DE102016226268A1 - Elektrotechnische Spule sowie Verfahren und Anordnung zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist auf eine elektrotechnische Spule mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Windung gerichtet, wobei der elektrische Leiter wenigstens abschnittsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als ein Trägermaterial und Kupfer oder eine Kupferlegierung als eine das Trägermaterial umgebende Außenschicht umfasst. Die Erfindung ist des Weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule gerichtet. In einem solchen Verfahren wird eine Spulengeometrie mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Windung gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugt und vor oder nach der Erzeugung der Spulengeometrie ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehendes Trägermaterial des elektrischen Leiters mit einer Außenschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung überzogen. Schließlich ist die Erfindung auch auf eine Anordnung gerichtet, die in einem vorbeschriebenen Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen kann.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrotechnische Spule, die zum Beispiel als massenproduzierte Standardware in entsprechenden Elektromaschinen (wie insbesondere Elektromotoren oder -generatoren) eingesetzt werden kann. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren sowie auf eine Anordnung zur Herstellung einer solchen elektrotechnischen Spule.
• Eine elektrotechnische Spule (im Folgenden auch teilweise abkürzend als Spule bezeichnet) besitzt einen spiralförmigen Aufbau, wobei ein elektrischer Leiter mit einer oder mehreren Windungen um eine die Spulenlängsachse bildende Mittelachse herum verläuft. Als Leitermaterial hat sich für derartige elektrotechnische Spulen aufgrund seiner hervorragenden (nur von Silber übertroffenen) elektrischen Leitfähigkeit von k_Cu = 60 m/(Ωmm²), aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere bezüglich der Verarbeitung, und aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit Kupfer durchgesetzt.
• Um hohe Leitfähigkeitswerte zu erreichen, ist Kupfer mit einem möglichst geringen Anteil an Verunreinigungen erforderlich. So muss zur Sicherstellung der in den ISO-Normen verlangten Mindestleitfähigkeit von k_Cu = 58 m/(Ωmm²) für die Drahtherstellung Reinkupfer (Elektrolytkupfer) mit einer Reinheit von mindestens 99,90 % verwendet werden („Kupfer in der Elektrotechnik - Kabel und Leitungen“, Herausgeber: Deutsches Kupferinstitut e.V., 2000) .
• Kupfer ist jedoch ein in der Erdkruste nur sehr begrenzt vorkommendes Metall. Die noch vorhandenen Lagerstätten enthalten wenig Erz mit geringer Kupferkonzentration. Während die Nachfrage nach Kupfer (insbesondere aufgrund der boomenden Elektronikbranche) in den letzten Jahrzehnten rasant angestiegen ist, konnten die Fördermengen nur langsam gesteigert werden. Diese einseitige Entwicklung hat zu einem Angebotsdefizit geführt und den Kupferpreis auf dem Weltmarkt in jüngster Zeit wieder über die Marke von 5.000 Euro pro Tonne Kupfer getrieben.
• Weiterhin gilt es zu berücksichtigen, dass Kupfer mit einer Dichte von ρ = 8,92 g/cm³ zu den Schwermetallen gehört. Demzufolge weisen Bauteile aus Kupfer oder Kupferlegierungen eine verhältnismäßig hohe Eigenmasse auf. Dies erweist sich insbesondere bei elektrotechnischen Spulen, die regelmäßig in schnelllaufenden Maschinen (Motoren oder Generatoren) zum Einsatz kommen, als nachteilhaft, da die dynamischen Eigenschaften solcher Maschinen durch eine hohe Spulenmasse negativ beeinflusst werden. Insbesondere wirkt sich eine erhöhte Spulenmasse in Form einer entsprechend erhöhten Zentripetalkraft aus, welche die Schaltungsanordnung der Maschine mechanisch belastet und somit ihre Betriebszuverlässigkeit (zum Beispiel aufgrund eines erhöhten Risikos des mechanischen Versagens einer Spulenwicklung) vermindert.
• Aus dem Hochspannungs-Freileitungsbau ist es bekannt, ein Freileitungsseil aus einem Stahlkern (Stahlseele) mit hoher mechanischer Belastbarkeit und einem den Stahlkern ummantelnden spiralförmigen Geflecht aus Aluminiumdrähten für die Stromführung aufzubauen. Insbesondere bei hohen Frequenzen und großen Längen, wie sie im Bereich der Energieübertragung von der Quelle zum Verbraucher regelmäßig vorliegen, ist eine solche Materialkombination sinnvoll. Die Anforderungen an elektrotechnische Spulen (hinsichtlich ihrer Herstellung und ihres Einsatzes in Elektromaschinen oder elektrotechnischen Anordnungen) sind jedoch größtenteils gänzlich andere, sodass die in dem vorgenannten Bereich gewonnenen Erkenntnisse nicht auf solche Spulen übertragbar sind.
• Insbesondere muss in diesem Zusammenhang beachtet werden, dass elektrotechnische Spulen dafür ausgelegt sind, zumindest abschnittsweise formschlüssig einen Vorsprung, insbesondere einen Zahn eines Stators, zu umfassen bzw. zu umwickeln und/oder zumindest abschnittsweise formschlüssig in eine Vertiefung und/oder einen Hohlraum, insbesondere in eine Nut eines Stators, eingebracht zu werden.
