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Die Erfindung betrifft eine klimafeste Magnetspule mit ihrem Isolationsaufbau einschließlich deren Einbau in einen Eisenkern (Joch) und ein Verfahren zur Herstellung der Magnetspule und den Einbau der Magnetspule in einen offenen Eisenkern (Joch) als Tragmagnetspule unter einer Magnetschwebebahn.
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Bekannt sind eine Reihe von technischen Lösungen für Magnetschwebefahrzeuge mit unterschiedlich ausgebildeten Magnetformspulen in der jeweiligen Ausführung als Trag-Führ- und/oder Bremsmagnetspulen. In der Regel sind diese speziell geformt um eine entsprechend hohe Magnetfeldstärke erzielen zu können, damit die Magnetschwebefahrzeuge in Schwebe und/oder in der Spur gehalten und entsprechend beschleunigt oder gebremst werden können. Grundvoraussetzung sind dabei auch möglichst geringe Luftspalte zwischen der Magnetspule und dem beispielsweise in Schwebe zu haltenden Objekt um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen. Das ist insbesondere mit großflächig ebenen Formspulen erreichbar. Als Beispiel für eine solcherart ebene Magnetspule ist hier die
DE 39 07 831 C2 genannt, wo eine hochwarmfeste Kompakt-Magnetspule insbesondere für die Magnetschwebetechnik beschrieben ist. Um die Spule hochwarmfest und klimafest auszubilden, ist es hier vorgesehen, isolierte Metallfolien auf einen Rechteckeisenkern aufzuwickeln. Diese Spule ist allerdings nur für geringe Magnetfeldstärken geeignet. Auch ist es aus der
US 3462 244 bekannt, ein Kabel mit einem Glasgewebematerial zu ummanteln, um die Wärmefestigkeit einer solchen Magnetspule zu erhöhen.
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Aus der
DE 33 46 031 A1 ist ein Spulenisolationsverfahren bekannt, bei dem zwei unterschiedliche Isolationsschichten auf eine Magnetformspule aufgebracht werden. Dabei wird in einem ersten Isolationsschritt eine Mica-Folie oder ein Mica-Band halbüberlappend um die Abschnitte der Spule gewickelt, welche in der Nut eines Blechpaketes liegen. Die Spulenköpfe werden ebenfalls im ersten Schritt mit isoliert. Sind die Spulen montiert, werden diese dann in einem zweiten Isolationsschritt mit einem thermisch härtbaren Epoxidharz oder einer speziellen Pulverbeschichtung überzogen. Das Harz wird vor allem auf die Spulenköpfe aufgebracht und durch Erhitzen ausgehärtet, wodurch eine zweite hochfeste Isolationsschicht entsteht. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig und ist nicht für thermisch und klimatisch hoch belastete elektrische Maschinen oder Magnetspulen geeignet.
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Des Weiteren ist in der
DE 10 2017 222 426 A1 (
WO 2016/244685 ) ein Anker für einen Linearmotor und ein Linearmotor beschrieben, bei dem die der Anker (Kern) des Linearmotors, d. h. die Magnetspulen nach außen hin von einer speziellen Schutzfolie voll bedeckt sind. Diese vollflächige Schutzfolie besteht aus einem Glasgewebematerial oder einem Kohlefasergewebematerial und ist dabei zusätzlich so ausgebildet, dass sie mit einem Harz imprägnierbar ist. Zur Tränkung werden in dieser technischen Lösung Epoxidharz, Phenolharz oder Acrylharz vorgeschlagen. Diese Schutzfolie mit der zusätzlichen Harzschicht soll das Eindringen von Fremdkörpern und vor allem jegliches Eindringen von auf den Anker auftreffenden Flüssigkeiten, wie insbesondere Spritzwasser zuverlässig verhindern. Diese Lösung ist sehr aufwändig und kostenintensiv und durch die Schutzfolie mit der aufgebrachten Harzschicht wird der Luftspalt zusätzlich vergrößert.
