DE102019213228A1

DE102019213228A1 - Verfahren zur Herstellung einer wendelförmigen metallischen elektrischen Spule

Info

Publication number: DE102019213228A1
Application number: DE102019213228.6A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Wöstmann; Matthias Busse
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2021-03-04
Also published as: EP4026151A1; WO2021043605A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer wendelförmigen metallischen elektrischen Spule (1), bei dem zunächst der Spulenkörper in seiner endgültigen geometrischen Form hergestellt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens soll erreicht werden, dass mit dem Spulenkörper eine elektrische Strom- und Spannungsversorgung (2) verbunden wird und dass ein Strom- und Spannungsverlauf in dem Spulenkörper derart gesteuert wird, dass durch eine Gefügeänderung des Materials der Spule ein Gefüge erzielt wird, das gegenüber dem Ausgangszustand einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Fertigungstechnik und befasst sich mit Herstellungsverfahren für elektrische Spulen.
In elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Motoren oder Generatoren, aber auch Transformatoren, werden gewickelte elektrische Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern oder zur Wandlung von Magnetfeldern in elektrische Ströme eingesetzt. Dabei wird großer Wert auf eine hohe Effizienz, insbesondere bei geringem Platzbedarf, gelegt. In vielen solcher elektrischen Maschinen kommen Spulen zum Einsatz, die durch Wickeln von strangförmigen elektrischen Leitern, üblicherweise als isolierte Drähte oder Litzen ausgebildet, aufgebaut werden.
Bei der Herstellung einer elektrischen Spule durch Aufwickeln eines strangförmigen Körpers wird üblicherweise der zur Verfügung stehende Raum für die Spule nicht optimal ausgenutzt. Aus diesem Grund ist bereits vorgeschlagen worden, zur Bildung von elektrischen Spulen andere Fertigungsverfahren einzusetzen, wie beispielsweise, solche wendelförmigen Körper durch Metallguss, 3D-Druck, d. h. allgemein additive Fertigungsverfahren, oder durch geeignet umgeformte strangförmige Körper zu bilden.
Durch die genannten Herstellungs- oder Bearbeitungsverfahren werden jedoch in vielen Fällen die thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit ungünstig beeinflusst. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen kann die Leitfähigkeit negativ beeinflusst werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für wendelförmige metallische elektrische Spulen zu schaffen, mit dem eine möglichst gute elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit der entstehenden Spule erreicht wird.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen jeweils Implementierungen des Verfahrens gemäß der Erfindung. Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Behandlung einer Spule.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer wendelförmigen metallischen elektrischen Spule, bei dem zunächst der Spulenkörper in seiner endgültigen geometrischen Form hergestellt wird. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass mit dem Spulenkörper eine elektrische Strom- und Spannungsversorgung verbunden wird und dass ein Strom- und Spannungsverlauf in dem Spulenkörper derart gesteuert wird, dass durch eine Gefügeänderung des Materials der Spule ein Gefüge erzielt wird, das gegenüber dem Ausgangszustand einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Die Spannung, die mittels der Strom- und Spannungsversorgung an den Spulenkörper angelegt wird, kann beispielsweise eine zeitliche konstante oder zeitlich veränderliche Gleichspannung, eine Wechselspannung mit gleichbleibender oder zeitlich veränderlicher Amplitude oder auch eine modulierte Gleichspannung sein. Die Gefügeänderung des Materials der Spule kann entweder unmittelbar durch den Stromfluss oder mittelbar durch Erreichen einer bestimmten Temperatur im Material des Spulenkörpers erreicht werden. Durch diesen Effekt kann beispielsweise eine Homogenisierung des Materials durch Beseitigung von Korngrenzen oder Mikrorissen erfolgen, die durch das Herstellungsverfahren des Spulenkörpers erzeugt worden sind. Mit besonderem Vorteil kann das Verfahren bei Spulen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung jedoch auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung angewendet werden. Mittels einer geeigneten Gestaltung der Strom- und Spannungsversorgung, beispielsweise wenn diese als Wechselspannungsversorgung