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Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule.
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Es besteht ein Bedarf, Elektromotoren im Hinblick auf die Zielgrößen Effizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu verbessern, wobei die Zielgrößen teilweise miteinander in Konflikt stehen. In besonderem Maße besteht ein solcher Bedarf bei Anwendungen in der Luftfahrtindustrie, in der die Zukunft der Elektrifizierung von Flugzeugen maßgeblich von der Leistungsdichte der einzusetzenden Motoren und Generatoren abhängt. Die Erhöhung der Dauerleistungsdichte von Elektromotoren ist dabei maßgeblich durch den Strom, mit dem der Elektromotor betrieben werden kann, limitiert. Dieser wird unter anderem durch die Leiterdichte und den damit verbundenen Kupferfüllfaktor beeinflusst.
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Zur Bereitstellung kompakter Spulen, die in Elektromotoren eingesetzt werden, ist die Verwendung von Litzen bekannt, welche aus einer Vielzahl dünner verdrillter Runddrähte hergestellt sind. Spulen für elektrische Maschinen in Litzentechnik sind beispielsweise in der
DE 44 14 527 C1 und der
WO 2004/059817 A1 beschrieben.
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Im Gegensatz zu Kupfer-Flachleitern weisen Litzenleiter einen geringeren Kupferfüllfaktor auf, da sie aus Einzeldrähten aufgebaut sind, wobei sich für runde Einzeldrähte ein theoretischer, maximaler Kupferanteil von 78 % ergibt. Dieser Wert wird in der Realität deutlich unterschritten, da die Verteilung der Einzeldrähte nicht einer dichtesten Packung entspricht und durch die Wicklung, die Verdrillung der Einzeldrähte und die Eigenspannungen der Litze das freie Volumen steigt.
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Es ist bekannt, aus Litze hergestellte Wickeldrähte nach der Wicklung zu einer Mehrlagenspule zu verpressen, um den Kupferfüllfaktor zu erhöhen. Allerdings kann sich ein Verpressen der Litzen negativ auf die Isolationseigenschaften auswirken, da die Einzeldrähte und deren Isolierung durch hohe mechanische Lasten beschädigt werden können oder eine Imprägnierung der Spule mit einem Harz durch die Komprimierung erschwert werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus einem Wickeldraht aus Litze hergestellte Spule bereitzustellen, die sich durch einen hohen Kupferfüllfaktor auszeichnet. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spule bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt eine Spule, die einen Wickeldraht aufweist, der zu einer Mehrzahl von Spulenwindungen gewickelt ist. Der Wickeldraht weist dabei eine Litze auf, die eine Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte umfasst. Weiter ist die Litze mit einer Windungsisolierung umhüllt.
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Es ist vorgesehen, dass die Spulenwindungen in mindestens einem Abschnitt mit einem Fixierband umwickelt sind, das die Spulenwindungen lokal in einem verpressten Zustand der Spule ummantelt und geometrisch fixiert.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die elektrische Spule in ihrem verpressten Zustand zu fixieren und dadurch zu verhindern, dass die Spule nach einem Wegfall des Verpressdrucks wieder auffächert. Indem dies verhindert wird, bleibt der hohe Kupferfüllfaktor, der sich beim Verpressen der Spule einstellt, erhalten, ohne dass der Kupferfüllfaktor anschließend beim Wegfall des Verpressdrucks wieder abnimmt. Damit wird dauerhaft ein hoher Kupferfüllfaktor der auf einem Wickeldraht aus Litze basierenden Spule bereitgestellt.
