DE102012010226B4 - Process for the production of an electrotechnical coil as well as electrotechnical coil and electrical machine with such - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule (100) mit zumindest einer Leiterschlaufe (2), wobei die Leiterschlaufe (2) durch Umbiegen eines Metallbandes (10) ausgebildet wird,wobei das Metallband (10) einen vieleckigen Querschnitt aufweist und um eine Wicklungs-Achse (M) der Spule (100) gebogen wird,dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (10) von Biegestellen (12.1, 12.2, .. 12.n) in aufeinanderfolgende Schlaufenabschnitte (14.1, 14.2, ... 14.n) unterteilt ist, und die Biegestellen (12.1, 12.2, ... 12.n) mit Ausnehmungen (13.1, 13.2, ... 13.n) versehen sind,wobei die Ausnehmungen (13.1, 13.2, ... 13.n) alternierend auf gegenüberliegenden Seiten des Metallbandes (10) ausgebildet sind, undwobei beim Biegeprozess der jeweils nachfolgende Schlaufenabschnitt (14.2, 14.3, .. 14.n) in die jeweils vorausgehende Ausnehmung (13.1, 13.2, ...13.n-1) eingepresst wird.Method for producing an electrotechnical coil (100) with at least one conductor loop (2), wherein the conductor loop (2) is formed by bending over a metal strip (10), the metal strip (10) having a polygonal cross section and around a winding axis ( M) of the coil (100) is bent, characterized in that the metal strip (10) is divided by bending points (12.1, 12.2, .. 12.n) into successive loop sections (14.1, 14.2, ... 14.n), and the bending points (12.1, 12.2, ... 12.n) are provided with recesses (13.1, 13.2, ... 13.n), the recesses (13.1, 13.2, ... 13.n) alternating on opposite sides Sides of the metal strip (10) are formed, and the subsequent loop section (14.2, 14.3, .. 14.n) is pressed into the respective preceding recess (13.1, 13.2, ... 13.n-1) during the bending process.
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 semifinished 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. There are also 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 an essentially spiral course, the conductor loops or windings being wound around a so-called winding axis. The structure of an electrotechnical coil is determined, among other things, by the number of windings, the cross-sectional profile of the electrical conductor forming the windings and the distance between the conductor loops and the winding axis, whereby the distance does not have to be constant as the winding angle progresses. In order to achieve a high efficiency of electrotechnical coils, for example electric motors, the highest possible fill factor of the conductor loops in the winding space must be achieved. If the conductor loops of the electrotechnical coils are formed from a metallic round wire, the circular cross-sectional profile of the round wire results in free spaces between the individual windings or conductor loops. The windings or coils formed with round wires theoretically have a 91% space filling in the winding 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 in such a way 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 utilization of the winding space is possible with rectangular conductor cross-section profiles. However, the problem with such rectangular conductor cross-sections 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 training for electrotechnical coils cannot be implemented with the previous state of the 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, with the so-called edgewise bending of rectangular metal strips, it is not possible to form radii as they are used in the coil geometries of today's electric motors.
Eine andere Möglichkeit, elektrotechnische Spulen mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt auszubilden, wird in
Weiterer verwandter Stand der Technik ist in der
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 fill factor of the electrical conductor in the winding space. Furthermore, there is the task of specifying an electrotechnical coil that has an inexpensive construction with high energy density and of specifying an electric machine with such an electrotechnical coil.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der elektrotechnischen Spule erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Hinsichtlich der Elektromaschine erfolgt die Lösung erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Anspruches 14.With regard to the method for producing an electrotechnical coil, this object is achieved 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 configurations of the method and 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 Umbiegen eines Metallbandes ausgebildet wird, wobei das Metallband einen vieleckigen Querschnitt aufweist und um eine Wicklungs-Achse der Spule gebogen wird, wobei das Metallband von Biegestellen in aufeinanderfolgende Schlaufenabschnitte unterteilt ist, und die Biegestellen mit Ausnehmungen versehen sind, wobei die Ausnehmungen alternierend auf gegenüberliegenden Seiten des Metallbandes ausgebildet sind, und wobei beim Biegeprozess der jeweils nachfolgende Schlaufenabschnitt in die jeweils vorausgehende Ausnehmung eingepresst wird.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, the conductor loop being formed by bending over a metal strip, the metal strip having a polygonal cross section and being bent around a winding axis of the coil The metal band is subdivided into successive loop sections by bending points, and the bending points are provided with recesses, the recesses being formed alternately on opposite sides of the metal band, and the subsequent loop section being pressed into the respective preceding recess during the bending process.