ausgebildet ist, kann zwischen Strom und Spannung eine geeignete Phasenverschiebung erzeugt werden, um den gewünschten mathematischen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung herzustellen, so dass Strom und Spannung auch unabhängig voneinander in gewissen Grenzen gesteuert werden können. Zudem kann auch vorgesehen sein, dass der Innenwiderstand der Strom- und Spannungsversorgung verändert werden kann, so dass auch durch diesen Effekt Strom und Spannung unabhängig voneinander eingestellt werden können. Es ist auch möglich, die Strom- und Spannungsversorgung mit einem Stromrichter auszustatten, um mittels eines pulsweitenmodulierten Signals Strom und Spannung unabhängig voneinander steuern zu können.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass während wenigstens 5 Sekunden, insbesondere während wenigstens 10 Sekunden, weiter insbesondere wenigstens 100 Sekunden, oder während wenigstens 1000 Sekunden, eine Stromstärke von wenigstens 20 Ampere, insbesondere wenigstens 30 Ampere, weiter insbesondere wenigstens 50 Ampere, oder wenigstens 100 Ampere, und/oder eine Leistung von wenigstens 5 Watt, insbesondere wenigstens 10 Watt oder wenigstens 20 Watt pro cm Spurendraht erreicht wird. Die genannte Stromstärke und Spannung kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise für höchstens 10 000 Sekunden, insbesondere für höchstens 5000 Sekunden angelegt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass die genannte Dauer mit der genannten Stromstärke dazu ausreicht, das Gefüge eines Spulenkörpers nachhaltig vorteilhaft zu verändern.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass eine Temperaturerhöhung des Materials der Spule auf wenigstens 500 Grad Celsius, insbesondere auf 700 Grad Celsius für wenigstens 20 Sekunden, insbesondere für wenigstens 60 Sekunden, erfolgt. Auch eine solche Regelung von Strom und Spannung auf einen Zielwert der erreichten Temperatur kann eine gewünschte Gefügeänderung sicherstellen.
Zudem kann auch vorgesehen sein, dass Strom und Spannung in der Spule bei laufender Messung des elektrischen Widerstands derart gesteuert werden, dass eine Änderung des elektrischen Widerstands der Spule bis zu einem vorgegebenen Zielwert erreicht wird. Damit wird Strom und Spannung auf den gewünschten Zielwert des Widerstands geregelt.
Strom und Spannung können auch so geregelt werden, dass gerade eine Umwandlungstemperatur des Gefüges erreicht und für mindestens 30 Sekunden, insbesondere mindestens 1 Minute, weiter insbesondere 3 Minuten gehalten wird.
Strom und Spannung können auch so geregelt werden, dass asymptotisch eine Temperatur der Spule erreicht wird, die unterhalb der Schmelztemperatur insbesondere wenigstens 20°C oder 50°C unterhalb der Schmelztemperatur liegt, die aber einen Abstand von der Schmelztemperatur hat, der höchstens 200°C insbesondere 100°C beträgt. Diese Temperatur kann für wenigstens 10 Sekunden, insbesondere wenigstens 1 Minute, weiter insbesondere wenigstens 5 Minuten gehalten und danach gesenkt werden.
Es kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass Strom und Spannung in der Spule derart gesteuert werden, dass nacheinander mehrere Zyklen mit ansteigender und abfallender Stromstärke durchlaufen werden.
Bei dem Verfahren kann es vorgesehen sein, dass die Spule in einer Stützvorrichtung positioniert wird. Strom und Spannung können dann an die in der Stützvorrichtung positionierte Spule angelegt werden. Die Stützvorrichtung kann dafür eingerichtet sein, die Spule in ihrer Form zu unterstützen und so eine ungewollte Verformung der Spule, wenn diese sich beispielsweise erhitzt, zu verhindern. Dafür kann die Stützvorrichtung beispielsweise kammartige Strukturen aufweisen, die die Windungen der Spule halten.
Die Stützvorrichtung ist vorzugsweise isolierend ausgestaltet und beispielsweise aus Keramik oder aus einem mit einer Isolierschicht beschichteten Metall gefertigt.
Bei dem Verfahren kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Spule über die Stützvorrichtung beheizt wird. Dafür kann die Stützvorrichtung eine entsprechende Heizung aufweisen. Beispielsweise kann die Stützvorrichtung je nach Material der Spule auf 200°C bis 300°C beheizt werden oder auf 400°C bis 500°C, etwa für Kupfer. Die Temperatur der Stützvorrichtung wird dabei in möglichen Ausführungen des Verfahrens niedriger gewählt als eine maximale Temperatur, auf die die Spule während des Verfahrens, etwa durch Anlegen von Strom und Spannung, erhitzt wird.
