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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wickelgut, insbesondere für Spulen bzw. Transformatorwicklungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Spule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8, einen Transformator gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 9, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelguts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Wickelgut von Transformatorenwicklungen (Primär- und Sekundärspulen) besteht in der Regel aus metallisch homogenem Kupfer bzw. Kupferlegierungen oder Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen in Draht- oder Bandausführung. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind die einzelnen Lagen durch nichtleitende Beschichtungen (Kupfer) bzw. Oxydschichten (Eloxierung von Aluminium) voneinander getrennt. Die Auswahl des Wicklungswerkstoffes bzw. der -ausführung hängt im Wesentlichen von Einsatzzweck bezüglich Stromstärke, zu übertragene Leistung bzw. Energiedichte, Bauform, Lebensdauer, etc. ab. Die Beschichtungsart bei Verwendung von Kupfer ist ebenfalls von diesen Einflußfaktoren abhängig. Aluminium mit gegenüber Kupfer geringerer elektrischer Leitfähigkeit, d. h. ungünstigeren elektrischen Eigenschaften, findet beispielsweise in Fällen Anwendung, bei denen erhöhte Anforderungen an die Isolationswirkung bestehen bzw. aufgrund der Einsatzbedingungen die Lebensdauer der Wicklungen zu stark begrenzt ist.
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Bandwicklungen besitzen im Vergleich zu Runddrahtwicklungen den Vorteil höherer Packungsdichte.
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Die Nachteile des Standes der Technik sind vielfältig und unterscheiden sich je nach Einsatzwerkstoff:
Isolierungsbeschichtungen für Wickelgut aus Kupfer weisen beispielsweise eine begrenzte Lebensdauer aufgrund hoher Wärmeausdehnungskoeffizienten, hydrophiler Eigenschaften und damit einhergehendem Alterungsverhalten auf.
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Für Wickelgut aus Aluminium bestehen Leistungs- bzw. Effizienzbegrenzung auf Grund der geringeren elektrischen Leitfähigkeit bzw. des erforderlichen höheren Bauraums.
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Auch weisen Isolierbeschichtungen für Wickelgut aus Kupfer, wie beispielsweise Harze, Lack oder Kunststoffe, ungünstigere ökologische Verträglichkeit gegenüber Oberflächenoxydierung bei Wickelgut aus Aluminium auf. Es besteht auch grundsätzlich eine bessere Entsorgbarkeit von oxydierten Oberflächen gegenüber den vorgenannten Beschichtungen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Wickelgut bereitzustellen, insbesondere ein Wickelgut bereitzustellen, welches eine gute elektrische Leitfähigkeit bei langer Lebensdauer der Isolierung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wickelgut mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass das Wickelgutinnenmaterial aus Kupfer oder eine Kupferlegierung besteht und das Wickelgutaußenmaterial aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, kann die Oberfläche des Wickelgutaußenmaterials analog einer homogenen Aluminiumwicklung eloxiert sein und damit die gegenüber sonstigen nichtleitenden Beschichtungen bessere, insbesondere grundsätzlich langlebigere, Isolierung aufweisen. Gleichwohl weist das Wickelgut durch das Wickelgutinnenmaterial aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine vorzügliche elektrische Leitfähigkeit auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen. Die Merkmale der Unteransprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte Spule bereitzustellen, insbesondere eine Spule bereitzustellen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit bei langer Lebensdauer der Isolierung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Spule mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten Transformator bereitzustellen, insbesondere einen Transformator bereitzustellen, der eine hohe Effizienz durch eine gute elektrische Leitfähigkeit der Spule bzw. Spulen und eine langlebige Isolation des Wickelguts der Spulen aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Transformator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Wickelgutes vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Wickelgut in einer perspektivischen Ansicht in einer Ausführungsform als plattierter Draht mit kreisförmigem Querschnitt (Runddraht);
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2 ein erfindungsgemäßes Wickelgut in einer perspektivischen Ansicht in einer Ausführungsform als plattierter Walzdraht mit einem rechteckförmigen Querschnitt;
