DE102022211345A1 - Coil with coil connection between partial coils and process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Spule (100) aus Teilspulen (11, 12, 13, ...), wobei die Teilspulen (11, 12, 13, ...) aus Leitungsbändern (9) aufgewickelt sind und elektrisch miteinander durch eine elektrisch leitende Spulenverbindung (‚1, 1‘, 1'', 1''') verbunden sind, wobei die Spulenverbindung (‚1, 1‘, 1'', 1''', ... ) starr ausgebildet ist und S-förmig ausgebildet ist.The invention relates to a coil (100) made of partial coils (11, 12, 13, ...), wherein the partial coils (11, 12, 13, ...) are wound from conduction strips (9) and are electrically connected to one another by an electrically conductive coil connection ('1, 1', 1'', 1'''), wherein the coil connection ('1, 1', 1'', 1''', ...) is rigid and S-shaped.
Description
Die Erfindung betrifft eine Spule mit Spulenverbindung zwischen Teilspulen und Verfahren zur Herstellung dafür.The invention relates to a coil with a coil connection between partial coils and a method for producing the same.
Gießharztransformatoren und -drosselspulen besitzen in der Regel Folienwicklungen aus Aluminium oder Kupfer als Leiter und Kunststofffolie dazwischen zur Isolation. Bei Spulen für höhere Nennspannungen werden zur Erreichung der benötigten Windungszahl mehrere Teilspulen, üblicherweise 10 bis 20, axial zueinander angeordnet. Diese müssen dann miteinander elektrisch verbunden, d.h. in Reihe geschaltet, werden. Aufgrund der in den Teilspulen herrschenden Potentialunterschiede geschieht dies am vorteilhaftesten durch eine möglichst direkte Verbindung vom Ende der einen Teilspule zum Anfang der nächsten Teilspule.Cast resin transformers and choke coils usually have foil windings made of aluminum or copper as conductors and plastic foil in between for insulation. In the case of coils for higher nominal voltages, several partial coils, usually 10 to 20, are arranged axially to one another to achieve the required number of turns. These must then be electrically connected to one another, i.e. connected in series. Due to the potential differences in the partial coils, this is best done by making as direct a connection as possible from the end of one partial coil to the beginning of the next partial coil.
Neben denn Spulenverbindungen weisen die Spulen noch einen Spulenanfang und -ende auf, sowie meist Anzapfungsausleitungen. Dies sind Verbindungen von Ende, Anfang oder einer dazwischenliegenden Windung einer Teilspule zu einem an der Spule außen liegenden Kontaktierungspunkt.In addition to the coil connections, the coils also have a coil start and end, as well as tap leads. These are connections from the end, start or an intermediate turn of a partial coil to a contact point on the outside of the coil.
Wenn eine Teilspule fertig gewickelt ist, wird an das Ende eines oder mehrere Bänder aus dem Leiterbandmaterial rechtwinklig angeschweißt. Ebenso am Anfang der nächsten Spule. Dafür sind an den Wickelmaschinen in der Regel stationäre Schweißeinrichtungen vorgesehen. Die Bänder dürfen abhängig vom Material einen gewissen Mindestquerschnitt nicht überschreiten, um noch ein problemloses Biegen und Arrangieren der Bänder zu erlauben. Um die benötigte Stromtragfähigkeit zu erreichen, müssen ggf. mehrere Bänder parallel verwendet werden.When a partial coil has been wound, one or more strips of the conductor strip material are welded at right angles to the end. The same is done at the beginning of the next coil. For this purpose, stationary welding devices are usually provided on the winding machines. Depending on the material, the strips must not exceed a certain minimum cross-section in order to allow the strips to be bent and arranged without problems. In order to achieve the required current-carrying capacity, several strips may have to be used in parallel.
Die Bänder zeigen zueinander und werden nach dem Wickelvorgang auf Länge geschnitten, miteinander verschweißt und dann manuell zu der gewünschten linearen Verbindung gebogen. Die Verbindung muss dabei aus dem Kanal zwischen den Spulen herausgeführt werden, um dort in ausreichendem Abstand von der empfindlichen Spule verschweißt zu werden. Der Teil mit der doppelten Ausleitungsbanddicke wird dann umgebogen und stellt den äußersten Punkt der Teilspule dar. Dieser gibt dann den Abstand zu anderen spannungsführenden Teilen vor.The strips face each other and, after the winding process, are cut to length, welded together and then manually bent into the desired linear connection. The connection must be led out of the channel between the coils in order to be welded there at a sufficient distance from the sensitive coil. The part with twice the thickness of the discharge strip is then bent over and represents the outermost point of the partial coil. This then determines the distance to other live parts.