Für viele Anwendungen von elektrischen Spulen ist es sinnvoll, diese mit einer Deckschicht, insbesondere einer Isolierschicht, abzudecken, um den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Windungen der Spule zu verhindern und/oder auch elektrische Überschläge zwischen benachbarten Windungen oder elektrische Überschläge zwischen dem Spulenkörper und umgebenden elektrisch leitenden Teilen zu verhindern. Die Deckschicht kann vor oder nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung zur Änderung des Gefüges aufgebracht werden. Die Deckschicht kann durch Erwärmung der Spule durch Anlegen eines Stroms bzw. einer Spannung getrocknet werden. Die Deckschicht kann auch durch einen Polymerisationsprozess gehärtet werden.
In einer möglichen Ausführung kann eine Deckschicht in einem Schritt des Verfahrens aufgebracht werden nachdem die Gefügeänderung durch Anlegen von Strom und Spannung herbeigeführt wurde. In möglichen Ausführungen des Verfahrens wird an die Spule während des Aufbringens der Deckschicht eine Spannung und ein Strom angelegt, vorzugsweise durch dieselbe Strom - und Spannungsversorgung, durch die auch Strom und Spannung für die Gefügeänderung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann nach dem Herbeiführen der Gefügeänderung eine Beschichtung in einem Pulverlackverfahren oder durch Elektrotauchlackierung durchgeführt werden. In beiden Verfahren kann der Beschichtungsprozess durch eine mögliche angelegte Spannung gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Beschichtungsprozess durch eine Temperaturführung gesteuert werden, die vorzugsweise ebenfalls mittels der Strom- und Spannungsversorgung bewerkstelligt wird. Eine Temperatur, auf die die Spule zum Beschichten erhitzt wird, kann geringer gewählt sein, als eine Temperatur, die für die Gefügeänderung verwendet wird. Beispielsweise kann die Temperatur bei der Beschichtung höchstens die Hälfte einer Temperatur beim Ändern des Gefüges betragen. Die Temperatur beim Beschichten kann beispielsweise etwa 180°C oder 200°C betragen.
Zum Aufbringen der Deckschicht kann beispielsweise in einer weiteren Variante auch vorgesehen sein, dass die Spule vor dem Anlegen einer elektrischen Spannung zur Änderung des Gefüges mit einer Deckschicht bedeckt wird, die bei der Erwärmung der Spule durch Anlegen einer elektrischen Spannung getrocknet oder durch einen Polymerisationsprozess gehärtet wird.
Das Material der Deckschicht kann so gewählt werden, dass es bei der Erwärmung der Spule entweder durch Trocknen, also Verdunsten eines Lösungsmittels, oder durch einen Polymerisationsprozess gehärtet wird. Damit kann der Herstellungsprozess der Spule beschleunigt werden, und die Ausbildung einer zuverlässigen Isolationsschicht auf der Oberfläche der Wendel kann sichergestellt werden.
Beispielsweise verbleibt die Spule während den verschiedenen Schritten zur Beschichtung und zur Gefügeänderung in derselben Haltevorrichtung, mit vorzugsweise durchgehend angeschlossener Strom- und Spannungsversorgung.
Es kann in möglichen Ausführungen des Verfahrens auch vorgesehen sein, dass die Spannung an der Spule derart erhöht wird, dass Spannungsüberschläge oder Voranzeichen für Spannungsüberschläge zwischen benachbarten Spulenwindungen auftreten und dass die Spannungsüberschläge sowie die Spannung registriert werden und daraus die elektrische Spannungsfestigkeit ermittelt wird. Damit kann mittels der ohnehin zur Verfügung stehenden Strom- und Spannungsquelle die Überschlagsfestigkeit der elektrischen Spule unmittelbar während oder nach der Herstellung oder der Gefügeänderung oder unmittelbar während oder nach der Aushärtung einer Deckschicht geprüft werden. Als Voranzeichen für Spannungsüberschläge können beispielsweise Teilentladungen registriert werden. Somit kann beispielsweise, falls die gewünschte Überschlagsfestigkeit nicht erreicht worden ist, eine neue oder weitere Beschichtung auf den Spulenkörper aufgebracht und gehärtet werden.
Beispielsweise kann es in dem Verfahren auch vorgesehen sein, dass eine Qualitätsprüfung vorgenommen wird. Diese kann etwa eine Wärmedetektion, insbesondere eine räumlich aufgelöste Messung der Temperatur der Spule, umfassen. Beispielsweise können Gussfehler wie Lunkern, Poren, Risse oder Oxideinschlüsse lokal Widerstandserhöhungen und somit bei anliegendem Strom bzw. Spannung Temperaturerhöhungen bewirken, die durch die Wärmedetektion feststellbar sind. Die Wärmedetektion kann durch einen Wärmedetektor, beispielsweise optisch - etwa durch eine Infrarotkamera - oder auch taktil erfolgen.