• Dabei hängt die erreichbare Drehmomentdichte permanenterregter Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung maßgeblich von dem Verhältnis von gesamter Kupferquerschnittsfläche zur Nutfläche, dem sogenannten Nutfüllfaktor, ab. Eine Erhöhung des Füllfaktors ermöglicht bei gleichbleibendem Drehmoment einen flacheren Aufbau des Stators oder eine Verbreiterung der Zähne zur Entlastung des Magnetkreises. Demzufolge ist es zur verbesserten Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums wichtig, einen möglichst hohen Nutfüllfaktor zu erzielen. Zudem müssen zur Minimierung des Leiterwiderstandes bei durchströmten Leitern auch eine ausreichende Kühlung und die Reduzierung frequenzabhängiger Zusatzverluste gewährleistet sein.
• Eine wesentliche geometrische Einschränkung liegt im Stand der Technik aber in den beschränkten Möglichkeiten zum Einsatz unterschiedlicher Leiterquerschnitte. Üblicherweise kommen nämlich Runddrähte für Spulen bzw. Spulenwicklungen zum Einsatz, bei denen selbst bei optimaler Raumausnutzung immer ein nicht nutzbarer Zwischenraum zwischen den einzelnen Windungen, insbesondere bei konisch ausgeführten Spulen, verbleibt. Auch die notwendige Isolation, die Drahteinführung und die diskrete Verteilung der Leiter begrenzen den Füllfaktor. Die in der EP 2 387 135 A2 vorgeschlagene Herstellung von elektrotechnischen Spulen durch Gießen ist ein sehr aufwendiges Prozess, da unbedingt Ausformschrägen für die Entnahme aus der Gussform notwendig sind, was wiederum zu geringerer Raumausnutzung führt.
• Da der letztendlich erzielte Nutfüllfaktor zudem bei der elektromagnetischen Auslegung eines Motors nur geeignet geschätzt und aufgrund der Unkenntnis der späteren tatsächlichen Ausführung des Motors nicht berechnet werden kann, werden die Motoren aufgrund der höheren notwendigen Massen (Kupfer der Spulen und/oder Spulenwicklungen und Blechpakete des Stators und Rotors) tendenziell zu schwer und zu groß.
• Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit den heute üblichen Verfahren der Herstellung von Spulen und/oder Spulenwicklungen technische und wirtschaftliche Grenzen der Nutfüllung mit einzelnen Windungen bestehen. Ein Nutfüllfaktor von 70 % ist bereits ein sehr guter Wert, wobei die technisch wie wirtschaftlich sinnvoll realisierbaren Grenzen momentan bei ca. 75 % bis 80 % liegen.
• Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrotechnische Spule sowie ein Verfahren und eine Anordnung zu ihrer Herstellung bereitzustellen, durch welche die technischen und wirtschaftlichen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
• Gelöst wird diese Aufgabe im Hinblick auf die elektrotechnische Spule durch eine Spule mit den Merkmalen nach Anspruch 1, im Hinblick auf das Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 8 und im Hinblick auf die Anordnung zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule durch eine Anordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 14. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
• Zur Lösung der Aufgabe umfasst bei einer elektrotechnischen Spule mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Windung der elektrische Leiter wenigstens abschnittsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als ein Trägermaterial und Kupfer oder eine Kupferlegierung als eine das Trägermaterial umgebende Außenschicht.
• Die erfindungsgemäße Spule ist also aus einem spiralförmig mit einer oder mehreren Windungen gewundenen elektrischen Leiter gebildet, der in seinem Inneren einen Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und auf seiner Außenseite eine den Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ummantelnde Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist. Mit dieser Materialkombination werden in der erfindungsgemäßen Spule die Vorteile beider Werkstoffe (Aluminium und Kupfer) vereint und optimal ausgenutzt.
• Im Nachfolgenden sind von den Ausdrücken Kupfer und Aluminium auch jeweils alle Legierungen mit den Hauptbestandteilen Kupfer bzw. Aluminium mit einbezogen.
• Der sogenannte Skin-Effekt besagt, dass in von höherfrequentem Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leitern, die Stromdichte im Inneren eines Leiters deutlich niedriger ist als in äußeren Bereichen. Bei dem in der erfindungsgemäßen Spule eingesetzten elektrischen Leiter nutzt man den Skin-Effekt insofern aus, als man mit einem Kupfermantel umgebene Aluminiumdrähte verwenden kann, ohne dadurch nennenswerte Leitfähigkeitseinbußen hinnehmen zu müssen, da sich die Stromleitung doch im Wesentlichen in der äußeren Kupferschicht abspielt.
