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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Energiewandlereinrichtung umfassend eine elektrische Spule mit einem mit einer Isoliermantelschicht versehenen Spulendraht sowie eine Vorrichtung zur Abisolierung eines mit einer Isoliermantelschicht versehenen Spulendrahts zur Herstellung einer derartigen Energiewandlereinrichtung.
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Aus der
EP 1 750 351 A1 ist bekannt innerhalb einer Statorwicklung für einen Generator eines Kraftfahrzeugs die Drahtisolation in den Nuten dünner zu gestalten als im Bereich der Wickel köpfe.
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Unter Spulenwickeltechnik im Allgemeinen versteht man in der Elektroindustrie die Art und Methode des Aufwickelns des elektrischen Leiters (isolierter Draht oder Litze) zu einer Spule.
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Die dabei entstehende geometrische Struktur aus einer oder mehreren Windungen oder Lagen erzeugt in ihrer Gesamtheit eine konzentrierte elektrische Eigenschaft: Spulen können als Aktuatoren (Elektromagnete, Transformatoren, Motoren, Schwingspulen, Drehspulen usw.) oder auch als Sensoren (Antennen, dynamische Mikrofone, Messgeräte usw.) eingesetzt werden. Die Wicklungen von Aktuatoren, wie z. B. der Statoren oder Rotoren von Motoren werden ebenfalls als Spulen bezeichnet. Die Wickeltechnik bestimmt wesentlich die Eigenschaften von wicklungsbehafteten, elektromechanischen Baugruppen. Dazu gehören die Isolationsfestigkeit, der Gütefaktor, die für eine bestimmte Leistung oder Magnetkraft erforderliche Größe oder auch das magnetische Streufeld. Weil die Anforderungen an die Energieeffizienz stark zunehmen, wachsen auch die Ansprüche an die Entwicklung von Bauteilen für elektromechanische Baugruppen wie z. B. bei Elektromotoren.
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Kupferlackdraht ist ein Kupferdraht, der bei der Fertigung mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen wurde. Die Dicke und das Gewicht dieser Lackisolation ist im Vergleich zu anderen Isolierstoffen mit gleicher Wirkung sehr gering. Dieser Draht wird daher bevorzugt zum Bau von elektrischen Spulen, Transformatoren und Maschinen verwendet. Weitere Anwendungen sind lötbare Schaltdrähte sowie die Herstellung von Hochfrequenzlitze.
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Der sogenannte Nutfüllfaktor beschreibt die Querschnittsfläche des reinen Kupfers in einem isolierten Leiter, im Verhältnis zu dem verfügbaren Querschnitt einer isolierten Nut in einer elektrischen Maschine. Die Wicklung wird dabei unter Verwendung unterschiedlichster Fertigungsverfahren in die Nut eingebracht.
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Ein grundsätzliches Qualitätskriterium für die Bewertung unterschiedlicher Wickeltechniken ist der erreichbare Füllfaktor. Da dieser Faktor nicht einheitlich definiert ist, wird nachfolgende Definition verwendet: Unter Füllfaktor ist der Kupferfüllfaktor in der Nut zu verstehen. Die ggf. vorhandene Statorisolation sowie die Isolation des Wickeldrahtes sind in der Nutfläche enthalten.
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Die gängige Fertigungsmethode bei der Herstellung von elektrischen Maschinen besteht darin, die magnetflussverstärkende Blechpaket mit einer Isolationsschicht zu überziehen.
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Die Statorisolation befindet sich zwischen dem Statorblechpaket und der Wicklung mit der Aufgabe, die Wicklung vor Beschädigung zu schützen. Um einen hohen Füllfaktor und eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erreichen (Abführung der erzeugten Stromwärme), sollte die Isolation eine möglichst geringe Schichtdicke aufweisen.