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Zur Fixierung der elektrischen Spule in ihrem verpressten Zustand sieht die Erfindung dabei den Einsatz mindestens eines Fixierbandes vor, dass lokal in mindestens einem Abschnitt um die Spulenwindungen gewickelt ist, wobei das Fixierband die Spulenwicklungen geometrisch fixiert und insbesondere ein Auffächern der Spulenwindungen verhindert. Durch den Einsatz des mindestens einen Fixierbandes werden eine Formstabilität der Spule und definierte Abmessungen erreicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das Fixierband die Spule nur lokal bzw. abschnittsweise umgibt und nicht vollständig. Anderenfalls wäre es nicht oder nicht in ausreichendem Maße möglich, die Spule abschließend mit einem Harz zu imprägnieren. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit die Bereitstellung einer Formstabilität der Spule in Verbindung mit der Möglichkeit einer Imprägnierung.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fixierband aus einem ausgehärteten Verbundwerkstoff besteht, wobei das Fixierband vor seiner Aushärtung flexibel ist, so dass es vor seiner Aushärtung um die Spulenwindungen gewickelt werden kann. Ein Beispiel hierfür ist ein Fixierband, das bei Raumtemperatur nicht klebend ist, bei erhöhter Temperatur mit hoher Viskosität aufschmilzt und anschließend nach kurzer Zeit aushärtet. Solche Bänder werden auch als B-Stage-Band oder B-Stage-Epoxy bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist das Material „Voltafix 2102“ der Isovolta Group, das als Epoxidharz/Glasfaser-Verbundwerkstoff aufgebaut ist. Auch andere vorimprägnierte Fasern (prepregs) kommen als Material für das Fixierband in Betracht.
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Die Einzeldrähte der Litze können in an sich bekannter Weise jeweils mit einer Isolierung versehen sein, so dass ein Stromfluss zwischen den Einzeldrähten der Litze nicht stattfindet. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Einzeldrähte der Litze jeweils mit einer Backlackbeschichtung versehen sind. Eine Backlackbeschichtung stellt eine aufschmelzbare und härtbare Beschichtung der Einzeldrähte dar. Die Beschichtung aus Backlack umgibt dabei die Einzeldrahtisolierung der Einzeldrähte der Litze. Der Backlack härtet in Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit dem Fixierband aus, wie in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren noch erläutert wird.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spulenwindungen durch mehrere Fixierbänder lokal fixiert sind, die zueinander beabstandet sind, so dass zwischen den Fixierbänder freie Bereiche ohne Fixierband ausgebildet sind. Dabei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Spulenwindungen im Bereich eines geradlinigen Schenkels der Spule durch ein Fixierband lokal ummantelt sind, wobei je Schenkel der Spule auch mehrere Fixierbänder vorgesehen sein können.
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Das Fixierband wird initial um die Spulenwindungen gewickelt und härtet anschließend aus. Es umgibt dabei in einem betrachteten Abschnitt der Spule jeweils sämtliche Spulenwindungen der Spule. Es liegt in Ausgestsltungen unmittelbar auf den Spulenwindungen auf.
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Die Litze ist mit einer Windungsisolierung versehen, die die Außenhülle des Wickeldrahts darstellt. Die Windungsisolierung besteht in Ausgestaltungen aus einem porösen, dabei jedoch komprimierbaren bzw. komprimierten Material, das elektrisch isolierend ist. Die Windungsisolierung ist dabei insofern porös ausgebildet, als sie die Fähigkeit besitzt, bei einer Imprägnierung der Spule ein Harz aufzunehmen. Dies ermöglicht eine spätere Durchimprägnierung der Litze einschließlich der Einzeldrähte und der Windungsisolierung selbst.
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Gleichzeitig ist das Material der Windungsisolierung komprimierbar, d. h. es kann unter einem Pressdruck sein Volumen reduzieren. Dies ist vorteilhaft, um bei einem Verpressen der Spule bzw. des Wickeldrahts den Kupferfüllfaktor innerhalb des Wickeldrahtes zu erhöhen. Auch im verpressten Zustand, wenn die Windungsisolierung maximal komprimiert ist, besitzt sie jedoch elektrisch isolierende Eigenschaften, so dass die Spulenwindungen zueinander sicher isoliert sind. Auch bleibt die Porosität der Windungsisolierung im komprimierten Zustand der Spule erhalten. Die Windungsisolierung wird beispielsweise als bandartiges Material um die Litze gewickelt.