Erfindungsgemäß wird ein Metallband mit vieleckigem Querschnitt um eine Wicklungs-Achse gebogen. 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.According to the invention, a metal strip with a polygonal cross section 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 formed or wound around a winding axis. This has the advantage that a semi-finished metal product made from a metal strip is a particularly inexpensive 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.According to a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip has a polygonal cross section with a width and a height that is a multiple of the width, which is achieved at a plurality of successive bending points spaced apart from one another on the metal strip by bending the metal strip at the respective bending point for forming the conductor loop is bent around the winding axis in such a way that the height of the conductor loop extends essentially 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 used particularly effectively and as little free space as possible remains that is 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.According to 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, the metal strip being subdivided by the successive bending points into successive loop sections, the loop section arranged after the bending point to and from in order to form an opening is bent onto the upstream loop section.
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.According to another step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is at the predetermined bending points of the metal strip at a predetermined first angle, which is greater than 0 ° and smaller than 90 °, relative to the center of gravity of the metal strip towards an upstream loop section of the Metal strip and pivoted through a second angle, which is less than or equal to 180 °, onto the loop section located in front of the subsequent loop section. This has the advantage that any coil shapes such as square, triangular, octagonal, etc. can be designed. Furthermore, it is possible that the loop section downstream of the upstream loop section can be bent not only by 180 °, but also by a smaller angle, so that the two loop sections do not lie against each other, but are slightly spaced, with a spiral or helical winding at the same time 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 step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is bent from a first transverse edge of the metal strip to a second transverse edge of the metal strip opposite the first transverse edge, so that the loop section 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 sections are pressed against one another, so that the outer surfaces of the loop sections are flush with one another. This has the advantage that there is no shoulder at the bending points or at the bending corners. The bending point can advantageously be provided with corresponding recesses, so that no complete pressing is necessary in order to avoid an edge shoulder.
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 Gesamtspule 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.According to a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is reshaped at the predetermined bending points to form the coil with at least two conductor loops or to form a spiral coil until a predetermined number of conductor loops is present to form the overall coil. This has the advantage that the method can be used to produce an overall coil by bending the metal strip several times, the number of windings of the overall coil being 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 Umbiegen 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.According to a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the metal strip is provided with insulation, in particular an insulation layer for electrically insulating the metal strip, before it is bent. This has the advantage that, in order to generate a magnetic field, the conductor loops are sufficiently electrically isolated from one another 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 checked more easily.
Nach einem weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule werden die Leiterschlaufen nach dem Umbiegen mit einer Isolation, insbesondere einer Isolationsschicht, zum elektrischen Isolieren der Leiterschlaufen, versehen.According to a further method step of the method for producing an electrotechnical coil, the conductor loops are provided with insulation, in particular an insulation layer, for electrical insulation of the conductor loops after they have been bent over.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine elektrotechnische Spule mit wenigstens einer eine Wicklung ausbildenden Leiterschlaufe bereitgestellt, wobei die Leiterschlaufe einen vieleckigen Profil-Querschnitt eines flächigen Metallbandes aufweist, wobei die Leiterschlaufen seitlich aneinander angrenzen und das Metallband von Biegestellen in aufeinanderfolgende Schlaufenabschnitte unterteilt ist, und die Biegestellen mit Ausnehmungen versehen sind, wobei die Ausnehmungen alternierend auf gegenüberliegenden Seiten des Metallbandes ausgebildet sind. 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, an electrotechnical coil with at least one conductor loop forming a winding is provided, wherein the conductor loop has a polygonal profile cross-section of a flat metal strip, the conductor loops laterally adjoining one another and the metal strip is divided into successive loop sections by bending points, and the bending points are provided with recesses, the recesses being formed alternately on opposite sides of the metal strip. This has the advantage that the electrotechnical coil has a particularly tight winding package. Flat 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 which extend flatly in one plane with one side of the width. Flat semi-finished products are preferably to be understood as meaning 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 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 around 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 slot receptacles of a stator.
