleiner oder größer als der Durchmesser D2 ist. Auch können die Abstände der Biegestellen untereinander im Wesentlichen gleich groß und/oder unterschiedlich groß sein, was auch für die Biege-Winkel α1, α2 und β gilt; - –
das Metallband 10 kann vor dem Umformen mit einer Isolation, insbesondere einer Isolationsschicht, zum elektrischen Isolieren des Metallbandes versehen werden. Es ist jedoch auch möglich, dieaus dem Metallband 10 ausgebildete elektrotechnische Spule100 nach dem Umformprozess mit der erforderlichen elektrischen Isolierung zu versehen. Bei der elektrischen Isolierung kann es sich beispielsweise um Lackpapier handeln.
- - Providing a
metal band 10 with a predetermined length, a predetermined material thickness with a polygonal, preferably rectangular cross section (1a ) of a plastically deformable and electrically conductive material, preferably a metal of copper; wherein the material thicknesses b (z), h (z) can be designed to be constant or variable over the course of the metal strip. To form a coil after the12 or13 .13a .13b is the material thickness over the length of the metal strip in the x-direction (1 ) are variably formed, wherein the area A (z) for each conductor loop2.1 to2.n + 1 resulting from the product (h1 (z) + h2 (z)) / 2 * b (z) and for theentire metal strip 10 has a constant value in order to achieve a constant current density at a constant area A (z) = A. - - Forming recesses
13.1 to13.n at predetermined bending points12.1 to12.n wherein the recesses alternately on opposite side of themetal strip 10 be formed, so that atotal coil 100 can be trained. The number of predetermined bends12.1 to12.n results from the shape of thecross-sectional profile 200 thetrainee electrotechnical coil 100 and the number of conductor loops2.1 to2.n + 1 thetrainee electrotechnical coil 100 , The recesses are preferred13.1 to13.n so deep at the bends12.1 to12.n introduced that a folded or curved recess13 in the folded state, such as in4 shown, the material thickness of theunweakened metal strip 10 having; - - If necessary, edit the edge portions or edge portions of the conductor loops
2.1 to2.n + 1 for forming a substantially trapezoidal cross-sectional shape A of themetal strip 10 For example, by deformation, cutting, chamfering, milling, erosion; - In a next step of the method, one of the loop sections is fixed, preferably the first loop section
14.1 so that the first loop section14.1 subsequent loop portion or all the first loop portion following loop sections14.2 to14.n can be folded or bent in a forming step on the first loop portion, preferably such that the at the first and at the second loop portion14.1 .14.2 adjacent recess13.1 is filled by the folding and a bendingcorner 15 is formed (see4 ); - - The above bending process is at the predetermined bending points
12.1 to12.n that in the recesses13.1 to13.n are provided, repeated until the loop portions anopening 200 define and / or the desired number of loop sections2.1 to2.n .2.n + 1 for forming theelectrotechnical coil 100 have been reshaped (see5 ). The bending at the bending points12.1 to12.n of themetal band 10 is preferably carried out with a predetermined bending angle α, which may be greater than 0 ° and less than 90 °, relative to the heavy axis S of the metal strip and by a second angle β, which is less than or equal to 180 °, the subsequent loop portion towards and on the upstream loop section. Depending on the bending angle α1, α2, for example, in5a .6 and7 illustrated cross-sectional profiles are formed with a first diameter D1 and a second diameter D2. The diameter D1 may be substantially identical in dimension to the diameter D2. However, it is also conceivable that the diameter D1 is smaller or larger than the diameter D2. Also, the distances between the bending points can be substantially equal to each other and / or different sizes, which also applies to the bending angle α1, α2 and β; - - the
metal band 10 can be provided before forming with an insulation, in particular an insulating layer, for electrically insulating the metal strip. However, it is also possible that from themetal band 10 trainedelectrotechnical coil 100 After the forming process to provide the required electrical insulation. The electrical insulation can be, for example, paint paper.
Ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrotechnischen Gesamtspule
- – Ausstanzen aus einem Metallhalbzeug
40 von einer oder einer Mehrzahl von Leiterschlaufen2.1 bis2.n+1 , die jeweils eine Öffnung200 definieren, wobei an wenigstens einem der Schlaufenabschnitte derLeiterschlaufe ein Spalt 20 ausgebildet wird, der einen der Schlaufenabschnitte14.1 bis14.4 in einen ersteAnschlusssteg 21 und einen zweiten Anschlusssteg22 trennt.Der Spalt 20 kann bereits während des Ausstanzens der Leiterschlaufen2.1 bis2.n+1 aus dem Metallhalbzeug bzw.dem Metallblech 10 gebildet werden. Bevorzugt werden die Leiterschlaufen aus unterschiedlichen Metallhalbzeugen mit unterschiedlichen Materialstärken ausgestanzt, so dass aus den einzelnen Leiterschlaufen eine Gesamtspule wie in13 ,13a und13b gebildet werden kann. Der jeweilige Flächeninhalt A der jeweiligen ausgestanzten Leiterschlaufen2.1 bis2.n+1 weisen ist in diesem Fall konstant, wobei die Höhe h(z) und die Materialdicke b(z) für jede Leiterschlaufe2.1 bis2.n+1 unterschiedlich ausgebildet ist, so dass eine Nute42 einesStators 40 , wie in12 angezeigt, möglichst dicht von den Leiterschlaufen ausgefüllt wird. - – Gegebenenfalls Nachbearbeiten der Kanten oder Randabschnitte der einzelnen Leiterschlaufen
2.1 bis2.n+1 , so dass ein die einzelnen Leiterschlaufen2.1 bis2.n+1 eine im Wesentlichen trapezoidalen Querschnitt aufweisen, beispielsweise durch Zerspanen, Abfasen, Fräsen oder Erodieren; - – Falls erforderlich Verbiegen oder Versetzen des ersten Anschlusssteges
21 gegenüberdem zweiten Anschlusssteg 22 , so dass zum Ausbilden einerGesamtspule 100 anden zweiten Anschlusssteg 22 einer ersten Leiterschlaufe2.1 der erste Anschlusssteg21.2 einer zweiten Leiterschlaufe2.2 angebracht werden kann; - – Positionieren des einen Anschlusssteges der einen Leiterschlaufe an den Anschlusssteg einer anderen Leiterschlaufe, wobei die Stossstelle mittels Schweißen, Klemmen, Pressen und oder Kleben elektrisch leitend verbunden wird, um eine Gesamtspule auszubilden. Es ist auch möglich, die Stossstelle der Anschlussstege mittels einer Steckverbindung elektrisch leitend aneinander zu koppeln;
- – Isolieren der Lauterschlaufen nach dem Fügeverfahren mit einer Isolation, insbesondere einer Isolationsschicht, zum elektrischen Isolieren der Leiterschlaufen.
- - Punching from a metal
semi-finished product 40 one or a plurality of conductor loops2.1 to2.n + 1 , each with anopening 200 define, wherein at least one of the loop portions of the conductor loop, agap 20 is formed, the one of the loop sections14.1 to14.4 in a first connectingbridge 21 and a second connectingbridge 22 separates. Thegap 20 can already during the punching of the conductor loops2.1 to2.n + 1 from the metal semi-finished product or themetal sheet 10 be formed. Preferably, the conductor loops are punched from different semi-finished metal products with different thicknesses, so that from the individual conductor loops a total coil as in13 .13a and13b can be formed. The respective area A of the respective punched conductor loops2.1 to2.n + 1 Point is constant in this case, with the height h (z) and the material thickness b (z) for each conductor loop2.1 to2.n + 1 is formed differently, so that a groove42 astator 40 , as in12 displayed, as close as possible filled by the conductor loops. - - If necessary, rework the edges or edge sections of the individual conductor loops
2.1 to2.n + 1 so that the individual conductor loops2.1 to2.n + 1 have a substantially trapezoidal cross-section, for example by machining, chamfering, milling or erosion; - - If necessary, bending or moving the first connecting
bar 21 opposite the second connectingbridge 22 so as to form atotal coil 100 to the second connecting bridge22 a first conductor loop2.1 the first connection bar21.2 a second conductor loop2.2 can be attached; - - Positioning a connecting web of a conductor loop to the connecting web of another conductor loop, wherein the joint is electrically conductively connected by means of welding, clamping, pressing and or gluing to form a total coil. It is also possible to couple the joint of the connecting webs by means of a plug-in electrically conductive to each other;
- - Isolating the louder loops according to the joining method with an insulation, in particular an insulating layer, for electrically insulating the conductor loops.
Die Erfindung wurde anhand unterschiedlicher Ausführungsformen beschrieben, wobei die unterschiedlichen Ausführungsformen untereinander kombinierbar sind.The invention has been described with reference to different embodiments, wherein the different embodiments can be combined with each other.
Beispielsweise kann der Schlaufenabschnitt teilweise mit ausgestanzten Metallbändern, die abschnittsweise die gewünschte Gestalt der Spule aufweisen und gleichzeitig noch zu biegende Schlaufenabschnitte aufweisen, um die gewünschte Querschnittsform
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