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Für Kleinantriebe übliche Isolationstechniken sind beispielsweise:
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- • Elektrostatisches Pulverbeschichten (elektrostatisches Aufstäuben)
- • Kunststoffumspritzen
- • Kunststoffmaske
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Es ergibt sich die Forderung, den Nutfüllfaktor und somit die Leistungsdichte in elektrischen Maschinen weiter zu erhöhen. Besonders im automotiven Umfeld kommt es häufig zu Bauraumbeschränkungen, die eine inkrementelle Verbesserung der einzelnen Komponenten der elektrischen Maschine notwendig macht.
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Die Isolation der einzelnen Leiter hat primär die Funktion die stromleitenden Kupferdrähte voneinander und von dem Spulenkern zu separieren, um die magnetflusserzeugenden Effekte über die Anzahl der Windungen zu verstärken.
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Klassischerweise wird dafür sowohl die Nut als auch der Kupferdraht mit einem Isolationsmaterial versehen. Je nach Anforderung kann die Dicke und die Isolationsfestigkeit variieren. Beispielsweise sind die Anforderungen an die Isolation bei einem Traktionsmotor mit einem 800 Volt Zwischenkreis deutlich höher, als bei einem Kleinantrieb mir 12 Volt Zwischenkreis.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Energiewandlereinrichtung mit einer elektrischen Spule anzugeben, bei der der Nut- beziehungsweise Kupferfüllfaktor im Vergleich zu herkömmlichen Energiewandlereinrichtungen optimiert ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung die Energiewandlereinrichtung mit Blick auf die Wärmeabfuhr aus der Wicklung der elektrischen Spule weiter zu verbessern.
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Die folgende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die inkrementelle Verbesserung der Effizienz und Ausnutzung einer Wickelspule innerhalb eines magnetfluss-verstärkenden Statorblechpakets einer Energiewandlereinrichtung.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Eine elektrische Energiewandlereinrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine elektrische Spule mit einem mit einer Isoliermantelschicht versehenen Spulendraht, wobei der Spulendraht erste Drahtabschnitte frei von der Isoliermantelschicht als auch zweite Drahtabschnitte mit der Isoliermantelschicht versehen aufweist, derart, dass benachbarte Drahtabschnitte einer Wicklungslage der gewickelten elektrischen Spule über ausschließlich eine Isoliermantelschicht gegeneinander isoliert und voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass mit einfachen fertigungstechnischen Mitteln, der Nutfüllfaktor einer Energiewandlereinrichtung verbessert und zum anderen Gewicht und erforderlicher Bauraum derartiger Einrichtungen verringert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Energiewandlereinrichtung als elektrische Maschine ausgebildet ist, insbesondere als elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist, bei der die elektrische Spule durch eine Statorwicklung gebildet ist.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die hohen Anforderungen an geringes Gewicht, kleinen Bauraum und niedrige Herstellungskosten aus dem Automobilsektor auf einfache Weise realisierbar sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Energiewandlereinrichtung als Aktuator zur Betätigung einer Kraftfahrzeugkupplung oder als Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Auch hier können die vorstehend aufgeführten Vorteile realisiert werden.
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Gemäß der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur Abisolierung eines mit einer Isoliermantelschicht versehenen Spulendrahts zur Herstellung einer elektrischen Energiewandlereinrichtung vorgeschlagen, wobei diese Steuermittel zur Ansteuerung eines Abisolierwerkzeugs aufweist, welche derart ausgebildet sind, dass der fertig abisolierte Spulendraht erste Drahtabschnitte, frei von der Isoliermantelschicht, als auch zweite Drahtabschnitte, mit der Isoliermantelschicht versehen, aufweist, derart, dass benachbarte Drahtabschnitte einer Wicklungslage der gewickelten elektrischen Spule über ausschließlich eine Isoliermantelschicht gegeneinander isoliert und voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule mit nur einer Wicklungslage (einschichtige Spule) gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten),
- 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule mit nur einer Wicklungslage (einschichtige Spule) in einer geraden Nut gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten),
- 3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule mit zwei Wicklungslagen (mehrschichtige Spule) in einer geraden Nut gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten), und
- 4 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes einer als Aktuator ausgebildeten elektrischen Energiewandlereinrichtung mit einer elektrischen Spule mit mehreren Wicklungslagen (mehrschichtige Spule), gewickelt um Statorzähne des Aktuators, gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten).