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Die Windungsisolierung kann aus typischen Gewebematerialien mit ausreichender Temperaturstabilität bestehen, die zum Beispiel auf der Basis von Polymeren wie Aramidfasern, PBO-Fasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, PTFE, etc. aufgebaut sind. Infrage kommen auch anorganische Fasern wie zum Beispiel Glas-, Quarz-, Keramik- oder Basaltfasern oder Naturfasern. Solche Materialien können in Form von Endlosfasern als Gewebe oder Gelege aber auch als Kurzfasern in Form von Vliesen zum Einsatz kommen. Auch der Einsatz von porösen Standardisolationsmaterialien zum Beispiel aus m-Aramidfasern ist möglich.
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Die Windungsisolierung ist mit einem Harz imprägniert, wenn die Spule auf einen Wickelkörper wie beispielsweise ein Statorblechpaket aufgebracht ist, wobei das Harz auch die Litze einschließlich der Einzeldrähte der Litze umgibt und die Spule somit mit dem Harz durchimprägniert ist.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Wickeldraht beim Verpressen einen rechteckigen Querschnitt erhält, so dass er in der Spule einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines hohen Kupferfüllfaktors im Hinblick auf die Kompaktheit der Spulenwindungen.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator Spulen gemäß Anspruch 1 aufweist, die jeweils auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns des Stators aufgebracht sind. Bei dem Elektromotor handelt es sich beispielsweise um einen Permanentmagnet-Synchronmotor. Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor oberflächenmontierte Permanentmagnete angebracht sind.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule, das die Schritte umfasst:
- - Wickeln eines Wickeldrahts, der aus einer Litze besteht, die eine Vielzahl dünner verdrillter Einzeldrähte umfasst und mit einer Windungsisolierung versehen ist, zu einer Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen, wobei der Wickeldraht auf einen Dummy-Wickelkörper gewickelt wird,
- - Verpressen der Spule zumindest in Richtung der Spulenachse, wobei zum einen die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, so dass die Spule einen verdichteten Zustand annimmt,
- - Wickeln mindestens eines aushärtbaren Fixierbandes um die Spulenwindungen vor oder nach dem Verpressen; und
- - Aushärten des Fixierband, wobei das ausgehärtete Fixierband die Spule im verdichteten Zustand fixiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Gedanken, ein Fixierband lokal an der Außenseite der Spule anzuordnen und die Spule zu verpressen, wobei das Fixierband im verpressten bzw. verdichteten Zustand der Spule aushärtet und diese dadurch im verpressten bzw. verdichteten Zustand fixiert. Hierdurch wird ein dauerhaft hoher Kupferfüllfaktor der Spule bereitgestellt.
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Dabei umfasst das Verpressen der Spule zum einen, dass die Litzen des Wickeldrahts verdichtet werden, wobei auch die Windungsisolierung zusammengedrückt wird, um eine Verdichtung der Litzen zu ermöglichen. Dies erfolgt derart, dass die Funktion der Windungsisolierung erhalten bleibt und diese auch weiterhin ausreichend Porosität aufweist, um in einem späteren Schritt ein Imprägnierharz aufzunehmen. Das Verpressen der Spule umfasst zum anderen, dass die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, so dass keine Hohlräume zwischen den einzelnen Windungen existieren.
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Das Verpressen der Spule in Richtung der Spulenachse erfolgt beispielsweise in vertikaler Richtung, wenn die Spule senkrecht ausgerichtet ist. Das Verpressen erfolgt beispielsweise dadurch, dass parallele Platten in vertikaler Richtung in ihrem Abstand verringert werden und dabei die Spulenwindungen zusammen pressen. Zusätzlich kann das Verpressen der Spule auch senkrecht zur Spulenachse, zum Beispiel in horizontaler Richtung erfolgen. Auch dies kann beispielsweise durch eine Verkürzung des Abstandes paralleler Platten erfolgen, wobei die Spulenwindungen in horizontaler Richtung zusammengepresst, beispielsweise gegen einen Wickelkörper gepresst werden.
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Die Spule kann nach Aushärten des Fixierbands dem Dummy-Wickelkörper entnommen und auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns aufgebracht werden, wobei der Wickelkörper des Einzelzahns beispielsweise ein Blechpaket umfasst und die Spule in eine Nut des Blechpakets eingelegt wird. Die Spule ist dabei in Form einer Zahnspulenwicklung ausgebildet (auch als konzentrierte Wicklung bezeichnet). Eine Mehrzahl derartiger Zahnspulen bzw. Einzelzähne kann zu einem ringförmig ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine zusammengesetzt werden.