So kann in dem Verfahren mittels einer entsprechenden Prüfvorrichtung, die beispielsweise den Wärmedetektor umfasst, die Temperatur der Spule überwacht werden. Dies kann geschehen während die Gefügeänderung vorgenommen wird, es ist aber auch möglich, die Spule eigens zur Prüfung der Qualität zu erhitzen, beispielsweise unter Verwendung der Strom- und Spannungsversorgung, die auch der Gefügeänderung dient oder dienen kann.
Der Spulenkörper, der gemäß einer der oben genannten Verfahrensvarianten behandelt wird, kann grundsätzlich durch Gießen oder durch Umformen, beispielsweise Strangpressen, Biegen und nachfolgendes Verformen der einzelnen Windungen, oder durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die genannten Verfahren sind solche, bei denen eine Gefügeänderung oder die Herstellung eines unvorteilhaften Gefüges in Betracht gezogen werden kann. Beispielsweise kann bei additiven Fertigungsverfahren ein Spulenkörper mit einer kornartigen Struktur entstehen, die einem Sinterkörper mit Poren gleicht. Ein solcher Körper weist keine optimalen Eigenschaften für die Leitung von elektrischem Strom oder Wärme auf, und sein Gefüge kann durch wenigstens teilweises Aufschmelzen deutlich verbessert werden. Ähnliches gilt für Gefüge, die sich z. B. bei Aluminiumdraht durch Biegen einstellen.
Das oben beschriebene Verfahren beinhaltet somit Schritte, die in drei Kategorien eingeteilt werden können:

- Herbeiführen einer Gefügeänderung,
- Aufbringen einer Deckschicht,
- Qualitätsprüfung.

Vorliegend wird Schutz beansprucht für Verfahren, die das Herbeiführen einer Gefügeänderung umfassen. Die Anmelderin behält sich jedoch vor, zu einem späteren Zeitpunkt auch Schutz für Verfahren oder entsprechende Vorrichtungen zu beanspruchen, die auf das beschriebene Aufbringen der Deckschicht und/oder auf die beschriebene Qualitätsprüfung gerichtet sind, und nicht zwingend das Herbeiführen einer Gefügeänderung beinhalten - beispielsweise im Rahmen einer Teilanmeldung.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren der oben erläuterten Art auch auf eine Vorrichtung zur Behandlung einer Spule mit einer elektrischen Strom- und Spannungsversorgung, zwei Versorgungsanschlüssen zur Verbindung der Strom- und Spannungsversorgung mit jeweils einem Abschnitt der Spule sowie mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Stromstärke und Spannung. Die Vorrichtung kann, wie bereits oben erwähnt, beispielsweise als Gleichspannungsversorgung aufgebaut sein, insbesondere mit der Möglichkeit, die Gleichspannung zu modulieren. Die Vorrichtung kann auch als Wechselspannungsvorrichtung aufgebaut sein, mit der Möglichkeit zur Erzeugung von Blindleistung, um Strom und Spannung gegebenenfalls mit einer gewünschten Phasenverschiebung zu versehen. Auch der Innenwiderstand der Strom- und Spannungsversorgung kann geeignet einstellbar sein, um Stromstärke und Spannung an dem Spulenkörper in gewissen Grenzen unabhängig voneinander steuern zu können. Letztlich ist auch die Verwendung eines Stromrichters zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals denkbar.
Die Vorrichtung kann eine Stützvorrichtung zum Vermeiden einer Verformung der Spule während der Gefügeänderung umfassen. Die Stützvorrichtung kann beheizbar sein und/oder eine Heizung umfassen.
Die Vorrichtung kann eine Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen einer Deckschicht umfassen. Die Beschichtungsvorrichtung kann beispielsweise als Pulverlackiervorrichtung oder als Elektrotauchlackiervorrichtung ausgebildet sein.
Die Vorrichtung kann eine Prüfvorrichtung umfassen. Die Prüfvorrichtung kann einen Wärmedetektor umfassen, der vorzugsweise dazu eingerichtet ist, Temperaturen räumlich aufgelöst zu erfassen. Der Wärmedetektor kann beispielsweise optisch oder taktil ausgebildet sein. Der Wärmedetektor kann eine Infrarotkamera sein.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst diese mindestens zwei von Stützvorrichtung, Beschichtungsvorrichtung und Prüfvorrichtung, vorzugsweise alle drei. Weiterhin kann sie eine Halterung umfassen, die die Spule halten kann, wenn sie an die Strom- und Spannungsversorgung angeschlossen ist.