Spulenanfang, -ende und Anzapfungen werden in der Regel aus denselben flexiblen Bändern hergestellt, mit dem Unterschied, dass das eine Ende an einem externen Kontaktierungspunkt angeschlossen wird.The coil start, end and taps are usually made from the same flexible strips, with the difference that one end is connected to an external contact point.
Bei dünnen Leiterbändern aus weichem Material ist es auch möglich, das Leiterband direkt zusammenzufalten und daraus die Verbindungen zu formen. Das Leiterband wird in diesem Fall nicht abgeschnitten. Auch hier sind nachher ein manuelles Arrangieren und Überprüfen der Verbindung notwendig. Letztlich sehen die auf diese Weise gefertigten Verbindungen gleich aus.
In beiden Fällen müssen die Teilspulenabstände ausreichend groß sein, um eine Manipulation im Kanal zwischen den Teilspulen zu ermöglichen.
Im Anschluss erfolgt in der Regel ein Verguss der gesamten Spule mit einem isolierenden Formstoff, meist Epoxidharz, so dass sich ein zylindrisches Bauteil ergibt. Im Bereich der Spulenverbindungen und dort wo Spulenanfang, -ende und Anzapfungen herausgeführt werden, weist die vergossene Spule eine Verdickung (Anguss) auf, um diese herausstehenden Komponenten ebenfalls zuverlässig zu isolieren.With thin conductor strips made of soft material, it is also possible to fold the conductor strip directly and form the connections from it. In this case, the conductor strip is not cut off. Here, too, manual arrangement and checking of the connection is necessary afterwards. Ultimately, the connections made in this way look the same.
In both cases, the distances between the partial coils must be sufficiently large to allow manipulation in the channel between the partial coils.
The entire coil is then usually cast in an insulating molding material, usually epoxy resin, so that a cylindrical component is created. In the area of the coil connections and where the coil start, end and taps are led out, the cast coil has a thickening (sprue) in order to reliably insulate these protruding components as well.
Eine fehlerhaft ausgeführte Verbindung mit zu geringem Abstand zu einer Teilspule oder einer anderen Verbindung kann zu einem elektrischen Schluss und damit zu einer Zerstörung der Komponente und Ausfall des Produktes im Betrieb führen. Eine solche fehlerhafte Verbindung lässt sich nach dem Verguss nicht mehr erkennen.A faulty connection with too little distance to a partial coil or another connection can lead to an electrical short circuit and thus to the destruction of the component and failure of the product during operation. Such a faulty connection can no longer be detected after encapsulation.
Aufgrund des händischen Biegens, der eingeschränkten Zugänglichkeit und der flexiblen Beschaffenheit der Verbindungen können diese nur mit einem relativ großen Toleranzbereich ausgeführt werden. Den Fertigungstoleranzen ist durch entsprechend breite Kanäle zwischen den Teilspulen Rechnung zu tragen.Due to the manual bending, the limited accessibility and the flexible nature of the connections, these can only be made with a relatively large tolerance range. The manufacturing tolerances must be taken into account by using appropriately wide channels between the partial coils.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Spule gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6.The object is achieved by a coil according to
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures which can be combined as desired to achieve further advantages.
Es zeigen
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1 ein Verbindungselement, -
2 ,3 einen Fertigungsschritt einer Spule, -
4 einen Spalt und ein Verbindungselement zwischen zwei Teilspulen.
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1 a connecting element, -
2 ,3 a manufacturing step of a coil, -
4 a gap and a connecting element between two partial coils.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the description represent only embodiments of the invention.
Erfindungsgemäß werden Spulenverbindungen 1 vorgefertigt. Während der Konstruktionsphase einer Spule 100 werden vorab Dicke und Lagenzahl von Leiterband 9 und Isolierfolie dafür definiert, ebenso der axiale Abstand der Teilspulen 11, 12, 13, ... zueinander. Damit ist es möglich, die Spulenverbindung 1 bereits in der Konstruktionsphase geometrisch genau zu bestimmen.According to the invention,
Abweichend sollen nicht mehr flexible Bänder, sondern im Gegensatz dazu nur ein Flachmaterial als Spulenverbindung 1 mit so großem Querschnitt und Eigensteifigkeit eingesetzt werden, dass die einmal gegebene Form beibehalten wird, weil es starr ist.