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Das Wickeln des mindestens eines aushärtbaren Fixierbandes um die Spulenwindungen kann vor oder nach dem Verpressen erfolgen. Sofern das Fixierband vor dem Verpressen um die Spulenwindungen gewickelt wird, erfolgt das Verpressen in einem Schritt. Sofern das Fixierband nach dem Verpressen um die Spulenwindungen gewickelt wird, erfolgt das Verpressen in zwei Schritten. Im Folgenden wird zunächst der zweite Fall betrachtet.
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Das Verpressen der Spule in zwei Schritten sieht vor, dass
- - in einem ersten Verpressschritt die Spule in Richtung der Spulenachse vorgepresst wird, wobei die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden,
- - nach dem ersten Schritt die vorgepresste Spule aus dem Dummy-Wickelkörper entnommen wird,
- - anschließend das mindestens eine Fixierband in flexiblem, noch nicht ausgehärteten Zustand um die aus dem Dummy-Wickelkörper entnommene Spule gewickelt wird,
- - anschließend die mit dem mindestens einen Fixierband versehene Spule erneut in den Dummy-Wickelkörper gesetzt wird,
- - in einem zweiten Verpressschritt die Spule erneut in Richtung der Spulenachse verpresst wird, wobei die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden und die Spule einen finalen verdichteten Zustand einnimmt,
- - das Fixierband aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird, wenn sich die Spule im finalen verdichteten Zustand befindet, und
- - die verdichtete, mit dem ausgehärtete Fixierband fixierte Spule vom Dummy-Wickelkörper entnommen wird.
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Das Verpressen in zwei Schritten ist dem Umstand geschuldet, dass, wenn die vorgepresste Spule dem Dummy-Wickelkörper entnommen wird, um das mindestens eine Fixierband anzubringen, die Spule bereits zu einem geringen Grad wieder auffächert. Nach Anbringen des mindestens einen Fixierbandes ist es daher erforderlich, die Spule erneut zu Verdichten bzw. Verpressen, diesmal mit dem angebrachten Fixierband. Wenn die Spule sich dann in dem finalen verdichteten Zustand befindet, härtet das Fixierband aus oder wird zum Aushärten gebracht, beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung. Die final verdichtete Spule wird durch das ausgehärtete Fixierband fixiert und erhält eine Formstabilität. Sie kann dann von dem Dummy-Wickelkörper entnommen werden.
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Alternativ erfolgt das Verpressen in nur einem Schritt. Dabei ist vorgesehen, dass
- - nach dem Wickeln des Wickeldrahts und vor dem Verpressen das mindestens eine Fixierband in flexiblem, noch nicht ausgehärteten Zustand um die noch nicht komprimierte Spule gewickelt wird (hierbei kann vorgesehen sein, dass der gewickelte Wickeldraht vom Dummy-Wickelkörper entnommen, mit dem Fixierband versehen und anschließend wieder auf den Dummy-Wickelkörper aufgesetzt wird),
- - anschließend die Spule mit dem mindestens einen Fixierband in Richtung der Spulenachse verpresst wird, wobei zum einen die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, so dass die Spule einen verdichteten Zustand annimmt,
- - das Fixierband erst aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird (beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung und anschließende Abkühlung), wenn sich die Spule im verdichteten Zustand befindet, und
- - die verdichtete, mit dem ausgehärtete Fixierband fixierte Spule vom Dummy-Wickelkörper entnommen wird.
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Bei dieser Ausgestaltung ist das Fixierband somit bereits vor dem Verpressen an den Spulenwindungen angebracht. Das Verpressen und Verdichten der Spule führt dazu, dass das Fixierband relativ lose an den Spulenwindungen angeordnet ist. Gleichwohl wird eine Fixierung der Spulenwindungen bzw. der Spule im verdichteten Zustand erreicht, da das Fixierband aushärtet und dadurch trotz einer eventuellen Bildung von Schlaufen oder dergleichen die Funktion einer Spulenfixierung erfüllen kann.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Einzeldrähte der Litze jeweils mit einer Backlackbeschichtung beschichtet sind, wobei die Backlackbeschichtung zusammen mit dem Isolierband aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird. Das Aushärten erfolgt dabei wiederum beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung und anschließendes Abkühlen. Das Aushärten des Backlacks zusammen mit dem Isolierband stellt sicher, dass Spulenwindung im verdichteten Zustand auch innen im Bereich der Litze eine Festigkeit und Formstabilität erreicht.