Stützvorrichtung und/oder Beschichtungsvorrichtung und/oder Prüfvorrichtung können in einer Ausführung von der Spule durchlaufen werden, ohne dass die Spule aus der Halterung genommen werden muss bzw. von der Spannungs- und Stromversorgung getrennt werden muss. Dafür umfasst die Halterung beispielsweise einen beweglichen Arm oder die Stützvorrichtung (soweit vorhanden) und die Beschichtungsvorrichtung (soweit vorhanden) und die Prüfvorrichtung (soweit vorhanden) sind relativ zur Halterung bewegbar. So kann die in der Halterung positionierte und an die Strom- und Spannungsversorgung angeschlossene Spule in Schritten des Verfahrens in die Stützvorrichtung (sofern vorgesehen) und in die Beschichtungsvorrichtung (sofern vorgesehen) und in die Prüfvorrichtung (sofern vorgesehen), zumindest aber in zwei dieser genannten Vorrichtungen, bewegt und entsprechend behandelt werden. Die Prüfvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich derart eingerichtet sein, dass die Spule während der Gefügeänderung und/oder während des Beschichtens überwacht werden kann.
Die Vorrichtungen können in einem automatisierten Prozess von der Spule mit Hilfe der Halterung durchlaufen werden.
Dadurch kann eine kostengünstige, beispielsweise serienmäßige Fertigung bzw. Qualitätskontrolle ermöglicht werden.
Die Erfindung wird in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

1 in perspektivischer Darstellung eine Spule mit einer schematisch dargestellten Einrichtung zur Spannungs- und Stromversorgung,
2 einen Längsschnitt durch eine Spule,
3 einen möglichen Spannungsverlauf bei der Behandlung der Spule,
4 einen weiteren möglichen Spannungsverlauf bei der Behandlung der Spule,
5 einen möglichen Stromverlauf bei der Behandlung der Spule,
6 einen weiteren möglichen Spannungsverlauf bei der Behandlung der Spule,
7 in einem vergrößerten Zeitmaßstab den Verlauf einer Versorgungsspannung für den Fall, dass die Strom- und Spannungsversorgung einen Stromrichter aufweist, und
8 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer wendelförmigen metallischen elektrischen Spule.

1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine wendelförmige metallische elektrische Spule 1, die aus einem im Querschnitt rechteckigen Draht besteht. Das Material der Spule 1 kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung oder ein anderes elektrisch leitendes Metall oder eine Metalllegierung sein. Das in der Figur obere Ende 1a der Spule 1 ist mit einer Strom- und Spannungsversorgung 2 mittels einer Zuleitung 3 und eines Anschlusses verbunden. Das in der Figur untere Ende 1b der Spule 1 ist mit der Strom- und Spannungsversorgung 2 mittels einer Zuleitung 4 und eines Anschlusses verbunden. Mittels der Strom- und Spannungsversorgung 2 kann die Spule 1 mit einem Strom und einer Spannung beaufschlagt werden, wobei Strom und/oder Spannung in Abhängigkeit von der Zeit steuerbar sind. Die Steuerung kann in Abhängigkeit von den verfolgten Zielen bei der Behandlung der Spule 1 eine Steuerung der Spannung, eine Steuerung des Stroms bzw. der Stromstärke oder eine Steuerung beider Größen, auch unabhängig voneinander, beinhalten. Dementsprechend kann der innere Aufbau der Strom- und Spannungsversorgung 2 in verschiedener Weise gestaltet sein. Beispielsweise kann die Strom- und Spannungsversorgung 2 einen Transformator und einen Gleichrichter sowie eine Halbleitersteuerung zur Einstellung eines Stroms oder einer Spannung aufweisen.
Die Strom- und Spannungsversorgung 2 kann auch einen elektrischen Umrichter aufweisen, der eine Ansteuerung der Spule mittels eines hochfrequenten Spannungsimpulses erlaubt, wobei die Steuerung mittels einer Pulsweitenmodulation oder auch anderer bekannter Modulationen möglich ist. Hierdurch lassen sich Strom und Spannung unabhängig voneinander steuern oder regeln. Dabei kann als Regelgröße beispielsweise die Zielspannung an der Spule 1 dienen, die überwacht werden kann, oder der Strom 1, der die Spule durchfließt.
Es ist auch möglich, Strom und/oder Spannung derart zu regeln, dass eine Zieltemperatur in der Spule 1 erreicht wird. Hierzu kann ein Temperatursensor 5 an der Spule vorgesehen sein, der ein die gemessene Temperatur repräsentierendes Signal an die Strom- und Spannungsversorgung 2 leitet.