Starr bedeutet, dass die Spulenverbindung 1 vielfach dicker ist als ein Leiterband 9 und sich aufgrund der Schwerkraft nicht selbst verformt.As an alternative, flexible bands should no longer be used, but instead only a flat material should be used as a
Rigid means that the
Die Spulenverbindungen 1; 1', 1'', 1''' bestehen dann aus einem Flachmaterial, das zumindest zweimal, insbesondere nur zweimal gebogen ist (
Das Verbindungselement 1 weist zumindest drei Abschnitte 4, 5, 6, insbesondere nur 3 Abschnitte auf (abgesehen von den gebogenen Übergängen).The
The connecting
Der erste Abschnitt 4 ist flach ausgebildet ist, wobei der zweite Abschnitte 5 sich direkt an den ersten Abschnitt 4 anschließt, flach ausgebildet ist und in einem stumpfen Winkel a, vorzugsweise von 92° bis 120°, zum ersten Abschnitt 4 verläuft.
Die Abschnitte 4, 5, .. stellen Ebenen dar und mit dem Winkel a ist der Schnittwinkel zwischen zwei Ebenen gemeint.
Der dritte Abschnitt 6 schließt sich direkt an den zweiten Abschnitt 5 an und verläuft parallel zum ersten Abschnitt 4. Somit ist das Verbindungselement 1 S-förmig ausgebildet, d.h. ähnelt einer S-Form.The
The
The
Die zwei zueinander parallelen Enden 4, 6 dienen der Verbindung mit dem jeweiligen Leiterband 9 von zwei Teilspulen 11, 12 bzw 12, 13, bzw 13,.... Die vorgefertigten Spulenverbindungen 1', 1'', ... werden beim Wickeln jeweils an das Teilspulenende einer Teilspule 11 und an den Anfang der nächsten Teilspule 12, .... geschweißt.The two mutually
Das Material des Verbindungselements 1 weist Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer oder Kupferlegierung auf.The material of the
Derartige Spulenverbindungen 1 können einfach und kostengünstig insbesondere mit einem CNC-Biegeautomaten vollautomatisch aus Endlosmaterial hergestellt werden. Nach Stand der Technik erfolgt die Spulenkonstruktion softwaregestützt, d.h. die Geometriedaten können über eine geeignete Schnittstelle an den Biegeautomaten übermittelt werden. Somit ist die rationelle Herstellung auch von individuellen, nicht-standardisierten Spulenverbindungen 1 möglich.
In
Zu erkennen ist eine erste Teilspule 11 auf einem Spulengrundkörper 30, die fertig gewickelt ist, an deren Ende, d.h. dem Ende des Leiterbandes 9, die Spulenverbindunng 1 elektrisch verbunden, insbesondere angeschweißt ist.In
A first
Ein Schweißvorgang wird insbesondere mittels eines Ultraschweißgerätes durchgeführt.A welding process is carried out in particular by means of an ultrasonic welding device.
Das flexible Leitungsband 9 der erstem Teilspule 11 kann unter oder über dem ersten Abschnitt 4 des Verbindungselements 1 angeordnet sein.The
Auf einem Spulengrundkörper 30 der zu fertigenden Spule 100 wird dann neben der ersten Teilspule 11 eine weitere Teilspule 12 aufgewickelt, wobei der Anfang des Leiterbandes 9 für die zweite Teilspule 12 mit dem dritten Abschnitt 6 des Verbindungsegments 1 elektrische verbunden oder verschweißt wird oder ist.A further
Die Länge des 1. und 3. Abschnitts 4, 6 des Verbindungselements 1 sind vorzugsweise mindestens so lang wie die Leitungsbänder der Teilspulen 11, 12, 13, ... breit ausgebildet sind.The length of the 1st and
Zu erkennen ist eine erste Teilspule 11 und die direkt daneben angeordnete Teilspule 12, die durch die Spulenverbindung 1 in Reihe geschaltet sind.
Der Abstand zwischen den Teilspulen 11, 12 gibt den gewinkelten Verlauf des 2. Abschnitts 5 des
Verbindungselement 1 vor.
A first
The distance between the
Spulenanfang, -ende und Anzapfungen werden ebenso in der neuen Technik ausgeführt werden.
Zu berücksichtigen ist aber, dass diese länger sind, mehrfach gebogen werden müssen und ggf. außen an der Spule entlanggeführt werden müssen, was beim Wickelprozess zu Kollisionen führen kann. Hier ist wahrscheinlich eine Kombination aus starren Ausleitungen im Bereich der Spule mit einer angeschweißten flexiblen Ausleitung zum Kontaktpunkt am vorteilhaftesten.The coil start, end and taps will also be implemented using the new technology.
However, it must be taken into account that these are longer, have to be bent several times and may have to be guided along the outside of the coil, which can lead to collisions during the winding process. In this case, a combination of rigid outlets in the area of the coil with a welded-on flexible outlet to the contact point is probably most advantageous.