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Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Wickeldraht auf einen rechteckigen Querschnitt gepresst wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass nach dem Aufbringen der Spule auf den Wickelkörper der Zahnspule die Spule imprägniert wird, wobei die Windungsisolierung und die Litze des Wickeldrahts mit einem Harz imprägniert werden. Das Harz wird dabei von der porösen Windungsisolierung aufgenommen und füllt zusätzlich die verbleibenden Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch den Aufbau eines Wickeldrahts, der eine Litze mit einer Vielzahl von Einzeldrähten und eine Windungsisolierung umfasst;
- 2 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Spule, die eine Mehrzahl von Spulenwindungen aufweist, wobei die Spulenwindungen in vier Abschnitten jeweils mit einem Fixierband umwickelt sind, das die Spulenwindungen ummantelt und geometrisch fixiert;
- 3 die Spule der 2 in einer Ansicht von hinten;
- 4 schematisch einen Dummy-Wickelkörper, der bei einem Verfahren zur Herstellung einer Spule gemäß den 2 und 3 eingesetzt wird, wobei ein Wickeldraht, der aus einer Litze besteht, auf den Dummy-Wickelkörper zur Bereitstellung einer Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen gewickelt wird;
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer Einzelzahns eines Stators eines Permanentmagnet-Synchronmotors, der eine Spule umfasst; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Spule gemäß den 2 und 3.
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Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Spule gemäß dem Stand der Technik anhand der 5 beschrieben.
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Die 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel einer Spule in Form einer Einzelzahnspule 1, die auf einen Spulenkörper gewickelt ist, wobei die Einzelzahnspule 1 und der Spulenkörper einen Einzelzahn 100 bilden. Der Spulenkörper umfasst eine Blech-Vorderplatte 101, eine Blech-Hinterplatte 102 sowie einen Wickelkörper (in der 5 nicht erkennbar), der sich zwischen der Blech-Vorderplatte 101 und der Blech-Hinterplatte 102 erstreckt und um den ein Wickeldraht 10 gewickelt ist, der die Spule 1 bildet. Dabei bildet der Spulenkörper zwischen der Blech-Vorderplatte 101 und der Blech-Hinterplatte 102 eine Nut aus. Zwischen dem Wickelkörper und dem Wickeldraht 10 kann ein Isolierpapier 104 angeordnet sein. Der Wickelkörper weist typischerweise einen quaderförmigen Hauptkörper auf, der aus einem Stapel von rechteckigen, lackisolierten Elektroblechen besteht. Auf die Enden des quaderförmigen geblechten Wickelkörpers ist jeweils ein aus einem Kunststoff bestehender Wickelkopfträger (in der 5 nicht erkennbar) aufgesetzt, der die erforderliche Rundung für den Wickeldraht 10 bereitstellt.
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Wie in der 5 erkennbar, bildet der Wickeldraht 10 eine Vielzahl von Windungen 11, die jeweils geradlinig verlaufende Längsabschnitte oder Schenkel 12 sowie an ihren Enden weitere Abschnitte 13 bilden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel abgerundet und um 180° jeweils um einen Wickelkopfträger umgelegt sind. In den abgerundeten Abschnitten 13 ist der Wickeldraht 10 dabei knickfrei geführt.
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Der Wickeldraht 10 ist im dargestellten Beispiel durch einen Kupferflachleiter gebildet, der auf den Wickelkörper gewickelt ist. Zwei Kontaktenden 14, 15 des Wickeldrahts 10 stehen zu einer Seite ab. Sie dienen der elektrischen Kontaktierung des Wickeldrahts 10. Alternativ kann der Wickeldraht 10 durch eine Litze gebildet sein.