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Die Anwendung von Schrumpfschläuchen im Elektromaschinenbau ist aus der
DE 100 23 204 A1 nachgewiesen. Dabei erfolgt eine komplette Isolierung von Statorwicklungen für Gleichstrommaschinen und Wechselstrommaschinen durch voll umhüllende Schrumpfschläuche. Diese werden über die gesamte Stabwicklung der Maschinen aufgeschoben und anschließend mittels einer Wärmebehandlung geschrumpft, so dass eine ausreichende auch flüssigkeitsdichte Isolierung erreicht werden kann. Diese technische Lösung ist ebenfalls fertigungstechnisch und zeitlich aufwendig und damit teuer.
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Aus der
WO 2017 026306 A1 ist eine Isolierharzbeschichtungsverfahren für einen Stator einer rotierenden elektrischen Maschine beschrieben, bei dem die einzelnen verschweißten Schaltverbindungen eines Stators zunächst von je einer zweiteiligen Harzgussform umschlossen werden, in diese dann ein Harz einspritzt wird, dieses Harz ausgehärtet wird und anschließend wieder die Form entfernt wird. Damit wird eine vollflächige witterungsfeste Isolierung der blanken Schaltverbindungen erzielt.
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In der
DE 42 37 079 A1 ist die Verwendung von elastischen, aus tränkbaren faserverstärkten Gewebematerialien bestehenden, aufwändigen Isoliermänteln oder Isolierstrümpfen für die Schaltverbindungen von großen elektrischer Maschinen beschrieben, welche über die zu isolierenden Schaltverbindungen aufgeschoben werden und anschließend in sogenannter Ganztränktechnik in einer Vakuum-Imprägnier-Anlage sowohl im Vakuum als auch unter Druck (VPI-Tränkung) imprägniert und anschließend ausgehärtet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine klimafeste Magnetspule und ein einfaches Verfahren zu deren Herstellung für das spätere Aufsetzen und/oder Einsetzen über bzw. auf einen offenen Eisenkern (Joch) zu schaffen, wobei die Spulenisolation eine hohe Wasserdichtheit besitzen soll, auch unter extremen klimatischen Bedingungen die Isolationsfestigkeit gewährleistet, konstruktiv einfach und wartungsfrei aufgebaut ist, kostengünstig ohne aufwändige VPI-Tränkprozesse herstellbar ist und zudem eine lange Lebensdauer besitzt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Oberbegriffs und des kennzeichnenden Teils des ersten und zweiten Patentanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen rückbezüglichen Unteransprüchen beschrieben. Bei der erfindungsgemäßen klimafesten Magnetspule 1 für das Aufsetzen und/oder Einsetzen in oder auf einen offenen Eisenkern (Joch) erfolgt der Anschluss der Spule über einen Spuleneingang und einen Spulenausgang, welche im Folgenden zusammengefasst immer als Spulenausleitungen 2 bezeichnet werden. Die Weiterführungen der Spulenausleitungen 2 erfolgen über an der Kupferspule angeordnete Anschlusskabel 2.1, welche mittels einer Lötstelle mit der Kupferspule stoffschlüssig oder über eine Pressverbindung kraftschlüssig verbunden sind. Die Lötstelle oder Pressverbindungstelle 5 ist vorzugsweise zusätzlich mit einem Schrumpfschlauch umhüllt. Über dem Verbindungsbereich der Spulenausleitungen 2 mit den Anschlusskabeln 2.1 und den möglichen Ausleitungen zur Spulenüberwachung 3 wird eine wannenförmige Hülse 4 so auf die Spulenoberfläche geklebt, dass diese den Ausleitungsbereich vollständig in einem definierten Bereich überdeckt bzw. umschließt. Ist die Verbindungsstelle der Spulenausleitungen 2 und der Anschlusskabel 2.1 nicht direkt auf dem Spulenkörper sondern vom Spulenkörper beabstandet angeordnet, wird darüber eine kapselförmige Hülse 4 angeordnet. Dabei ist die Herausführung des Wickeldrahtes der Kupferspule aus dem Spulenkörper und gegebenenfalls der oder die Herausleitung der Anschlüsse zur Spulenüberwachung (Thermoelemente) direkt auf der Spulenkörperoberfläche besonders gut zu isolieren und sollte mechanisch nicht mehr nach der Aushärtung belastet werden. Anschließend