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Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule, die einen aufgewickelten elektrischen Leiter umfasst. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Spule.
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Aus dem Stand der Technik sind Stoffe mit guten Wärmeleitungseigenschaften bekannt, welche genutzt werden, um die Wärmeabfuhr von elektrischen Spulen elektrischer Maschinen zu verbessern. Allerdings ist der Einsatzbereich dieser Materialien begrenzt.
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Die
DE 689 08 470 T2 zeigt eine wärmeleitfähige Zusammensetzung, welche zur Ableitung von Wärme an elektronischen Kühlkomponenten genutzt werden soll. Es handelt sich dabei um ein thermisches Fett, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, jedoch eine geringe Viskosität aufweist. Das thermische Fett kann beispielsweise auf VLSI-Chips aufgetragen werden, welche abhängig von ihrer Leistung große Wärmemengen generieren.
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Die
EP 0 896 031 A2 beschreibt eine wärmeleitfähige Silikonzusammensetzung aus flüssigem Silikon, einem Eindickmittel, Organopolysiloxanen und Alkoxysilanen. Der flüssige Silikonanteil hat eine Viskosität von 50 Pa·s bis 500.000 Pa·s bei einer Umgebungstemperatur von 25°C, wobei die Viskosität der gesamten Silikonzusammensetzung durch einen hohen Anteil des Eindickmittels noch höher ist. Die Silikonzusammensetzung kann zur Wärmeableitung bei elektrischen Maschinen genutzt werden, indem sie direkt auf die elektrischen Leiter aufgetragen wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Wärmeabführung von elektrischen Spulen zu verbessern.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch elektrische Spulen gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 9 und 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung einer elektrischen Spule, die eine verbesserte Wärmeabgabe im Betrieb ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein elektrischer Leiter zu einem Behälter zugeführt. In dem Behälter ist ein hochviskoser, wärmeleitfähiger Werkstoff angeordnet. Das Zuführen erfolgt bevorzugt kontinuierlich. Bei dem elektrischen Leiter handelt es sich bevorzugt um einen Spulendraht, insbesondere um einen Kupferdraht. Der elektrische Leiter, d. h. insbesondere der Spulendraht ist bevorzugt mit einem Isolierlack beschichtet.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Leiter durch den im Behältnis befindlichen hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff hindurchgeführt, wodurch der elektrische Leiter mit dem hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff beschichtet wird. Das Behältnis kann von unterschiedlicher Geometrie sein. Bevorzugt ist das Behältnis durch ein Becken, durch eine Röhre oder durch eine Manschette gebildet. Beim Hindurchgleiten des elektrischen Leiters durch den hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff im Behältnis bleibt dieser Werkstoff direkt am elektrischen Leiter haften, sodass der elektrische Leiter bei Austritt aus dem Behältnis mit dem hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff beschichtet und damit veredelt ist.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Wickeln des beschichteten elektrischen Leiters, um eine Spule zu erhalten, wobei sich der auf dem beschichteten elektrischen Leiter befindliche hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff zwischen Windungen der Spule verteilt; bevorzugt homogen verteilt. Bei diesem Verteilen fließt der noch verformbare hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff zwischen den Windungen. Das Maß der Viskosität des Werkstoffes wird bevorzugt so gewählt, dass das Werkstoff, welcher den elektrischen Leiter umschließt, innerhalb der Wicklung, d. h. zwischen den Windungen fließen kann und sich verteilt; bevorzugt homogen verteilt. Das Wickeln erfolgt bevorzugt durch eine Rotation eines Trägers um seine Achse. Die Drehzahl des rotierenden Trägers, welcher den beschichteten elektrischen Leiter aufnimmt, ist an die Prozessgeschwindigkeit des gesamten Verfahrens angepasst.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein hochviskoser, wärmeleitfähiger Werkstoff prozesssicher, reproduzierbar und dauerhaft auf einen elektrischen Leiter einer elektrischen Spule aufgebracht werden kann, ohne dass die Eigenschaften des elektrischen Leiters sowie ggf. des Isolierlackes des elektrischen Leiters negativ beeinflusst werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass unterschiedlichste hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoffe eingesetzt werden können.
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Der hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff ist bevorzugt aushärtbar, sodass er nach dem Wickeln der Spule aushärtet. Die vollständige Aushärtung des hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoffes erfolgt bevorzugt nach dem Wickeln der Spule.
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Während des Wickelns der Spule und auch unmittelbar nach dem Wickeln der Spule befindet sich der hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff in einem Zustand, in welchem er vernetzbar ist, sodass sich Vernetzungen innerhalb der Beschichtung des elektrischen Leiters als auch zwischen nach dem Wickeln benachbarten Abschnitten der Beschichtung des elektrischen Leiters ausbilden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens füllt der hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff einen Raum zwischen benachbarten der Windungen der Spule aus. Bevorzugt wird die Mehrzahl der Räume zwischen den benachbarten der Windungen der Spule ausgefüllt. Bevorzugt werden im Wesentlichen sämtliche der Räume zwischen den benachbarten der Windungen der Spule ausgefüllt. Diese Räume werden bevorzugt homogen ausgefüllt. Das Ausfüllen der Räume erfolgt dadurch, dass sich der hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff in diesen Räume verteilt, d. h. in diese Räume fließt.