• Die den Aluminiumkern umgebende Außenschicht aus Kupfer trägt zudem zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität im Sinne einer minimalen Oberflächenrauheit bei. Der Begriff Außenschicht im Sinne der Erfindung ist dabei nicht einschränkend dahingehend zu interpretieren, dass diese Außenschicht nicht wiederum von weiteren (in nachgelagerten Verfahrensschritten aufgebrachten) Schichten umgeben sein darf. Die durch die Kupferbeschichtung bereitgestellte verbesserte Oberflächenqualität ermöglicht nämlich gerade das anschließende Aufbringen einer Isolationsbeschichtung zum elektrischen Isolieren der Spule, die in unterschiedlichen Verfahren (Pulverlackieren, kathodisches oder anodisches Tauchlackieren ...) anforderungsgerecht realisiert werden kann.
• Die Außenschicht aus Kupfer entfaltet ihre oberflächenglättende Wirkung insbesondere im Zusammenhang mit gießtechnisch hergestellten (wie zum Beispiel im Stand der Technik gemäß EP 2 387 135 A2 beschriebenen) Spulen. Die geometrischen Freiheitsgrade bei der gießtechnischen Herstellung ermöglichen zwar eine Erhöhung des Nutfüllfaktors, sodass die elektrischen Leitfähigkeitsnachteile von Aluminium ausgeglichen werden und seine Verwendung als Leiterwerkstoff infrage kommt. Als problematisch erweist sich aber vor allem bei verlorenen Gießformen, die aus einem porösen Formstoff geformt sind und zur Entformung des Gussteils nach der Erstarrung der Schmelze zerstört werden, dass die erhaltenen Gussteile eine raue Oberfläche besitzen. Demzufolge liegt auch bei einer in verlorener Form gegossenen Aluminiumspule eine verhältnismäßig raue Windungsoberfläche vor, mit der negativen Folge, dass im späteren Einsatz der Aluminiumspule Behinderungen der elektrotechnischen Performance, wie beispielsweise eine Verringerung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit, zu verzeichnen sind. Da Kupfer aber eine exzellente Mikrostreufähigkeit aufweist, können Ungänzen (wie Kerben oder Poren) in der Oberfläche des Trägermaterials (Aluminium) von einem nachträglich aufgebrachten Überzug aus Kupfer sehr gut verschlossen werden, um eine vollständige Einebnung der Oberfläche zu erreichen. Auf diese Weise können die vorerläuterten Defizite bei gießtechnisch hergestellten Spulen beseitigt werden.
• Außerdem geht das Aufbringen einer Kupferbeschichtung auf die elektrotechnische Spule vorteilhafterweise mit einer Erhöhung des Nutfüllfaktors einher. So ist es möglich, größere Luftspalte, die bei dem jeweiligen gießtechnischen und / oder umformtechnischen Spulenherstellungsverfahren zwischen benachbarten Windungen entstehen, durch die nachträglich aufgebrachte Außenschicht aus Kupfer ganz oder teilweise auszufüllen, wodurch sich ein deutlich verbesserter Nutfüllfaktor (von über 90 %) ergibt.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der gießtechnischen und/oder umformtechnischen Herstellung von Spulen. Der Einsatz von preiswertem Aluminium als Trägermaterial, welches lediglich mit einer dünnen Außenschicht aus teurerem Kupfer überzogen wird, ermöglicht eine deutliche Senkung der Halbzeugkosten bei geringem Einsatz an Fertigungsmitteln.
• Aufgrund der geringen Dichte von Aluminium mit ρ = 2,7 g/cm³ kann das Spulengewicht auf einen Bruchteil (ca. ein Drittel) einer massiven Kupferspule reduziert werden. Elektrotechnische Spulen können im Einsatzfall als integraler Bestandteil sich schnell bewegender Bauteile (wie insbesondere Rotoren von Elektromotoren) selbst hohen Beschleunigungen ausgesetzt sein. Infolge des erfindungsgemäß reduzierten Spulengewichtes wird eine größere und effizientere Beschleunigung der Spule bzw. der Spulen und somit des jeweiligen bewegten Bauteils (zum Beispiel Rotors) ermöglicht. Dies erlaubt wiederum eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der jeweiligen übergeordneten Baugruppe, beispielsweise ein schnelleres Ansprechverhalten eines Elektromotors.
• Außerdem dient zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule, indem eine Spulengeometrie mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Windung gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugt wird und vor oder nach der Erzeugung der Spulengeometrie ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehendes Trägermaterial des elektrischen Leiters mit einer Außenschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung überzogen wird.
• Das Aufbringen des Kupferüberzugs kann also prinzipiell vor oder nach der Erzeugung der Spulengeometrie erfolgen. Im erstgenannten Fall können kupferbeschichtete Aluminiumhalbzeuge (insbesondere kupferbeschichtete Aluminiumdrähte) zum Einsatz kommen, die um eine die Spulenlängsachse bildende Wicklungsachse herum gewickelt werden, um die gewünschte Spulengeometrie auszubilden. Im zweitgenannten Fall wird aus Aluminium zumindest eine Spulenvorgeometrie gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugt und erst im Anschluss wird die so erhaltene Aluminiumspule mit einer Außenschicht aus Kupfer überzogen, wobei dies insbesondere durch elektrolytische Abscheidung des Kupfers auf der Oberfläche der als Kathode geschalteten Aluminiumspule geschehen kann.