2 zeigt in einem Längsschnitt eine metallische elektrische Spule mit drei Windungen 6, 7, 8, wobei jede der Windungen einen metallischen Kern 6a und eine isolierende Umhüllung 6b aufweist. Der Kern 6a kann im Querschnitt rechteckig, oval, kreisrund oder auch vieleckig sein oder eine andere Querschnittsform aufweisen. Der Kern besteht aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung oder einem anderen Metall oder einer Legierung aus mehreren verschiedenen Metallen. Die Umhüllung 6b ist elektrisch isolierend und kann beispielsweise als Oxidschicht ausgebildet sein, insbesondere als Oxidschicht des umhüllten Werkstoffs. Die Umhüllung 6b kann jedoch auch als Kunststoffschicht, beispielsweise als Harzschicht oder Lackschicht, ausgeführt sein, die durch Streichen oder Tauchen der Spule oder durch Sprühen aufgebracht werden kann. Vorteile durch die erfindungsgemäße Behandlung der Spule können sich besonders für den Fall ergeben, dass das Beschichtungsmaterial durch Erhitzen polymerisiert werden kann oder dass die Polymerisation durch Erhitzen beschleunigt werden kann.
Die elektrische Spule 1 kann durch Gießen, additive Fertigungsverfahren (3D-Drucken) oder Umformen, wie beispielsweise Wickeln eines Drahtrohlings hergestellt werden. Es sind auch kombinierte Herstellungsverfahren möglich, wie beispielsweise das Gießen oder 3D-Drucken mit einem nachfolgenden axialen Komprimieren des Spulenkörpers, wie dies durch die Pfeile 9, 10 angedeutet ist. Damit kann nach der Herstellung der Leerraum zwischen den einzelnen Windungen minimiert werden.
Eine Isolationsschicht 6b kann vor oder nach einer ersten Wärmebehandlung der elektrischen Spule erfolgen, und die Beschichtung kann durch die Wärmebehandlung der elektrischen Spule oder durch eine nachfolgende weitere Wärmebehandlung ausgehärtet werden. Die Wärmebehandlung der Beschichtung 6b kann ebenso wie die Behandlung des metallischen Spulenmaterials zur Erhöhung des elektrischen und/oder thermischen Leitwerts durch Beaufschlagung der Spule mit einem Strom oder einer Spannung erfolgen.
Zudem kann das erfindungsgemäße Behandeln der Spule 1 durch eine Prüfung der Überschlagsfestigkeit der Spule ergänzt werden, die durch Anlegen einer hohen Spannung an die Spule und eine Überwachung des Stroms und/oder der Spannung erfolgen kann. Ergeben sich Überschläge oder kündigen diese sich an, so ist dies durch eine Änderung des Spannungssignals, beispielsweise teilweises Einbrechen der Spannung, und/oder durch das Auftreten von zusätzlichen Strömen oder Stromerhöhungen durch die Spule erkennbar.
3 zeigt mehrere mögliche Spannungsverläufe der an die Spule 1 angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Zeit t. Ein erster Spannungsverlauf 11 stellt ein Anlegen einer Spannung U₁ und eine entsprechend steile Spannungssteigerung an der Spule bis zum Wert U₁ dar, worauf die Spannung nach der Zeit t₁ bis zur Zeit t₂ zügig wieder abgesenkt wird. Typische Zeiten für t₁ und/oder t₂ liegen im Bereich zwischen einer halben Sekunde und mehreren Sekunden.
Ein alternativer Spannungsverlauf 12 zeigt nach dem Zeitpunkt t₁ eine modulierte sinusförmige Gleichspannung um den Wert U₁, die bis zu einem nicht näher spezifizierten Ende der Behandlung andauert. Der weitere alternative Spannungsverlauf 13 sieht vor, dass die Spannung auf den Wert U₁ gesteigert und danach bis zu einem Ende der Behandlung konstant beibehalten wird.
4 zeigt für die Behandlung der Spule die Anwendung einer Wechselspannung 14, die dazu führt, dass die Stromrichtung durch die Spule sich periodisch umkehrt. Die in der Spule umgesetzte elektrische Leistung führt zu einer Erwärmung der Spule und zu der gewünschten Gefügeänderung. Die Amplitude der Wechselspannung 14 kann dabei auch in Abhängigkeit von der Zeit t variiert werden.