Nach einer anderen Ausführungsform der elektrotechnischen Spule weist die elektrotechnische Spule wenigstens 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 conductor loop forming a winding, the conductor loop having an angular profile cross-section with a width and a height that is a multiple of the width, the conductor loop extending around an axis in such a way that that the height of the conductor loop extends essentially perpendicular to the direction of extension of the winding axis. This has the advantage that, as already stated above, the electrotechnical coil has the conductor loops which are particularly tightly packed and adjoining one another.
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 coil former. The course of the conductor loops that extend around the winding axis and are electrically coupled to one another is preferably spiral or helical, so that a winding of an electrotechnical coil is formed. The coil body preferably has the task of improving the magnetic field that can be generated with the electrotechnical coil, but it can also only have the function of mechanical stabilization of the electrotechnical coil.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der elektrotechnischen Spule weist das Metallband 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 exemplary embodiment of the electrotechnical coil, the metal strip has an electrically conductive metal or an alloy made of copper, aluminum, iron, etc. This has the advantage that particularly inexpensive materials can be used to manufacture the electrotechnical coil.
Erfindungsgemäß weist das Metallband Ausnehmungen zur Aufnahme von aufeinander gebogenen Schlaufenabschnitten an den Biegestellen des Metallbandes auf. 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 the invention, the metal strip has recesses for receiving loop sections bent onto one another at the bending points of the metal strip. This has the advantage that there is no crack at the folds of the bending corners of the electrotechnical coil. The recesses are preferably formed in the metal strip in such a way that the material thickness of the recesses arranged against one another at a bending point essentially corresponds to the material thickness of the non-weakened metal strip and no shoulder is formed.
Die elektrotechnische Spule weist mindestens eine Wicklung oder Leiterschlaufe auf, die aus einem metallischen Band 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 made of a material that conducts electrical current, 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 coil former 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 can be used, for example, 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 loudspeaker. The opening can be configured to receive the bobbin. The electrotechnical coil formed in the process can also be designed as a so-called air-core coil, in which no magnetically effective coil body is required. The coil body can also be provided only as a holding device for the electrotechnical 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 electrotechnical coil produced according to the method.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein Metallhalbzeug, insbesondere ein Metallband, das zur erfindungsgemäßen Herstellung einer elektrotechnischen Spule verwendet wird, -
1a eine Schnittansicht eines Schlaufenabschnittes des in Fig. gezeigten Metallhalbzeuges gemäß derSchnittlinie A-A aus 1 , -
1b eine Schnittansicht des in1 gezeigten Metallhalbzeuges gemäß der Schnittführung D-D, -
1c eine Schnittansicht eines Schlaufenabschnittes des in1 gezeigten Metallbandes gemäß der Schnittführung A-A für eine andere Ausführungsform der elektrotechnischen Spule mit variablem Querschnitt der Leiterschlaufen in Abhängigkeit der Lage der Leiterschlaufe in der Gesamtspule in Z-Richtung, -
2 eine perspektivische Teilansicht des in1 gezeigten Metallhalbzeuges, -
3 und3a unterschiedliche Ansichten des in1 gezeigten Metallhalbzeuges bei einem Biegeprozess, -
4 und4a unterschiedliche Ansichten des Abschluss eines ersten Biegeprozesses zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule, -
5 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Spule, die mehrere Leiterschlaufen aufweist und mittels der in3 bis4 gezeigten Biegeprozesse ausgebildet worden ist, -
5a eine Draufsicht auf die in5 gezeigte elektrotechnische Spule, -
5b ,6 und7 unterschiedliche Ausführungsformen einer elektrotechnischen Spule, die mittels des in3 bis4 gezeigten Biegeprozesses herstellbar sind, -
8 eine perspektivische Ansicht eines Metallhalbzeugs, das zu einer nicht erfindungsgemäßen Herstellung einer elektrotechnischen Spule verwendet wird, -
8a eine Detailansicht des Halbzeugs aus8 , -
8b eine Schnittansicht eines Schlaufenabschnittes des in8a gezeigten Stanzlings gemäß der Schnittführung C-C für eine elektrotechnischen Spule mit konstantem Querschnitt der Leiterschlaufen, -
8c eine Schnittansicht eines Schlaufenabschnittes des in8a gezeigten Stanzlings gemäß der Schnittführung C-C für eine andere Ausführungsform der elektrotechnischen Spule mit variablem Querschnitt der Leiterschlaufen in Abhängigkeit der Lage der Leiterschlaufe in der Gesamtspule in Z-Richtung, -
9 eine Draufsicht auf eine aus dem Halbzeug ausgestanzte Leiterschlaufe, mit einem Spalt, der einen ersten Anschlusssteg der elektrotechnischen Spule von einem zweiten Anschlusssteg desselben trennt, -
9a und9b unterschiedliche Seitenansichten der in9 gezeigten Leiterschlaufe, -
10 eine perspektivische Ansicht der in9 gezeigten Leiterschlaufe, -
11 eine perspektivische Ansicht mehrerer miteinander verbundenen Leiterschlaufen zur Ausbildung einer Gesamtspule, die nicht unter die vorliegende Erfindung fällt, -
12 eine Teilschnittansicht eines Stators einer Drehstromsynchronmaschine, wobei auf einem Zahn des Stators eine elektrotechnische Spule nach5 oder nach11 montiert ist, -
13 eine Draufsicht auf eine elektrotechnische Spule, die durch Biegen eines Metallbandes oder aus einzelnen ausgestanzten Leiterschlaufen ausgebildet ist, und -
13a und13b Schnittansichten der in13 gezeigten elektrotechnischen Spule gemäß den Schnittführungen D-D bzw. E-E.