wird über eine oder bevorzugt mehrere in der Hülse 4 angeordnete Öffnungen 6 eine elastische Vergussmasse in geeigneter Art und Weise in die Hülse 4 eingebracht. Die elastische Vergussmasse härtet je nach Zusammensetzung bei normaler Umgebungstemperatur aus oder kann auch zusätzlich mittels eines gesonderten Wärmeeintrages beschleunigt ausgehärtet werden. Zur Vorbereitung des Vergussprozesses der gesamten Magnetspule 1 wird die Spule mit einem Glasgewebeband 7 mit vorzugsweise einer Überlappung von maximal bis zu einer halben Bandbreite eingebunden. Anstelle eines Glasgewebebandes kann die Magnetspule 1 auch vollständig mit einem Glasgewebe-Flächenmaterial umkleidet sein, welches beispielsweise an der Stossstelle vernäht ist oder insgesamt auf die Oberfläche des Spulenmaterials teilweise oder vollflächig aufgeklebt ist. Die so vorbereitete Magnetspule 1 wird in eine sehr eng dimensionierte Gussform eingebaut. Der enge Spalt zwischen der Gussformwand und der eingebundenen Spulenoberfläche beträgt vorzugsweise zwischen. 0,5 mm bis 1,25 mm. Dann wird ein Vakuum gezogen. Unter Vakuum wird ein Epoxidharz spezieller Rezeptur eingezogen, welches die Magnetspule 1 vollständig umschließt und das Glasgewebeband 7 oder das Glasgewebe-Flächenmaterial insgesamt durchtränkt. Im Anschluss wird das Epoxidharz durch Wärmeeintrag vollständig ausgehärtet. Zum Schluss wird die ausgehärtete Magnetspule 1 aus der Gussform entnommen, ist einbaubereit und wird in den offenen Eisenkern (Joch) montiert. Die fertige Magnetspule 1 bildet in Kombination mit dem Glasgewebeband 7 bzw. dem Glasgewebe-Flächenmaterial eine ausreichend elastische, vollumschließende Isolationshülle 8 mit den gewünschten elektrisch isolierenden, formstabilen und wetterfesten Eigenschaften.
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In einer zweiten Ausführung der Erfindung wird die Magnetspule 1 auf den offenen Eisenkern (Joch) gewickelt, so dass diese Magnetspule 1 bereits montagefertig integriert ist. Anschließend wird um die Magnetspule 1 in geeigneter Weise ein Vakuum gezogen, dann wird Epoxidharz 8 eingepresst oder eingezogen und die Magnetspule 1 wird unter Wärmeeintrag soweit ausgehärtet, bis das Epoxidharz angeliert, dann wird die Magnetspule 1 entnommen und außerhalb des Eisenkerns fertig in einer zweiten Verfahrensstufe ausgehärtet. Die Magnetspule 1 bleibt auf diese Weise demontierbar, d. h. sie kann bei Bedarf im Schadensfall jederzeit gewechselt werden.
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In einer dritten Ausführung ist die Magnetspule 1 bereits so komplett in die offene Eisenkernanordnung (das Joch) eingelegt und integriert angeordnet, dass bereits ein dauerhafter fester Verguss möglich ist. Dann wird in geeigneter Art und Weise mittels einer speziell ausgebildeten Vorrichtung um die Magnetspule 1 ein Vakuum gezogen. Anschließend wird Epoxidharz 8 eingepresst oder eingezogen und die Magnetspule 1 wird unter Wärmeeintrag direkt im Eisenkern vollständig ausgehärtet und braucht nicht wieder demontiert zu werden.
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Im Ergebnis dieses Herstellungsprozesses entsteht eine hochklimafeste Magnetspule 1, welche eine sehr hohe Wasserdichtheit gewährleistet und auch unter extremen klimatischen Bedingungen die geforderte hohe und dauerhafte Isolationsfestigkeit über einen langen Zeitraum beibehält. Insbesondere wird es damit möglich, die Dichtheit der Magnetspule 1 trotz der temperaturbedingten oftmaligen Ausdehnungsbeanspruchungen (in der Regel durchaus bis zu mehreren Millimetern pro Ausdehnungszyklus) an den sensiblen Ausleitungsstellen der Magnetspule 1 bzw. an der Verbindungsstelle dauerhaft und ohne Verringerung der Isolationsfestigkeit für die geplante Lebensdauer garantieren zu können. Diese klimafeste Magnetspule 1 ist konstruktiv einfach und wartungsfrei aufgebaut, kostengünstig herstellbar und besitzt zudem eine verlängerte Lebensdauererwartung.