• Dementsprechend wird die oben genannte Aufgabe schließlich auch durch eine Anordnung zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Windung gelöst, die eine mit einer elektrolytischen Flüssigkeit gefüllte Wanne und eine zumindest teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit eingetauchte und mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle in elektrisch leitender Verbindung stehende lösliche Anode aus Kupfer oder einer Kupferlegierung umfasst, wobei der elektrische Leiter aus einem zumindest teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit eingetauchten Trägermaterial aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, welches mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle in elektrisch leitender Verbindung steht und eine Kathode bildet.
• Eine solche elektrolytische Anordnung erlaubt eine nachträgliche Beschichtung der gießtechnisch und/oder umformtechnisch hergestellten Aluminiumspule mit Kupfer. Zwar ist auch das Umformen eines mit Kupfer beschichteten Halbzeuges grundsätzlich denkbar, jedoch besteht hier die Gefahr eines mechanischen Versagens der Kupferschicht aufgrund der durch die nachfolgenden Umformvorgänge eingebrachten Belastungen (Scherung und Biegung). Infolge von Rissen in der Oberflächenbeschichtung können so unerwünschte Spannungsspitzen oder ähnliche Störungen auftreten. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen elektrolytischen Anordnung wird hingegen nach Abschluss des Abscheidevorganges die fertige, kupferbeschichtete Aluminiumspule erhalten, die keinen zusätzlichen spannungsverursachenden Formänderungen mehr unterzogen werden muss. Die Steuerung des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung in der erfindungsgemäßen Anordnung bietet darüber hinaus eine einfache Möglichkeit, um die Qualität (und hier insbesondere die Dicke und Dichte) der abgeschiedenen Kupferschicht reproduzierbar einzustellen.
• In der einzigen Figur ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Vorteile nachfolgend näher erläutert werden.
• Die einzige Figur zeigt schematisch die Prozesskette eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Spule 1 sowie eine in einem solchen Verfahren zur Anwendung kommende erfindungsgemäße Anordnung 13 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Spule 1.
• Die erfindungsmäße Spule 1 ist aus einem elektrischen Leiter 2 gebildet, der Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als ein Trägermaterial 4 und Kupfer oder eine Kupferlegierung als eine das Trägermaterial 4 umgebende Außenschicht 5 umfasst. Zum Erhalt einer solchen Spule 1 kommt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einsatz, das in zwei grundlegende Verfahrensschritte unterteilt werden kann.
• In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Spulengeometrie erzeugt, bei der ein elektrischer Leiter 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer oder mehreren Windungen 3a, 3b, 3c ... um eine zentrale Spulenlängsachse A herum angeordnet wird. In der einzigen Figur ist nur die sich nach Fertigstellung dieses ersten Verfahrensschritts ergebende (unbeschichtete) Aluminiumspule 6 in der linken Zeichnungshälfte gezeigt. Die genaue Art und Weise der Herstellung dieser (unbeschichteten) Aluminiumspule 6 ist in der einzigen Figur aber nicht dargestellt und wird weiter unten näher beschrieben.
• In einem zweiten Verfahrensschritt, der in der rechten Zeichnungshälfte der einzigen Figur wiedergegeben ist, wird das aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Trägermaterial 4 der im ersten Verfahrensschritt hergestellten Spule 6 mit einer Außenschicht 5 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung überzogen, um so die erfindungsgemäße Spule 1 zu erhalten. Die genaue Ausbildung des bzw. der in der Figur gezeigten Verfahrens bzw. Anordnung 13 zur Herstellung der erfindungsgemäßen kupferbeschichteten Aluminiumspule 1 wird ebenfalls im Weiteren noch näher erläutert.
• Die Erzeugung der Spulengeometrie muss keineswegs nach dem ersten Verfahrensschritt abgeschlossen sein. Insbesondere kann auch noch nach dem Überzug der Spule mit Kupfer oder einer Kupferlegierung die Spule 1 weiteren Bearbeitungs- und/oder Behandlungsschritten, wie dem Auftragen eines Überzugs aus Isolationsmaterial oder einer Wärmebehandlung, beispielsweise einem Weichglühen, unterzogen werden, um die endgültige Spulengeometrie und -beschaffenheit zu erhalten.
• Grundsätzlich bieten sich für die im ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführte Erzeugung einer Spule 6 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gießtechnische oder umformtechnische Herstellungsverfahren an, wobei gießtechnische und umformtechnische Prozesse in Form einer Prozesskette auch miteinander verbunden sein können, zum Beispiel indem zunächst eine Spule in einer Spulenvorgeometrie gegossen und diese zum Erhalt der Spulenendgeometrie nachträglichen Umformschritten unterworfen wird.