In 5 ist ein möglicher, steuerbarer Verlauf des Stroms / der Stromstärke I durch die Spule gezeigt, wobei die Stromstärke innerhalb kurzer Zeit bis auf die Stromstärke l₁ gesteigert und dann eine Zeitlang konstant gehalten wird. Danach kann der Strom bis zum Zeitpunkt t₃ auf null heruntergefahren oder auf einen Zwischenwert l₂ für die Dauer eines nachfolgenden Zeitintervalls konstant gehalten werden, bevor die Stromstärke auf null abgesenkt wird.
6 zeigt zunächst einen Spannungsverlauf, bei dem die Spannung bis zum Spannungswert U₁ erhöht und eine Zeitlang bis zum Zeitpunkt t₄ konstant gehalten wird. In dieser Zeit wird auf die Spule ein Strom aufgeprägt, der zu einer Erwärmung und zu der gewünschten Gefügeänderung führt. Danach kann die Spannung stoßartig weiter erhöht werden, um die Durchschlagsfestigkeit der Spule zu prüfen. Ein Spannungshöchstwert, bei dem gerade Anzeichen für ein Durchschlagen der Spannung beobachtet werden, kann zum Zeitpunkt t₅ erreicht sein. Die Spannung wird dann nicht weiter erhöht, sondern auf null abgesenkt.
Es kann vor oder nach der Spannungsfestigkeitsprüfung auch ein Zeitintervall vorgesehen sein, in dem durch eine unterhalb der Spannung U₁ liegende angelegte Spannung eine Temperatur an der Spule eingestellt wird, die geringer ist als die für die Gefügeänderung notwendige Spannung und die über ein längeres Zeitintervall zum Aushärten einer Beschichtung der Spule führt. Es kann auch sinnvoll sein, die Durchschlagsspannungsprüfung nach dem Erhärten der Beschichtung durchzuführen, da auch die Spannungsfestigkeit der Beschichtung sich durch das Aushärten ändern kann.
In 7 ist in einem anderen Zeitmaßstab, als er für die 3 bis 6 gewählt wurde, ein beispielhaft durch die Strom- und Spannungsversorgung 2 geliefertes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal dargestellt. Es wird eine bestimmte Spannung U₂ durch einen Stromrichter geliefert und mit einer gewählten Pulsbreite und -frequenz ein- und ausgeschaltet. Durch das Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Spannung kann eine Stromstärke eingestellt werden, die beispielsweise zwischen 0 und t₆ einen ersten Wert und zwischen t₆ und t₇ einen zweiten Wert annimmt. Die zwischen t₆ und t₇ eingestellte Stromstärke ist geringer als die zwischen 0 und t₆ eingestellte Stromstärke. Auf diese Weise ist durch einen Umrichter der Strom unabhängig von der Spannung an der Spule einstellbar. Der Stromrichter kann für eine komfortable Steuerung durch Widerstände und Kondensatoren ergänzt werden, um Strom und Spannung, die an die Spule 1 angelegt werden, in möglichst großen Bereichen frei und unabhängig voneinander steuern zu können.
Durch die Erfindung wird die Behandlung einer elektrischen metallischen Spule 1 ermöglicht, die zu einer gewünschten Gefügeänderung im Material der Spule sowie gegebenenfalls auch zu einer Aushärtung einer Beschichtung führen kann, wodurch die Leitfähigkeit (sowohl die elektrische als auch gegebenenfalls die thermische) des Spulenmaterials erhöht wird. Damit ist eine Effizienzsteigerung bei elektrischen Maschinen möglich, die mit einer solchen Spule versehen werden, wobei die Größe und Form der Spule unverändert bleiben.
8 zeigt schematisch Schritte eines möglichen Verfahrens zur Herstellung einer Spule.
In Schritt S1 wird eine wendelförmige metallische elektrische Spule bereitgestellt, in einer beweglichen Haltevorrichtung positioniert, und der Spulenkörper mit einer elektrischen Strom- und Spannungsversorgung verbunden.
In Schritt S2 wird die Spule mit Hilfe der beweglichen Haltevorrichtung in eine Stützvorrichtung bewegt und anschließend mit Hilfe der elektrischen Strom- und Spannungsversorgung eine Gefügeänderung auf die im Zusammenhang mit den vorangegangenen Figuren beschriebene Weise herbeigeführt. Die Stützvorrichtung greift kammartig zwischen die Windungen der Spule und verhindert eine ungewollte Verformung der Spule während der Gefügeänderung. Die Stützvorrichtung umfasst Keramik und/oder isolierend beschichtetes Metall und wird während die Gefügeänderung durchgeführt wird mittels einer Heizung auf einer Temperatur von beispielsweise 180°C gehalten. Durch die erhitzte Stützvorrichtung wird der Gefügeänderungsprozess unterstützt. Während der Gefügeänderung wird mittels eines optischen oder taktilen Wärmedetektors die Temperatur der Spule räumlich aufgelöst überwacht. Wenn lokale Temperaturerhöhungen festgestellt werden, die auf einen nicht behebbaren Materialfehler hindeuten, kann die Spule ausgesondert werden.