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3a ein erfindungsgemäßes Wickelgut in einer perspektivischen Ansicht in einer Ausführungsform als plattiertes Band, bei dem die Seitenflächen aus den Rändern des Wickelgutinnenmaterials, als auch des Wickelgutaußenmaterials gebildet werden;
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3b ein erfindungsgemäßes Wickelgut in einer perspektivischen Ansicht in einer Ausführungsform als plattiertes Band, bei dem die Seitenflächen aus den Rändern des Wickelgutaußenmaterials gebildet werden;
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4 eine erfindungsgemäße Spule aus einem erfindungsgemäßen Wickelgut in einer perspektivischen geschnittenen Ansicht;
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5 ein erfindungsgemäßer Transformator mit mindestens einer erfindungsgemäßen Spule aus einem erfindungsgemäßen Wickelgut in einer geschnittenen Ansicht;
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6 ein erfindungsgemäßer Transformator mit mindestens einer erfindungsgemäßen Spule aus einem erfindungsgemäßen Wickelgut in einer geschnittenen Ansicht;
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7 ein erfindungsgemäßer Transformator mit mindestens einer erfindungsgemäßen Spule aus einem erfindungsgemäßen Wickelgut in einer geschnittenen Ansicht;
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8 ein erfindungsgemäßer Transformator mit mindestens einer erfindungsgemäßen Spule aus einem erfindungsgemäßen Wickelgut in einer geschnittenen Ansicht;
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9 ein erfindungsgemäßer Transformator mit einer erfindungsgemäßen Spule aus einem erfindungsgemäßen Wickelgut und einer herkömmlichen Spule/Wickelgut in einer geschnittenen Ansicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erfindungsgemäßes Wickelgut
- 2
- Transformatorkern
- 3
- herkömmliches Wickelgut/Spule
- S
- erfindungsgemäße Spule
- 11
- Wickelgutinnenmaterial
- 12
- Wickelgutaußenmaterial
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Ein erfindungsgemäßes Wickelgut umfasst im Wesentlichen ein Wickelgutinnenmaterial aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und ein Wickelgutaußenmaterial aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Als Kupferlegierungen kommen dabei beispielsweise Cu ETP, Cu HCP, Cu PHC in Frage.
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Als Aluminiumlegierungen kommen dabei beispielsweise AI 99,5 (EN AW 1050) in Frage.
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Das erfindungsgemäße Wickelgut kann in unterschiedlichen Ausführungsformen bereitgestellt werden. Eine nicht abschließende Anzahl von Beispielen ist in den Abbildungen dargestellt.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wickelguts ist als Draht mit kreisförmigem Querschnitt, auch Runddraht genannt, ausgeführt. Das Wickelgutinnenmaterial ist dabei als rundzylinderförmiger Draht ausgeführt, der koaxial von dem Wickelgutaußenmaterial umhüllt wird. Das Wickelgutaußenmaterial weist dabei die Form eines kreisförmigen Hohlzylinders auf.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wickelguts ist als Draht mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt. Das Wickelgutinnenmaterial ist dabei als im Querschnitt rechteckförmiges Flachband ausgeführt, welches in einem aus dem Wickelgutaußenmaterial bestehenden im Querschnitt rechteckförmigen Hohlzylinderband eingebettet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wickelguts ist als Band mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt. Das Wickelgutinnenmaterial ist dabei als im Querschnitt rechteckförmiges Flachband ausgeführt, welches zwischen zwei im Querschnitt rechteckförmigen Flachbändern aus dem Wickelgutaußenmaterial angeordnet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wickelguts ist als Band mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt. Das Wickelgutinnenmaterial ist dabei als im Querschnitt rechteckförmiges Flachband ausgeführt, welches in einem aus dem Wickelgutaußenmaterial bestehenden im Querschnitt rechteckförmigen Hohlzylinder eingebettet ist. Der Querschnitt des sich hieraus ergebenden Bandes ist etwas größer als der oben bereits skizzierte Draht.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch Kombination der beiden in Frage kommenden Werkstoffe für den Einsatz insbesondere als Transformatorenwicklung, d. h. Kupfer und Aluminium, aus, derart, dass Kupfer bzw. Kupferlegierung als Wickelgutinnenmaterial zu einer hohen Effizienz, insbesondere elektrische Leitfähigkeit, beiträgt und Alumimium bzw. Aluminiumlegierung als Wickelgutaußenmaterial die Verwendung von Isolationsbeschichtungen, insbesondere aus Lack, Kunststoff oder Harzenvermeidet. Das Wickelgutaußenmaterial bzw. dessen äußere Oberfläche kann zur Isolation eloxiert werden.