• Die gießtechnische Erzeugung der Spulengeometrie kann durch Eingießen einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine Negativform, insbesondere eine Dauerform oder eine verlorene Form, anschließendes Erstarren der Schmelze in der Negativform und abschließendes Entformen und Säubern der gegossenen Aluminiumspule 6 erfolgen. Die gießtechnische Spulenherstellung bietet zwar gegenüber konventionellen umformbasierten Spulenherstellungsverfahren eine hohe gestalterische Freiheit. Ein solcher Gießprozess ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Oberfläche des Gussbauteils bedingt durch die Gießform, insbesondere im Fall einer aus porösem Material (wie Lehm, Sand oder Zement) gebildeten verlorenen Form, unweigerlich eine relativ große Rauheit aufweist. Diese große Rauheit der Gussoberfläche erschwert das nachträgliche Aufbringen einer Isolation, bevorzugt einer Isolationsmaterialschicht, auf die Windungsoberfläche zum elektrischen Isolieren der Spule 6.
• Die Erfindung schafft hier aber Abhilfe, indem die Windungsoberfläche der Spule 6 durch den nachträglich aufgebrachten Überzug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung geglättet wird. Die Oberflächenrauheit der (zum Beispiel durch elektrolytische Abscheidung aufgebrachten) Außenschicht 5 aus Kupfer ist nämlich deutlich geringer als diejenige des Trägermaterials 4 aus erstarrtem Aluminium. Die glatte Oberfläche der Kupfer-Außenschicht 5 genügt somit den Anforderungen, um eine unlösbare Verbindung mit einem Isoliermaterial zu gewährleisten. Folglich kann die Außenschicht 5 aus Kupfer in einem nachgelagerten (in der Figur nicht gezeigten) Oberflächenbehandlungsschritt wiederum mit einer Isoliermaterialschicht ummantelt werden.
• Die in der linken Zeichnungshälfte exemplarisch gezeigte Spulenvorgeometrie oder Spulenendgeometrie kann alternativ oder ergänzend zur vorbeschriebenen gießtechnischen Herstellung auch umformend erzeugt werden, indem ein Aluminiumhalbzeug in Form eines Aluminiumdrahtes um eine die Spulenlängsachse A bildende Wicklungsachse herum gewickelt und gegebenenfalls vor, gleichzeitig oder nach diesem Wickelvorgang zusätzlichen Umformschritten unterzogen wird. Solche zusätzlichen Umformschritte können darin bestehen, dass die vorgewickelte Spule in ein Prägewerkzeug eingelegt und beim Schließen des Prägewerkzeugs mit einem in Richtung der Spulenlängsachse A wirkenden axialen Druck derart beaufschlagt wird, dass die Windungen 3a, 3b, 3c ... der vorgewickelten Spule zur Erzielung der endgültigen Spulenform umgeformt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die vorgewickelte Aluminiumspule in ein anderes Prägewerkzeug eingelegt werden, wo einzelne oder alle Windungen 3a, 3b, 3c ... der Spule mittels eines Prägestempels - von der Spulenlängsachse A aus gesehen - radial nach außen in eine Prägematrize gedrückt werden, um der Spule die gewünschte Form zu geben.
• Obgleich nicht in der einzigen Figur dargestellt, ist es auch vorstellbar und von der Erfindung umfasst, die Spulengeometrie umformtechnisch aus einem als kupferbeschichteten Aluminiumdraht vorliegenden elektrischen Leiter zu erzeugen, indem ein solcher Leiter um eine die Spulenlängsachse bildende Wicklungsachse herum gewickelt und gegebenenfalls vor, gleichzeitig oder nach dem Wickelvorgang weiteren Umformschritten unterzogen wird. Auf diese Weise entfällt der in der rechten Zeichnungshälfte der einzigen Figur gezeigte (elektrolytische) Beschichtungsvorgang, sodass die für die Spulenherstellung benötigten Fertigungsmittel reduziert werden und das Herstellungsverfahren weiter vereinfacht wird.
• Die Geometrie der Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 2 in der gießtechnisch und / oder umformtechnisch erzeugten Aluminiumspule 6 kann derart angepasst werden, dass ein möglichst hoher Nutfüllfaktor bzw. eine möglichst hohe Kühlleistung (bei durchströmten Leitern) erreicht wird. Bislang wurden Spulen zumeist aus Runddraht gewickelt. Hierbei ergibt sich durch die unvermeidbaren Zwischenräume aufgrund der runden Gestalt des verwendeten Halbzeuges eine schlechte Nutfüllung. Die Folge davon sind verhältnismäßig schlechte elektrische Kennwerte der Spule. Durch geeignete Formänderungen am Leiter 2 bzw. an den Windungen 3a, 3b, 3c ... der Spule 6 lässt sich der Nutfüllfaktor aber deutlich steigern.
• So muss der Leiterquerschnitt in der erfindungsgemäßen Spule 1 keineswegs durchgehend kreisförmig, sondern kann zumindest abschnittsweise oval und/oder trapezförmig, insbesondere - wie in der linken Zeichnungshälfte zu sehen - rechteckförmig, ausgebildet sein. Diese gezeigte rechteckförmige Ausbildung des Leiterquerschnittes eröffnet (gegenüber einem konventionellen runden Drahtquerschnitt) die Möglichkeit, die Windungen 3a, 3b, 3c ... der Spule 6 optimal an ein zur Verfügung stehendes Nutfenster anzupassen, sodass wirkungsgradmindernde Luftspalte zwischen den Windungen 3a, 3b, 3c ... eliminiert oder zumindest minimiert werden können.