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Bei der klimafesten Magnetspule 1 werden zum besseren Einbringen der elastischen, zunächst niedrigviskosen Vergussmasse in die wannenförmigen oder kapselförmige Hülsen 4 eine oder zwei oder auch mehrere Öffnungen 6 an geeigneten Stellen so angeordnet, dass die zunächst niedrigviskose Vergussmasse bevorzugt von oben in die Hülsen 4 eingefüllt werden kann, ohne dass in diesen irgendwelche Gas- oder Lufteinschlüsse verbleiben. Im Prinzip ist es auch möglich die mit der Vergussmasse vollgefüllten wannenförmigen oder kapselförmigen Hülsen 4 von unten über die Ausleitungsbereiche zu montieren.
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Die wannenförmige oder kapselförmige Hülse 4 kann beispielsweise als eine Glasfaserhartgewebehülse 4 ausgebildet sein.
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Vorzugsweise besteht die elastische Vergussmasse aus einer zunächst niedrigviskosen PUR-Vergussmasse. Es ist wahlweise möglich, dass die PUR-Vergussmasse eingegossen, eingespritzt oder gegebenenfalls mit Druck eingepresst wird. Wahlweise kann die PUR-Vergussmasse je nach stofflicher Zusammensetzung entweder bei normaler Umgebungstemperatur in einer gewissen Zeit aushärten oder diese kann auch zusätzlich mittels eines gesonderten Wärmeeintrages beschleunigt verfestigt werden.
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In einem besonders einfachen effektiven Verfahren zur Herstellung klimafester Magnetspulen 1 wird die Magnetspule 1 zweistufig in getrennten Verfahrensschritten ausgehärtet. Dabei erfolgt zunächst in der Gussform oder im Eisenkern mit eingelegter und mit Epoxidharz durchgetränkter Spule solange ein Wärmeeintrag, bis das Epoxidharz angeliert ist und einen bestimmten hochviskosen Zustand besitzt, so dass die getränkte Magnetspule 1 noch aus der Gussform bzw. dem Eisenkern entnommen werden kann, das angelierte Epoxidharz nicht mehr ausfließt oder abtropft, aber trotzdem die Spule noch formstabil bleibt. Anschließend erfolgt das vollständige Aushärten außerhalb der Gussform bei Temperaturen um die 120° C.
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Es ist auch möglich, dass beim Verfahren zur Herstellung klimafester Magnetspulen 1 die Magnetspule 1, wenn sie nicht dauerhaft im Eisenkern vergossen ist, nach der Aushärtung außerhalb der Gussform oder des Eisenkerns mit einem abtragenden Fertigungsverfahren nachbearbeitet wird, bis die geforderte Dicke und die ausreichende Festigkeit des Teils der Magnetspule 1 erreicht wird, der für den Einbau in einen offenen Eisenkern benötigt wird. Zudem ist es möglich eine zusätzliche Isolations- bzw. Schutzschicht beispielsweise mittels geeigneter additiver Fertigungsverfahren aufzubringen um qualitativ noch bessere Einsatzeigenschaften ausbilden zu können.
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Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der 1 und 2 näher erläutert werden. Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine klimafeste Magnetspule 1 für den Einbau in eine Magnetschwebebahn, wobei die Magnetspulen 1 die Magnetschwebebahn in Schwebe halten müssen. Sie liegen daher, um eine möglichst effektive Wirkung erzielen zu können, unmittelbar frei ohne einen weiteren Schutz unter der Schwebebahn und sind damit jeglichen jahreszeitbedingten Witterungseinflüssen direkt ausgesetzt.