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Wie in der 5 dargestellt, weist die Blech-Vorderplatte 101 eine geringere Breite als die Blech-Hinterplatte 102 auf. Dies erlaubt es, eine Mehrzahl von Einzelzähnen 100 zu einem ringförmig ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Permanentmagnet-Synchronmotors zusammenzusetzen, wobei die miteinander verbundenen Blech-Hinterplatten 102 einen äußeren Statorring eines solchen Stators bilden.
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Insbesondere für den Fall, dass der Wickeldraht 10 durch eine Litze gebildet ist, ist es anzustreben, den Kupferfüllfaktor des Wickeldrahts 10 und damit der Spule zu erhöhen. Dabei wird der Wickeldraht gemäß der Erfindung nicht auf den Wickelkörper des Einzelzahns 100 unmittelbar aufgewickelt, sondern vielmehr zunächst auf einen Dummy-Wickelkörper gewickelt. Die dabei entstehende Spule wird verdichtet und fixiert und anschließend als Luftspule insgesamt auf den Einzelzahn 100 aufgesetzt, wobei hierzu die Geometrie des Einzelzahns 100 entsprechend angepasst ist und dieser beispielsweise abnehmbare Elemente aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Blech-Vorderplatte 101 abnehmbar ausgebildet ist, um die gewickelte Spule 1 auf den Wickelkörper des Einzelzahns 100 aufsetzen zu können.
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Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines bei der Erfindung verwendeten Wickeldrahts 10, der zu einer Mehrzahl von Spulenwindungen gewickelt wird, die eine Spule bilden. Der Wickeldraht besteht aus einer Litze 160, die eine Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte 110 umfasst. Die Einzeldrähte 110 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Zwischen den einzelnen Einzeldrähten 110 besteht ein Hohlraum bzw. ein freies Volumen 140. Die aus den Einzeldrähten 110 bestehende Litze 160 ist mit einer Windungsisolierung 150 umgeben.
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Die Windungsisolierung 150 besteht aus einem porösen, komprimierbaren Material, das elektrisch isolierend ist. Das Material ist derart ausgestaltet, dass die Eigenschaft der elektrischen Isolation auch nach einer Komprimierung des Materials erhalten bleibt. Die Windungsisolierung 150 besteht beispielsweise aus einem Gewebe, einem Gelege oder einem Vlies auf der Basis von Polymeren oder organischen Fasern.
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Wie in der vergrößerten Darstellung links der 1 dargestellt, ist jeder Einzeldraht 110 mit einer Isolierung 120 versehen, die den Einzeldraht 110 elektrisch isoliert. An die Isolierung 120 schließt sich eine Beschichtung aus Backlack 130 an. Die Beschichtung aus Backlack 130 ist dazu geeignet und vorgesehen, bei erhöhter Temperatur aufzuschmelzen und anschließend zu erhärten.
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Die 2 zeigt eine elektrische Spule 1 gemäß der vorliegenden Erfindung im fertig hergestellten Zustand. Die Spule 1 umfasst eine Vielzahl von Spulenwindungen 11, die durch einen Wickeldraht 10 gebildet sind. Jede Spulenwindung 11 umfasst zwei geradlinig verlaufende Schenkel 12 sowie an ihren Enden zwei weitere Abschnitte 13, die im dargestellten Ausführungsbeispiel abgerundet sind, alternativ jedoch beispielsweise geradlinig ausgebildet sein können. Das Anlegen einer Spannung an die Spule 1 erfolgt über die Kontaktenden 14, 15 des Wickeldrahts 10, die an einer Seite der Spule 1 abstehen.
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Die Spule 1 umfasst des Weiteren vier Fixierbänder 21-24, die jeweils in einem Abschnitt 16 die Spulenwindungen 11 umwickeln. Die Fixierbänder 21-24 bestehen aus einem gehärteten Verbundwerkstoff. Sie wurden in einem Zustand, in dem sich die Spule 1 in einem verpressten Zustand befand, ausgehärtet, so dass sie den verpressten Zustand der Spule geometrisch fixieren und eine Formstabilität der Spule 1 bereitstellen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich jedes geradlinig verlaufenden Schenkels 12 zwei Fixierbänder 21-24 vorgesehen, die an einander gegenüberliegenden Enden der Schenkel 12 angeordnet sind und dabei jeweils die Spulenwindungen 11 lokal in den Abschnitten 16 umwickeln und geometrisch fixieren. Diese Anordnung der Fixierbänder ist nur beispielhaft zu verstehen.