In Schritt S3 wird die aus der Stützvorrichtung entnommene Spule mittels der beweglichen Haltevorrichtung in eine Beschichtungsvorrichtung geführt. Die Beschichtungsvorrichtung ist eine Pulverlackiervorrichtung oder eine Elektrotauchlackiervorrichtung. In der Beschichtungsvorrichtung wird die Spule mit einer Deckschicht versehen, wobei der Beschichtungsprozess durch Anlegen einer Spannung mittels der elektrischen Strom- und Spannungsvorrichtung gesteuert wird.
In Schritt S4 wird die mit Hilfe der Haltevorrichtung aus der Beschichtungsvorrichtung entnommene Spule in oder an einer Prüfvorrichtung positioniert, wobei es sich bei der Prüfvorrichtung um den Wärmedetektor aus S2 handeln kann oder auch um eine andere Prüfvorrichtung. Während des Prüfens wird erneut Strom bzw. Spannung mittels der elektrischen Strom- und Spannungsversorgung bereitgestellt. Die Qualität der Spule wird überprüft und die Spule gegebenenfalls ausgesondert. Die Spule kann außerdem charakterisiert werden.
In Schritt S5 wird die Spule von der Haltevorrichtung und von der Strom- und Spannungsversorgung getrennt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer wendelförmigen metallischen elektrischen Spule (1), bei dem zunächst der Spulenkörper in seiner endgültigen geometrischen Form hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Spulenkörper eine elektrische Strom- und Spannungsversorgung (2) verbunden wird und dass ein Strom- und Spannungsverlauf (11, 12, 13, 14, 15, 16) in dem Spulenkörper derart gesteuert wird, dass durch eine Gefügeänderung des Materials der Spule ein Gefüge erzielt wird, das gegenüber dem Ausgangszustand einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Strom und Spannung in der Spule derart gesteuert werden, dass während wenigstens 5 Sekunden, insbesondere während wenigstens 10 Sekunden, weiter insbesondere während wenigstens 100 Sekunden, eine Stromstärke von wenigstens 20 Ampere, insbesondere wenigstens 30 Ampere, weiter insbesondere wenigstens 50 Ampere und/oder eine Leistung von wenigstens 5 Watt, insbesondere wenigstens 10 Watt, weiter insbesondere wenigstens 20 Watt pro cm Spulendraht erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Strom und Spannung in der Spule derart gesteuert werden, dass eine Temperaturerhöhung des Materials der Spule auf wenigstens 500 Grad Celsius, insbesondere auf 700 Grad Celsius für wenigstens 20 Sekunden, insbesondere für wenigstens 60 Sekunden, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Strom und Spannung in der Spule (1) bei laufender Messung des elektrischen Widerstands derart gesteuert werden, dass eine Änderung des elektrischen Widerstands der Spule bis zu einem vorgegebenen Zielwert erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Strom und Spannung in der Spule (1) derart gesteuert werden, dass nacheinander mehrere Zyklen mit ansteigender und abfallender Stromstärke durchlaufen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) vor oder nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung zur Änderung des Gefüges mit einer Deckschicht (6b) bedeckt wird, die bei der Erwärmung der Spule durch Anlegen einer elektrischen Spannung getrocknet oder durch einen Polymerisationsprozess gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an der Spule (1) derart erhöht wird, dass Spannungsüberschläge oder Voranzeichen für Überschläge zwischen benachbarten Spulenwindungen auftreten und dass die Spannungsüberschläge sowie die Spannung registriert werden und daraus die elektrische Spannungsfestigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper durch Gießen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper durch Umformen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper durch ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Druck, hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spule in einer Stützvorrichtung positioniert ist während Strom und Spannung an der Spule anliegen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Stützvorrichtung beheizt wird..
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt des Verfahrens eine Qualitätsprüfung vorgenommen wird, die eine Wärmedetektion umfasst.
Vorrichtung zur Behandlung einer Spule (1) mit einer elektrischen Strom- und Spannungsversorgung (2), zwei Versorgungsanschlüssen (1a, 1b) zur Verbindung der Strom- und Spannungsversorgung mit jeweils einem Abschnitt der Spule sowie mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Stromstärke und Spannung.