- 1 zeigt eine Schrägdraufsicht auf eine mögliche Ausführung einer klimafesten Magnetspule 1 in unvergossenem Zustand
- 2 zeigt eine Seitenansicht einer Magnetspule 1 nach vollständigem Verguss
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In 1 ist eine Schrägdraufsicht auf eine mögliche Ausführung einer klimafesten Magnetspule 1 abgebildet, welche den unvergossenen Zustand einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetspule 1 zeigt. Hier ist eine Vielzahl von Windungen einer Magnetformspule mit zwei Spulenausleitungen 2 und den zugehörigen angelöteten Anschlusskabeln 2.1 und den daneben angeordneten Ausleitungen zur Spulenüberwachung 3 ersichtlich. Das Anschlusskabel 2.1 ist mit der Ausleitung der Spule an den Ausleitungsstellen unmittelbar auf der Oberfläche des Kupferspulenkörpers verlötet und diese Lötstelle ist mit einem Schrumpfschlauch 5 zusätzlich isoliert. Auf einer Seite ist der Ausleitungsbereich ohne Abdeckung durch eine Glasfaserhartgewebehülse 4 und auf der anderen Seite mit bereits aufgebrachter Glasfaserhartgewebehülse 4 gezeigt, sodass der unmittelbare Ausleitungsbereich aus der Magnetspule 1 vollständig überdeckt ist. In der hier eingesetzten Glasfaserhartgewebehülse 4 ist eine durchgehende Öffnung 6, wie hier beispielsweise eine Bohrung angeordnet. Durch diese Öffnung 6 in der wannenförmige Glasfaserhartgewebehülse 4 wird dann eine elastische, zunächst niedrigviskose PUR-Vergussmasse eingedrückt und bei Raumtemperatur ausgehärtet.
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2 zeigt eine Seitenansicht einer Magnetspule 1 mit dem aufgebundenen Glasgewebeband 7 und dem fertigen Epoxidharz-Verguss, jeweils teilweise dargestellt. Die mit der Glasfaserhartgewebehülse 4 versehene Magnetspule 1 wird zunächst lückenlos einschließlich der Glasfaserhartgewebehülsen 4 vorzugsweise überlappend eingebunden. Auch eine Einbindung mit Glasgewebeband auf Stoß ist möglich aber aufwändiger. Die so vorbereitete Magnetspule 1 wird in die sehr eng dimensionierte Gussform eingebaut. In der Gussform wird unter Vakuum ein Epoxidharz spezieller Rezeptur eingezogen, welches alle Hohlräume innerhalb der Spule ausfüllt, das Glasgewebeband 7 durchtränkt und die Spule vollständig umschließt. Anschließend erfolgt das Aushärten mit üblichen bekannten Aushärteverfahren mittels Wärmeeintrag, bevorzugt bei einer Temperatur von 120°.
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Anschließend wird die Gussform entformt und die Magnetspule entnommen. Es entsteht eine Magnetspule, welche sehr formstabil ist und eine vollflächige, an der Oberfläche aus Epoxidharz bestehende Epoxidharz- Isolierhülse 8 besitzt. Diese Magnetspule 1 für eine Magnetschwebebahn mit dem beschriebenen Isolationsaufbau ist extrem wasserdicht, in verschiedenen Klimazonen einsetzbar, witterungsbeständig, einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und besitzt eine lange Lebensdauer.
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Im Prinzip ist es auch möglich den engen Spalt zwischen Gussform und Spulenoberfläche zu vergrößern, die Isolierhülse etwas dicker als erforderlich herzustellen und anschließend auf die erforderlichen Maße und Isolationsfestigkeiten mit geeigneten Abtragungsverfahren, wie beispielweise Fräsen oder Schleifen fertig zu stellen. Das ist zumindest für den Teil der Magnetspule 1 sinnvoll, welcher beim Einbau in einen offenen Eisenkern (Joch) benötigt wird, d. h. es wird bevorzugt der in der Nut des Eisenkerns liegende Teil der ausgebildeten Isolierhülse nachbearbeitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetspule
- 2
- Spulenausleitung (Spuleneingang und Spulenausgang)
- 2.1
- Anschlusskabel
- 3
- Ausleitung zur Spulenüberwachung
- 4
- Hülse, Glasfaserhartgewebehülse (HGW-Hülse)
- 5
- Lötstelle Pressverbindung mit Schrumpfschlauch
- 6
- Öffnung in der Hülse, in der Glasfaserhartgewebehülse
- 7
- Glasgewebeband
- 8
- Epoxidharz-Isolationshülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3907831 C2 [0002]
- US 3462244 [0002]
- DE 3346031 A1 [0003]
- DE 102017222426 A1 [0004]
- WO 2016/244685 [0004]
- DE 10023204 A1 [0005]
- WO 2017026306 A1 [0006]
- DE 4237079 A1 [0007]