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Die 3 zeigt die Spule 1 der 2 in einer Vorderansicht bzw. Hinteransicht. Dabei ist zusätzlich eine Spulenachse 4 dargestellt.
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Die Spule 1 der 2 und 3 besteht aus einem Wickeldraht 10, der gemäß der 1 aufgebaut ist und dementsprechend eine Litze 160 mit Einzeldrähten 110 und einer Windungsisolierung 150 umfasst. Zur Bereitstellung einer verdichteten Spule 1 ist ein Herstellungsverfahren erforderlich, bei dem zum einen die Litzen 160 des Wickeldrahts 10 verdichtet werden. Dies erfolgt unter Druck, wobei auch die Windungsisolierung 150 zusammengedrückt wird, so dass das Innenvolumen des Wickeldrahts 10 beim Pressvorgang insgesamt reduziert und dementsprechend der Kupferfüllfaktor des Wickeldrahts 10 erhöht wird. Beim Herstellungsverfahren der Spule 1 ist es des Weiteren vorgesehen, dass die einzelnen Spulenwindungen 11 aneinandergepresst werden, so dass zwischen ihnen keine Hohlräume bestehen. Auch erhält der Wickeldraht 10 beim Pressvorgang seine endgültige Form, die im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise rechteckig ist.
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Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 und 6 beispielhaft erläutert.
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Gemäß Schritt 61 der 6 wird ein Wickeldraht, der aus einer Litze aus einer Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte und einer Windungsisolierung besteht, zu einer Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen gewickelt. Dabei wird der Wickeldraht auf einen Dummy-Wickelkörper aufgewickelt. Ein solcher Dummy-Wickelkörper ist beispielhaft in der 4 dargestellt. Diese zeigt einen Dummy-Wickelkörper 30, der quaderförmig ausgebildet ist und im dargestellten Ausführungsbeispiel eine geringe Tiefe besitzt. Der Dummy-Wickelkörper 30 befindet sich auf einer Plattform 31 und ist durch Seitenwände 32 begrenzt.
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Gemäß Schritt 62 wird die aus den einzelnen Spulenwindungen bestehende Spule in Richtung der Spulenachse (siehe Spulenachse 4 der 3) verpresst. Dies erfolgt, indem in der 4 nicht dargestellte parallele Pressplatten aufeinander zu bewegt werden. Beispielsweise wird eine obere Pressplatte in Richtung der Plattform 31 bewegt, die dabei eine untere Pressplatte bildet.
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Beim Verpressen der Spule werden wie erläutert zum einen die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen aneinandergepresst. Neben einer Verpressung in Richtung der Spulenachse bzw. in vertikaler Richtung kann auch eine Verpressung in horizontaler Richtung mittels geeigneter Pressplatten erfolgen.
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Gemäß Schritt 63 wird mindestens ein härtbares Fixierband (entsprechend den Fixierbändern 21-24 der 2 und 3) um sämtliche Spulenwindungen gewickelt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Fixierband noch nicht gehärtet, sondern flexibel ausgebildet, so dass es um die Spulenwindungen problemlos gewickelt werden kann. Es handelt sich bei dem Fixierband beispielsweise um ein härtbares Band, das bei Raumtemperatur nicht klebend ist, bei erhöhter Temperatur jedoch mit hoher Viskosität aufschmilzt und anschließend aushärtet. Ein solches härtbares Band wird auch als „B-Stage-Band“ bezeichnet.
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Das Wickeln des mindestens einen härtbaren Fixierbandes um die Spulenwindungen kann vor oder nach dem Verpressen erfolgen, wie noch ausgeführt wird.
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Gemäß Schritt 64 wird das Fixierband ausgehärtet, wobei das ausgehärtete Fixierband die Spule im verdichteten Zustand fixiert. Das Aushärten des Fixierbandes erfolgt somit zu einem Zeitpunkt, in dem die Spule sich im verdichteten bzw. verpressten Zustand befindet. Hierdurch ist es möglich, durch das ausgehärtete Fixierband den verpressten Zustand der Spule zu bewahren und ein Auffächern der Spulenwindungen nach Beendigung des Pressdruck zu vermeiden.