• Je nach Einbaufall kann es sich zudem als nützlich erweisen, die Geometrie des Leiterquerschnittes über die Leiterlänge zu verändern. So kann in Anpassung an eine Geometrie einer aufzufüllenden Vertiefung (zum Beispiel an eine Nut zwischen radial nach außen bzw. innen stehenden Polzähnen eines Rotors oder Stators) kontinuierlich von Wicklung zu Wicklung 3a, 3b, 3c ... eine (senkrecht zur Spulenlängsachse A erfolgende) Verbreiterung oder Verschmälerung des Leiterquerschnittes vorliegen. Auf diese Weise kann ein formschlüssiges Auffüllen der maschinenseitigen Vertiefung gewährleisten werden, um den Nutfüllfaktor hochzuhalten. Die vorgeschilderte Breitenänderung kann mit einer entgegengesetzten Höhenänderung des Leiterquerschnittes verbunden sein, um die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 2 wicklungsunabhängig auf einem konstanten Wert zu halten und somit bei gegebenen Phasenströmen eine vorab definierte Leistung abgeben zu können.
• Die Erfindung ist ferner nicht auf eine bestimmte Spulenform beschränkt. Mit Spulenform ist hier die in Richtung der Spulenlängsachse A betrachtete Form der einzelnen Windungen 3a, 3b, 3c ... gemeint, die je nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum in einer mit einer solchen Spule 1 auszurüstenden elektrischen Maschine rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch sein kann. Des Weiteren kann der Abstand der einzelnen Windungen 3a, 3b, 3c ... zur Spulenlängsachse A entlang der Spulenhöhe konstant sein oder variieren, sodass zwischen einer zylindrischen, nach oben oder unten konischen, konkaven oder konvexen Spule 6 unterschieden werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Windungen 3a, 3b, 3c ... der Aluminiumspule 6 eine in Richtung der Spulenlängsachse A gesehen als abgerundetes Rechteck geformte Kontur, wobei die Eckradien möglichst klein geformt sind, um nahezu rechteckförmige Windungen 3a, 3b, 3c ... auszubilden. Zudem bleibt über die in Richtung der Spulenlängsachse A gemessene Höhe der Spule 6 die abgerundete Rechteckform der Windungen 3a, 3b, 3c ... gleich, mit dem Ergebnis, dass eine nahezu quaderförmige Spule 6 erhalten wird. Eine solche Spulenform gestattet es, die Spule 6 weitgehend luftspaltfrei um einen entsprechenden quaderförmigen Kern, zum Beispiel um den Polzahn eines Stators oder Rotors eines Elektromotors, zu legen.
• Den vorerläuterten konstruktiven Optimierungsmöglichkeiten sind jedoch im Hinblick auf die dadurch erreichbare Verbesserung des Nutfüllfaktors Grenzen gesetzt. Dies gilt selbst für ein sich prinzipiell durch seine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit auszeichnendes gießtechnisches Spulenherstellungsverfahren. Es gilt nämlich zu beachten, dass bei Gussteilen unbedingt Ausformschrägen vorgesehen werden müssen, um die Entnahme aus der Gussform zu erlauben. Solche Ausformschrägen begrenzen aber die Raumausnutzung einer Gussspule und führen somit unweigerlich zu Einbußen beim Nutfüllfaktor. Wie in der linken Zeichnungshälfte der einzigen Figur sichtbar, verbleiben daher bei einer gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugten Aluminiumspule 6 herstellungsbedingt in einer zur Spulenlängsachse A parallelen Richtung freie Zwischenräume 7 zwischen jeweils benachbarten Windungen 3a, 3b, 3c ... Diese freien Zwischenräume 7 bilden Luftspalte, die den Nutfüllfaktor und somit den Wirkungsgrad einer mit einer solchen Aluminiumspule 6 ausgerüsteten elektrischen Maschine reduzieren. Das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt diesen Nachteil, indem die freien Zwischenräume 7 durch den nachträglich aufgebrachten Überzug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ganz oder teilweise ausgefüllt werden. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung des Nutfüllfaktors und somit des Wirkungsgrads einer mit einer solchen kupferüberzogenen Aluminiumspule 1 ausgerüsteten elektrischen Maschine.
• Die rechte Zeichnungshälfte der einzigen Figur zeigt eine Anordnung 13 zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule 1 durch elektrolytisches Abscheiden von Kupfer aus einer dieses Metall ionogen enthaltenden elektrolytischen Flüssigkeit 8 auf einer aus dem Trägermaterial 4 Aluminium gebildeten Spule 6. Eine solche Anordnung 13 umfasst eine mit der elektrolytischen Flüssigkeit 8 gefüllte Wanne 9 und eine zumindest teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit 8 eingetauchte und mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle 10 in elektrisch leitender Verbindung stehende lösliche Anode 11 aus Kupfer. Der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende elektrische Leiter 2 der gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugten Spule 6 ist ebenfalls in die elektrolytische Flüssigkeit 8 eingetaucht und steht mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle 10 in elektrisch leitender Verbindung. Die Aluminiumspule 6 wird somit zur Kathode 12, an der sich das reine Elektrolytkupfer abscheidet. Die abgeschiedene Kupferschicht ist sehr duktil und lässt sich sehr gut polieren. Die Elektrolyse wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Schichtdicke aus Kupfer auf dem Aluminium-Trägermaterial 4 aufgebracht ist. Eine gezielte Einstellung der Schichtdicke kann durch eine voneinander unabhängige Regulierung der Spannung (Volt) und Stromstärke (Ampere) der Gleichstromquelle 10 und der Verweildauer der Aluminiumspule 6 in der elektrolytischen Flüssigkeit 8 erreicht werden.