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Die Beschichtung des elektrischen Leiters bestehend aus dem hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff weist eine Dicke auf, die bevorzugt mindestens so groß ist, dass die Räume zwischen den benachbarten der Windungen der Spule ausfüllbar sind. Entsprechend füllt der noch verformbare hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff nach dem Wickeln der Spule die Räume zwischen den benachbarten der Windungen der Spule aus.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Leiter abhängig von der Art des hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoffes bestimmten Vorbearbeitungsverfahren unterzogen, damit das Werkstoff die gewünschten Haft- und Fließeigenschaften zeigt, wenn er auf den elektrischen Leiter aufgetragen wird.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen wird der elektrische Leiter in Form eines Spulendrahtes dem Behältnis mit dem hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff zugeführt.
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Bei dem zu verwendenden Behältnis, welches den hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff beinhaltet, handelt es sich bevorzugt um ein Becken, eine Röhre, eine Manschette oder andere Geometrien, die ein Hindurchführen des elektrischen Leiters durch den hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff ermöglichen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der beschichtete elektrische Leiter auf einen Einzelzahn, einen Spulenträger oder auf eine andere Geometrie, welche ein Aufwickeln eines elektrischen Leiters ermöglicht, aufgewickelt.
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Die Wärmeleitfähigkeit des hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoffes beträgt bevorzugt mindestens 1,5 W/(m·K); besonders bevorzugt mindestens 15 W/(m·K).
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Die Viskosität des hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoffes beträgt bevorzugt mindestens 1.000 mPa·s; besonders bevorzugt mindestens 10.000 mPa·s.
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Der hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff umfasst bevorzugt einen hochviskosen Trägerstoff, in welchem eine Vielzahl an wärmeleitfähigen Partikeln angeordnet ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Leiter abhängig von der Art des hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoffes bestimmten Nachbearbeitungsverfahren unterzogen, nachdem der elektrische Leiter beschichtet und aufgewickelt wurde. Insbesondere wird der hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff nach dem Wickeln der Spule bevorzugt ausgehärtet. Hierfür wird die Spule bevorzugt mit Wärme oder mit UV-Strahlung bestrahlt und/oder eine Aushärtungszeitdauer abgewartet.
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Die erfindungsgemäße Spule ist durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Spule durch bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar.
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Die erfindungsgemäße Spule umfasst mehrere Windungen eines elektrischen Leiters, der mit einem wärmeleitfähigen Werkstoff beschichtet ist. Der wärmeleitfähige Werkstoff ist zwischen Windungen der Spule verteilt und füllt bevorzugt dazwischen befindliche Räume aus. Der wärmeleitfähige Werkstoff ist hochviskos oder der wärmeleitfähige Werkstoff war vor einer Aushärtung hochviskos.
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Die elektrische Spule umfasst bevorzugt einen Spulenkern, auf dem sich die Windungen des beschichteten elektrischen Leiters befinden.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Spule besteht darin, dass neben einer Erhöhung der Leistungsdichte der die elektrische Spule umfassenden Maschine die maximal benötigte Dauertemperatur gesenkt werden kann. Dementsprechend können kostengünstigere Materialien eingesetzt bzw. eine kleinere Bauform bei gleicher Leistung erzielt werden.
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Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Spule auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein elektrischer Leiter 01 in Form eines Drahtes wird in seiner ursprünglichen Form von einer Vorrichtung 02, welche den elektrischen Leiter 01 bevorratet, zu einem Behältnis 03 geführt. Das Behältnis 03 enthält einen hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff 04. Wenn der elektrische Leiter 01 durch den hochviskosen, wärmeleitfähigen Werkstoff 04 im Behältnis 03 geführt wird, wird auf den elektrischen Leiter 01 dieser hochviskose, wärmeleitfähige Werkstoff 04 aufgebracht. Der beschichtete elektrische Leiter 06 verlässt das Behältnis 03 dann in einem beschichteten Zustand und wird von einem Spulenträger 07 aufgewickelt, wofür sich der Spulenträger 07 um seine Achse bewegt. Die Richtung des Prozessablaufes ist durch einen Pfeil 08 symbolisiert. Die Richtung des Wickelns auf den Spulenträger 07 ist durch Pfeile 09 symbolisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- elektrischer Leiter
- 02
- Vorrichtung zur Zuführung des elektrischen Leiters
- 03
- Behältnis
- 04
- hochviskoser, wärmeleitfähiger Werkstoff
- 05
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- 06
- beschichteter elektrischer Leiter
- 07
- Spulenträger
- 08
- Pfeil
- 09
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 68908470 T2 [0003]
- EP 0896031 A2 [0004]