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Um ein Aushärten des Fixierbandes zu erreichen, wird beispielsweise die Temperatur erhöht, so dass das Fixierband aufschmilzt. Eine solche Temperaturerhöhung führt auch dazu, dass der Backlack 130, der die Einzeldrähte 110 der Litze 160 umgibt (1) aufschmilzt. Beim Abkühlen härtet das Fixierband aus und härtet auch der Backlack aus. Der ausgehärtete Backlack bewirkt, dass der durch den Pressvorgang erreichte, erhöhte Kupferanteil der Litze festgeschrieben wird. Die Litze kann sich nicht mehr in ihrem Volumen vergrößern.
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Nach Aushärten des Fixierbandes wird die Spule dem Dummy-Wickelkörper 30 entnommen und auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns 100 gemäß der 5 aufgebracht. Dabei wird die vorgefertigte Luftspule in eine Nut des Wickelkörpers eingelegt. Abschließend erfolgt eine Imprägnierung der Spule mit einem imprägnieren Harz, wobei das Imprägnierharz die poröse Windungsisolierung 150 und über diese auch das freie Volumen 140 (1) der Litze 160 füllt.
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Das Wickeln des Fixierbandes um die Spulenwindungen erfolgt in einer Ausgestaltung nach einem ersten Verpressvorgang, wobei das Verpressen in insgesamt zwei Schritten erfolgt. Dabei erfolgt zunächst ein Vorverpressen der Spule auf dem Dummy-Wickelkörper 30. Anschließend wird die verpresste Spule vom Dummy-Wickelkörper 30 entnommen, um das mindestens eine Fixierband anzubringen. Nach dem Entfernen der verpressten Spule aus dem Dummy-Wickelkörper 30 und vor dem Anbringen des mindestens einen Fixierbands fächert die Spule in gewissem Maße jedoch bereits auf, so dass sie einen Teil ihrer Verdichtung verliert. Daher ist vorgesehen, dass nach Anbringen des mindestens einen Fixierbands die Spule erneut auf den Dummy-Wickelkörper 30 gelegt wird und in einem zweiten Verpressschritt erneut gepresst wird. Die Spule nimmt dann einen finalen verdichteten Zustand ein. Erst nach Erreichen dieses Zustands härtet das Fixierband aus bzw. wird dieses durch Temperaturerhöhung zum Aushärten gebracht. Mit Erhärten des Fixierbandes sichert dieses den final verdichteten Zustand der Spule. Die verdichtete, mit dem ausgehärteten Fixierband fixierte Spule kann dann vom Dummy-Wickelkörper entnommen werden.
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Alternativ erfolgt das Verpressen der Spule in einem Schritt. Dabei ist vorgesehen, dass das Fixierband vor dem Verpressen um die Spulenwindungen gewickelt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Spule nach dem Wickelvorgang aus dem Dummy-Wickelkörper entfernt, das Fixierband angebracht, und die Spule anschließend dem Dummy-Wickelkörper wieder zugeführt wird. Anschließend wird die Spule mit dem mindestens einen Fixierband verpresst, so das die Spule einen verdichteten bzw. verpressten Zustand einnimmt. Im verpressten Zustand härtet das Fixierband dann aus oder wird dieses beispielsweise durch Temperaturzufuhr zum Aufschmelzen und anschließendem Aushärten gebracht. Nach Aushärten des Fixierbandes kann die Spule mit dem ausgehärteten Fixierband vom Dummy-Wickelkörper entnommen werden. Da die Höhe der Spule beim Pressvorgang reduziert wird (die Höhenreduktion kann bei bis zu 50 % liegen), sitzt das Fixierband nach dem Verpressen und vor dem Aushärten nicht fest an den Spulenwindungen und wirft möglicherweise Falten. Dies wird durch das anschließende Erhitzen und Aushärten des Fixierbandes jedoch geheilt.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4414527 C1 [0003]
- WO 2004/059817 A1 [0003]