• Die elektrolytische Abscheidung erfordert eine Wanne 9, in der das zu beschichtende Werkstück (Aluminiumspule 6) komplett untergetaucht werden kann. Diese Wanne 9 sollte daher aus einem säure- und alkalibeständigen Material hergestellt sein. Glas und Kunststoff sind hierzu ideal geeignet. Weiter benötigt die erfindungsgemäße Anordnung 13 Kabel zum Verbinden der Gleichstromquelle 10 mit der Anode 11 aus Kupfer sowie dem Werkstück aus Aluminium. Da beim elektrolytischen Prozess die Anode 11 abgetragen wird und sich somit die elektrolytische Flüssigkeit 8 regenerieren kann, wird als Metall der elektrolytischen Flüssigkeit 8 das Anodenmaterial benutzt (also im vorliegenden Fall: ein Kupferelektrolyt 8 mit dort eingetauchter Kupferanode 11). Die dabei eingesetzten Kupferelektrolyte 8 sind meist auf Schwefelsäure- oder Cyanidbasis. Jeder Kupferelektrolyt 8 besitzt eine bestimmte Arbeitstemperatur, deren Einhaltung mit einer regelbaren Temperiereinrichtung sichergestellt werden sollte, um optimale Beschichtungsergebnisse erzielen zu können.
• Die dargestellte Anordnung 13 zur elektrolytischen Kupferabscheidung stellt aber nur eine, wenngleich bevorzugte, Möglichkeit zum Überziehen des Aluminium-Trägermaterials 4 mit einer hochleitfähigen Außenschicht 5 aus Kupfer dar. Ohne dadurch vom erfindungsgemäßen Gedanken abzuweichen, können auch andere Beschichtungstechniken, wie zum Beispiel lonendampfablagerung oder Kathoden-Lichtbogenablagerung, zum Einsatz gelangen, um die gewünschte Kupfer-Außenschicht 5 herzustellen.
• Die (elektrolytisch oder anderweitig) auf die erfindungsgemäße elektrotechnische Spule 1 aufgebrachte Außenschicht 5 aus Kupfer weist vorzugsweise über den gesamten Leiterumfang eine gleichmäßige Schichtdicke auf, ohne dass sich negativ auf die elektrischen Eigenschaften der Spule 1 auswirkende Unstetigkeiten in der Umfangskontur auftreten. Die Erfindung berücksichtigt dabei den Skin-Effekt, wonach sich der Strom auf den äußeren Mantelbereich eines elektrischen Leiters 2 konzentriert, in welchem maßgeblich die elektromagnetischen Felder ausgebildet werden. Nur für kleine Leiterabmessungen (mit Durchmessern unter 5 mm) und bei niedrigen Stromfrequenzen (unter 1 kHz) spielt der Skin-Effekt eine untergeordnete Rolle für das Optimum des Auslegungsproblems.
• Demzufolge wird einerseits die Kupferschichtdicke groß genug gewählt, um in dem äußeren Mantelbereich mit hoher Stromdichte den elektrischen Widerstand herabzusetzen und so die dort herrschenden hohen Ströme aufnehmen zu können. Andererseits wird aber der innere Kern des elektrischen Leiters 2 aus dem weniger leitfähigen und deutlich billigeren Trägermaterial 4 Aluminium gebildet, da hier die Stromdichte wesentlich geringer ist als im Mantelbereich. Die Nutzung des Skin-Effektes durch geeignete Platzierung von Materialien unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit verhindert sowohl eine unwirtschaftliche Überdimensionierung als auch eine die Sicherheit gefährdende Unterdimensionierung der elektrotechnischen Spule 1. Abhängig von den beiden Einflussgrößen Stromfrequenz und Leiterdurchmesser sowie unter Einbeziehung von Wichtungsfaktoren, wie elektrische Verluste und Materialkosten, ergibt sich ein Optimum für den Durchmesser des Aluminiumkerns relativ zum Gesamtdurchmesser des kombinierten Leiters.
• Bislang wurde bei der Auslegung von elektrotechnischen Spulen der Skin-Effekt unberücksichtigt gelassen und man war demnach nicht frei in Bezug auf die materialmäßige Ausgestaltung einer elektrotechnischen Spule. Zwar sind kupferbeschichtete Aluminiumdrähte auf dem Markt erhältlich. Jedoch ist deren Einsatz bisher auf Hochqualitätskopfhörer oder -lautsprecher beschränkt. Eine Anpassung der Form und des Querschnittes solcher kupferbeschichteten Aluminiumdrähte für die Herstellung einer kompakten elektrotechnischen Spule 1 mit hohem Nutfüllfaktor wird jedoch durch den Stand der Technik nicht nahegelegt.
• Die wichtigsten Vorteile der erfindungsgemäßen Spule 1 und des zugehörigen Herstellungsverfahrens können wie folgt zusammengefasst werden:
• - Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Verringerung der Halbzeugkosten (preiswertes Aluminium als Trägermaterial mit dünner Kupferbeschichtung),
• - Verbesserung der Oberflächenqualität (zum Beispiel für anschließende Isolationsbeschichtung),
• - Erhöhung des Nutfüllfaktors,
• - Verringerung des Spulengewichtes und damit Verbesserung der dynamischen Eigenschaften.
• Das Hauptanwendungsgebiet für die erfindungsgemäße elektrotechnische Spule 1 stellen Elektromotoren dar, die in Massenproduktion hergestellt werden, wobei die erfindungsgemäße Spule 1 jedoch auch in anderen elektrotechnischen Anordnungen eingesetzt werden kann, in denen die vorgenannten Vorteile zum Tragen kommen.
• Bezugszeichenliste