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule 2 mit nur einer Wicklungslage 7 (einschichtige Spule) gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten). Die elektrische Spule 2 ist Bestandteil einer elektrischen Energiewandlereinrichtung 1. Die elektrische Spule 2 ist gebildet durch einen mit einer Isoliermantelschicht 3 versehenen Spulendraht 4, der im dargestellten Beispiel um einen Spulenkern gewickelt ist.
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Im unten dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung weist der Spulendraht 4 erste Drahtabschnitte 5 frei von der Isoliermantelschicht 3 als auch zweite Drahtabschnitte 6 mit der Isoliermantelschicht 3 versehen auf, derart, dass benachbarte Drahtabschnitte 5, 6 der einzigen Wicklungslage 7 über ausschließlich eine Isoliermantelschicht 3 gegeneinander isoliert und voneinander beabstandet angeordnet sind. Im Gegensatz dazu sind die benachbarten Drahtabschnitte 6 der einzigen Wicklungslage 7 gemäß dem Stand der Technik über zwei Isoliermantelschichten 3 gegeneinander isoliert und voneinander beabstandet, wodurch weniger Wicklungen des Spulendrahtes 4 auf gleichem Bauraum angeordnet werden können.
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In 2 ist die schematische Darstellung einer elektrischen Spule 2 mit nur einer Wicklungslage (einschichtige Spule) in einer geraden Nut eines Spulenkörpers (der entweder als separater Spulenkörper oder auch als Rotor- oder Statorteil einer elektrischen Antriebsmaschine ausgeführt sein kann) gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten) gezeigt. Dargestellt ist eine einschichtige Spulenwicklung, bei der der Spulendraht 4 insgesamt vier Wicklungen aufweist, die in einer geraden Nut angeordnet sind. Dabei kann der Spulendraht 4 gegenüber dem Spulenkörper zum einen über die Isoliermantelschicht 3 und zum anderen über eine separate Nutisolationsschicht elektrisch isoliert sein. Im unteren Bild der 2 ist lediglich jede zweite Spulenwicklung isoliert ausgeführt - dargestellt durch die frei von der Isoliermantelschicht 3 ausgebildeten ersten Drahtabschnitte 5 und die eine Isoliermantelschicht aufweisenden zweiten Drahtabschnitte 6.
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3 zeigt, analog zur Ausführung gemäß 2 mit nur einer Wicklungslage, eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule mit zwei Wicklungslagen (mehrschichtige Spule) in einer geraden Nut gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten). Auch hier sind die ersten und zweiten Drahtabschnitte 5, 6 derart angeordnet, dass zum einen eine sichere Isolation der Drahtabschnitte gegeneinander gewährleistet ist und das zum anderen soweit möglich keine doppelte Isolation der Drahtabschnitte 6 gegeneinander erfolgt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes einer als Aktuator ausgebildeten elektrischen Energiewandlereinrichtung 1 mit einer elektrischen Spule 2 mit mehreren Wicklungslagen (mehrschichtige Spule), gewickelt um Statorzähne des Aktuators, gemäß dem Stand der Technik (oben) und gemäß der Erfindung (unten). Gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die einzelnen Wicklungslagen 7 aufgrund der Nutgeometrie versetzt zueinander angeordnet, so dass hier zwischen zwei Wicklungslagen 7 mit abwechselnd ersten (nicht isolierten) und zweiten (isolierten) Drahtabschnitten 5, 6 jeweils eine Wicklungslage 7 mit ausschließlich zweiten (isolierten) Drahtabschnitten 6 angeordnet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiewandlereinrichtung
- 2
- Spule
- 3
- Isoliermantelschicht
- 4
- Spulendraht
- 5
- erste Drahtabschnitte
- 6
- zweite Drahtabschnitte
- 7
- Wicklungslage
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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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