-
1 a plan view of a metal semifinished product, in particular a metal strip, which is used for the production of an electrotechnical coil according to the invention, -
1a a sectional view of a loop portion of the semi-finished metal product shown in FIG. 1 according to thesection line AA 1 , -
1b a sectional view of the in1 shown metal semi-finished product according to the section line DD, -
1c a sectional view of a loop portion of the in1 shown metal strip according to the section line AA for another embodiment of the electrotechnical coil with variable cross-section of the conductor loops depending on the position of the conductor loop in the overall coil in the Z direction, -
2 a perspective partial view of the in1 shown semi-finished metal, -
3 and3a different views of the in1 shown semi-finished metal product in a bending process, -
4th and4a different views of the completion of a first bending process for the production of an electrotechnical coil, -
5 a perspective view of an electrotechnical coil according to the invention, which has a plurality of conductor loops and by means of the in3 until4th shown bending processes has been formed, -
5a a top view of the in5 Electrotechnical coil shown, -
5b ,6th and7th different embodiments of an electrotechnical coil, which by means of the in3 until4th shown bending process can be produced, -
8th a perspective view of a metal semifinished product that is used for a production of an electrotechnical coil not according to the invention, -
8a a detailed view of the semi-finished product8th , -
8b a sectional view of a loop portion of the in8a shown diecuts according to the section CC for an electrotechnical coil with a constant cross-section of the conductor loops, -
8c a sectional view of a loop portion of the in8a shown die cut according to the section line CC for another embodiment of the electrotechnical coil with variable cross-section of the conductor loops depending on the position of the conductor loop in the overall coil in the Z-direction, -
9 a top view of a conductor loop punched out of the semifinished product, with a gap which separates a first connecting web of the electrotechnical coil from a second connecting web of the same, -
9a and9b different side views of the in9 shown conductor loop, -
10 a perspective view of the in9 shown conductor loop, -
11 a perspective view of several interconnected conductor loops to form an overall coil, which does not fall under the present invention, -
12th a partial sectional view of a stator of a three-phase synchronous machine, with an electrotechnical coil on a tooth of the stator5 or after11 is mounted, -
13th a plan view of an electrotechnical coil which is formed by bending a metal strip or from individual punched-out conductor loops, and -
13a and13b Sectional views of the in13th Electrotechnical coil shown according to the section lines DD and EE.
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 vorgegebenen 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 bis 2 ,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 DurchmesserD1 und einem zweiten DurchmesserD2 ausgebildet werden. Der DurchmesserD1 kann in der Abmessung im Wesentlichen identisch zu dem DurchmesserD2 sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass der DurchmesserD1 kleiner oder größer als der DurchmesserD2 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.