1

elektrotechnische Spule

2

elektrischer Leiter

3a, 3b, 3c ...

Windungen

4

Trägermaterial (aus Aluminium oder Aluminiumlegierung)

5

Außenschicht (aus Kupfer oder Kupferlegierung)

6

Spule (aus Aluminium oder Aluminiumlegierung)

7

Zwischenräume (zwischen Windungen)

8

elektrolytische Flüssigkeit

9

Wanne

10

Gleichstromquelle

11

Anode (aus Kupfer oder Kupferlegierung)

12

Kathode (aus Trägermaterial)

13

Anordnung (zur Herstellung einer Spule)

A

Spulenlängsachse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2387135 A2 [0009, 0019]

Claims (14)

1. Elektrotechnische Spule (1) mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter (2) gebildeten Windung (3a, 3b, 3c ...), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (2) wenigstens abschnittsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als ein Trägermaterial (4) und Kupfer oder eine Kupferlegierung als eine das Trägermaterial (4) umgebende Außenschicht (5) umfasst.
2. Elektrotechnische Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterquerschnitt kreisförmig, oval oder trapezförmig, insbesondere rechteckförmig, ausgebildet ist.
3. Elektrotechnische Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Geometrie des Leiterquerschnittes über die Leiterlänge ändert.
4. Elektrotechnische Spule nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (5) eine gleichmäßige Schichtdicke über den gesamten Leiterumfang aufweist, wobei der Anteil des Querschnittes der Außenschicht (5) bezogen auf den Gesamtquerschnitt des Leiters (2) in Abhängigkeit von Stromfrequenz, Leiterdurchmesser und Wichtungsfaktoren, wie elektrische Verluste und Materialkosten, gewählt ist.
5. Elektrotechnische Spule nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauheit der Außenschicht (5) geringer als diejenige des Trägermaterials (4) ist.
6. Elektrotechnische Spule nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (5) außen wiederum von einer Isoliermaterialschicht umgeben ist.
7. Elektrotechnische Spule nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung der Spulenlängsachse (A) betrachtete Form der einzelnen Windungen (3a, 3b, 3c ...) rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch, insbesondere als abgerundetes Rechteck, ausgebildet ist und/oder dass der Abstand der einzelnen Windungen (3a, 3b, 3c ...) zur Spulenlängsachse (A) entlang der Spulenhöhe konstant ist oder variiert, sodass insbesondere eine zylindrische, nach oben oder unten konische, konkave oder konvexe Spule (1) vorliegt.
8. Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule (1), indem eine Spulengeometrie mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter (2) gebildeten Windung (3a, 3b, 3c ...) gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach der Erzeugung der Spulengeometrie ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehendes Trägermaterial (4) des elektrischen Leiters (2) mit einer Außenschicht (5) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung überzogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gießtechnische Erzeugung der Spulengeometrie durch Eingießen einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine Negativform, insbesondere eine Dauerform oder eine verlorene Form, anschließendes Erstarren der Schmelze in der Negativform und abschließendes Entformen und Säubern der gegossenen Spule (6) erfolgt, wobei die durch diesen Gießprozess verursachte raue Windungsoberfläche der Spule (6) durch den nachträglich aufgebrachten Überzug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung geglättet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur umformtechnischen Erzeugung der Spulengeometrie ein als Aluminiumdraht vorliegender elektrischer Leiter (2) um eine die Spulenlängsachse (A) bildende Wicklungsachse herum gewickelt und gegebenenfalls vor, gleichzeitig oder nach dem Wickelvorgang weiteren Umformschritten unterzogen wird, wobei die so erhaltene Aluminiumspule (6) anschließend, insbesondere durch elektrolytische Abscheidung, mit dem Überzug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehen wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der gießtechnisch und/oder umformtechnisch erzeugten Spulengeometrie in einer zur Spulenlängsachse (A) parallelen Richtung Zwischenräume (7) zwischen jeweils benachbarten Windungen (3a, 3b, 3c ...) verbleiben, wobei diese Zwischenräume (7) durch den nachträglich aufgebrachten Überzug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ganz oder teilweise ausgefüllt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur umformtechnischen Erzeugung der Spulengeometrie ein als kupferbeschichteter Aluminiumdraht vorliegender elektrischer Leiter um eine die Spulenlängsachse bildende Wicklungsachse herum gewickelt und gegebenenfalls vor, gleichzeitig oder nach dem Wickelvorgang weiteren Umformschritten unterzogen wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der gießtechnischen und/oder umformtechnischen Erzeugung der Spulengeometrie, insbesondere nach dem Überzug der so erzeugten Spule mit Kupfer oder einer Kupferlegierung, die Spule (1) weiteren Bearbeitungs- und/oder Behandlungsschritten, wie dem Auftragen eines Überzugs aus Isolationsmaterial, unterworfen wird, um die endgültige Spulengeometrie und -beschaffenheit zu erhalten.
14. Anordnung (13) zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule (1) mit wenigstens einer aus einem elektrischen Leiter (2) gebildeten Windung (3a, 3b, 3c ...), umfassend eine mit einer elektrolytischen Flüssigkeit (8) gefüllte Wanne (9) und eine zumindest teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit (8) eingetauchte und mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle (10) in elektrisch leitender Verbindung stehende lösliche Anode (11) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (2) aus einem zumindest teilweise in die elektrolytische Flüssigkeit (8) eingetauchten Trägermaterial (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, welches mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle (10) in elektrisch leitender Verbindung steht und eine Kathode (12) bildet.

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