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Alle vorgenannten Ausführungsformen des Wickelgutes lassen sich vorzugsweise durch Plattieren, insbesondere durch Kaltwalzplattieren, herstellen. Das Wickelgutinnenmaterial ist dadurch grundsätzlich unlösbar mit dem Wickelgutaußenmaterial verbunden.
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Diese Materialkombination kann durch Einsatz von bimetallischen Werkstoffverbunden mit metallischer Bindung zwischen den Verbundpartnern, typischerweise von Kupfer und Aluminium, dargestellt werden. Als geeignete Werkstoffverbunde kommen im Falle von Bandwicklungen die bekannten Walzplattierverfahren und bei Drahtwicklungen Plattierverfahren durch z. B. Umwicklung von Kupferdraht mit Aluminiumband und anschließendem gemeinsamen Drahtzug in Frage. Die Plattierverfahren weisen neben der Herstellbarkeit eines Werkstoffverbundes an sich den Vorteil der Einstellung flexibler Lagenverhältnisse auf, mit denen die Gesamteffizienz beeinflußt werden kann. Speziell bei walzplattierten Bandwerkstoffen besteht einerseits die Möglichkeit einer sog. Overlay-Plattierung, bei der nur die eigentlichen Bandoberflächen verbunden sind, so dass u. U. die Stirnseiten der gespulten Bänder zusätzlich elektrisch zu isolieren sind. Andererseits bieten sich die sog. Corelay-Plattierungen an, bei denen das Innenmaterial (Cu) vollkommen oder zumindest an den Längsseiten von den Decklagen (Al) umschlossen ist. Ein entsprechendes Herstellverfahren eines Verbundwerkstoffs „Corelay-Plattierung” bzw. der Verbundwerkstoff „Corelay-Plattierung” ist in den Patentanmeldungen der Anmelderin
DE 10 2014 111 628 A1 und
DE 10 2014 111 625 A1 beschrieben. Im Falle einer vollständigen Ummantelung könnte eine zusätzliche Stirnseitenisolierung entfallen.
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Der beschriebene Werkstoffverbund mit der Aluminium-Aussenlage besitzt nun den Vorteil, dass die komplette Oberfläche analog einer homogenen Aluminiumwicklung eloxierbar ist und damit die gegenüber sonstigen nichtleitenden Beschichtungen bessere Isolierung aufweist. Im Falle einer Overlay-Plattierung sind die Bandkanten vor dem Eloxierverfahren u. U. noch zu isolieren.
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Aus den vorgenannten erfindungsgemäßen Wickelgütern lassen sich durch entsprechendes Aufwickeln ebenfalls erfindungsgemäße Spulen S herstellen, wie sie beispielsweise in 4 dargestellt ist. Für derartige Spulen finden sich zahlreiche Einsatzbereiche in elektrischen Anwendungen.
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Aus der vorgenannten erfindungsgemäßen Spule S bzw. dem erfindungsgemäßen Wickelgut 1 wiederum lässt sich ein ebenfalls erfindungsgemäßer Transformator herstellen, in dem mindestens eine Spule (Primär- und/oder Sekundärspule) zumindest abschnittsweise aus dem erfindungsgemäßen Wickelgut hergestellt ist. Vorzugsweise sind beide Spulen aus dem erfindungsgemäßen Wickelgut hergestellt, wie in den Abbildungen 5 bis 8 beispielhaft dargestellt. Denkbar sind aber ausdrücklich auch Transformatoren, bei dem beispielsweise eine oder einige Spulen aus einem herkömmlichen Wickelgut/Spule 3 hergestellt ist, wie beispielsweise in 9 dargestellt. Derartige Transformatoren finden zahlreiche Einsatzbereiche in elektrischen Anwendungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111628 A1 [0037]
- DE 102014111625 A1 [0037]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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