- - Provision of a
metal band 10 with a predetermined length, a predetermined material thickness with a polygonal, preferably rectangular cross-section (1a) made of a plastically deformable and electrically conductive material, preferably a metal made of copper; where 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 according to the12th or13th ,13a ,13b is the material thickness over the length of the metal strip in the x-direction (1 ) variable, with the area A (z) for each conductor loop2.1 until2.n + 1 results 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 with a constant area A (z) = A. - - Forming recesses
13.1 until13.n at predetermined bending points12.1 until12.n , the recesses alternating on the opposite side of themetal strip 10 be formed so that atotal coil 100 can be trained. The number of predetermined bending points12.1 until12.n results from the shape of thecross-sectional profile 200 the electrotechnical coil to be trained100 and the number of conductor loops2.1 until2.n + 1 the electrotechnical coil to be trained100 . The recesses are preferred13.1 until13.n so deep at the bends12.1 until12.n introduced that a folded or curved recess13th when folded, such as in4th shown, the material thickness of thenon-weakened metal strip 10 having; - - If necessary, processing of the edge sections or edge sections of the conductor loops
2.1 until2.n + 1 for forming a substantially trapezoidal cross-sectional shape A of themetal strip 10 , for example by deforming, machining, chamfering, milling, eroding; - In a next step of the method, one of the loop sections is determined, preferably the first loop section
14.1 so that a the first loop section14.1 subsequent loop section or all loop sections following the first loop section14.2 until14.n can be folded or bent over onto the first loop section in a reshaping step, preferably in such a way that the loop sections on the first and on the second loop section14.1 ,14.2 adjacent recess13.1 is filled in by the fold and a bending corner15th is trained (see4th ); - - The above bending process is carried out at the predetermined bending points
12.1 until12.n that are in the recesses13.1 until13.n are provided, repeated until the loop sections have anopening 200 define and / or the desired number of loop sections2.1 until2 , n,2.n + 1 for forming theelectrotechnical coil 100 have been reshaped (see5 ). Bending at the bending points12.1 until12.n of themetal band 10 preferably takes place at a predetermined bending angle α, which can be greater than 0 ° and smaller than 90 °, relative to the center of gravity S of the metal strip and at a second angle β, which is less than or equal to 180 °, towards the subsequent loop section and on the upstream loop section. Depending on the bending angle α1, α2, for example, the in5a ,6th and7th shown cross-sectional profiles with a first diameterD1 and a second diameterD2 be formed. The diameterD1 may be substantially identical in dimension to the diameterD2 be. However, it is also conceivable that the diameterD1 smaller or larger than the diameterD2 is. The distances between the bending points can also be essentially the same size and / or different sizes, which also applies to the bending angles α1, α2 and β; - - the
metal band 10 can be provided with an insulation, in particular an insulation layer, for electrical insulation of the metal strip prior to reshaping. However, it is also possible to use themetal strip 10 trainedelectrotechnical coil 100 to provide the necessary electrical insulation after the forming process. The electrical insulation can be, for example, lacquer paper.
Ein nicht erfindungsgemäßes 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 out of a metal
semi-finished product 40 of one or a plurality of conductor loops2.1 until2.n + 1 each having anopening 200 define, wherein at least one of the loop sections of the conductor loop a gap20th is formed, the one of the loop sections14.1 until14.4 in a first connectingweb 21 and a second connecting web22nd separates. The gap20th can already be used while the conductor loops are being punched out2.1 until2.n + 1 from the semi-finished metal product orsheet metal 10 are formed. The conductor loops are preferably punched out of different semi-finished metal products with different material thicknesses, so that an overall coil as in FIG13th ,13a and13b can be formed. The respective area A of the respective punched-out conductor loops2.1 until2.n + 1 wise is constant in this case, the height h (z) and the material thickness b (z) for each conductor loop2.1 until2.n + 1 is designed differently, so that a groove42 astator 40 , as in12th displayed, is filled as tightly as possible by the ladder loops. - - If necessary, rework the edges or edge sections of the individual conductor loops
2.1 until2.n + 1 so that a the individual ladder loops2.1 until2.n + 1 have a substantially trapezoidal cross-section, for example by machining, chamfering, milling or eroding; - - If necessary, bend or move the first connecting
web 21 opposite the second connecting bridge22nd so that to form atotal coil 100 to the second connecting bridge22nd a first conductor loop2.1 the first connecting bridge21.2 a second conductor loop2.2 can be attached; - - Positioning the one connecting web of the one conductor loop on the connecting web of another conductor loop, the joint being connected in an electrically conductive manner by means of welding, clamping, pressing and / or gluing in order to form an overall coil. It is also possible to couple the joints of the connecting webs to one another in an electrically conductive manner by means of a plug connection;
- - Insulating the Lauter loops according to the joining process with an insulation, in particular an insulation layer, for the electrical insulation of the conductor loops.
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