In der Regel wird das Anschweißen mit den bestehenden Schweißvorrichtungen nicht mehr möglich sein, da ja jeweils an beiden Seiten der Verbindung angeschweißt werden muss, die Schweißvorrichtungen an den Maschinen aber dafür ausgelegt sind, nur die Verbindungsbänder sequenziell auf das Band zu schweißen. Es muss dann eine entsprechend geeignete Vorrichtung eingesetzt werden. Hier wird vorzugsweise eine Ultraschallschweißvorrichtung verwendet werden, die das schnelle und räumlich flexible Setzen von Schweißpunkten erlaubt.As a rule, welding with existing welding devices is no longer possible be possible, since welding must be carried out on both sides of the connection, but the welding devices on the machines are designed to weld only the connecting strips sequentially onto the strip. A suitable device must then be used. An ultrasonic welding device is preferably used here, which allows welding points to be set quickly and flexibly in terms of space.
Eine derartige vorgefertigte Verbindung ermöglicht eine optimale Leitungsführung und damit eine Verringerung der Spulenabstände: Die vorgefertigten Verbindungen können mit engeren Biegeradien als die von Hand gebogenen ausgeführt werden. Weiterhin entfällt das parallele Herausführen der Ausleitungsbänder an der Außenseite, was ebenfalls Platz spart. Durch die definierte Geometrie der Verbindungen sind ebenfalls geringere Sicherheitsabstände notwendig. Da nachher keine Manipulation an den Verbindungen mehr nötig ist, muss dies beim Teilspulenabstand nicht mehr berücksichtigt werden.Such a prefabricated connection enables optimal cable routing and thus a reduction in coil spacing: The prefabricated connections can be made with tighter bending radii than those bent by hand. Furthermore, the parallel routing of the discharge strips on the outside is no longer necessary, which also saves space. The defined geometry of the connections also means that smaller safety distances are necessary. Since no further manipulation of the connections is necessary afterwards, this no longer has to be taken into account when determining the partial coil spacing.
Bei der neuen Ausführung verringert sich damit durch die Abstandsvergrößerung die elektrische Feldstärkebelastung des Isolierstoffs (Spannung dividiert durch Strecke). Der Spulenabstand kann nun verkürzt werden, womit sich wieder dieselbe Feldstärke wie bei konventioneller Ausführung ergibt. Die Verringerung der Spulenabstände summiert sich über die gesamte Spule.
Werden beispielhaft an einer Spule 100 mit elf Teilspulen die Spulenabstände um lediglich 4mm verringert, ergibt sich eine Verkürzung der gesamten Spule um 40mm.
Dies resultiert in einer Einsparung an dem Isolierstoff, der den Spulenkanal ausfüllt (meistens Epoxidharz). Bei Transformatoren verkürzt sich nicht nur die Spule, sondern der gesamte Trafo inklusive der Unterspannungsspule und der Kernschenkel. Damit lassen sich erhebliche Materialeinsparungen, insbesondere an Kernblech, erzielen. Weiterhin wird der Trafo kompakter, was weitere Vorteile, wie reduzierte Leerlaufverluste mit sich bringt. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei Transformatoren mit großem Übersetzungsverhältnis aus, die sehr viele Windungen und damit Teilspulen besitzen. Ebenso bei Transformatoren geringer Leistung, bei denen der Füllfaktor aufgrund der geringen Leiterbandbreite in Folienwickeltechnik ungünstig wäre.
Ebenso wird der Bedarf an Leitermaterial für die Verbindung selbst minimiert, da sie auf kürzestem Wege ausgeführt wird und fertigungsbedingt kein Verschnitt mehr anfällt.In the new design, the electric field strength load on the insulating material (voltage divided by distance) is reduced by increasing the distance. The coil spacing can now be shortened, which results in the same field strength as in the conventional design. The reduction in the coil spacing is cumulative across the entire coil.
For example, if the coil spacing on a
This results in a saving in the insulating material that fills the coil channel (usually epoxy resin). In transformers, not only the coil is shortened, but the entire transformer including the low-voltage coil and the core legs. This allows considerable material savings, particularly in core sheet. The transformer is also more compact, which brings further advantages such as reduced no-load losses. This advantage is particularly evident in transformers with a high transformation ratio, which have a large number of turns and therefore partial coils. The same applies to low-power transformers, where the fill factor would be unfavorable due to the small conductor bandwidth in foil winding technology.
Likewise, the need for conductor material for the connection itself is minimized, as it is carried out using the shortest possible route and there is no longer any waste during production.
Weitere Vorteil liegen in der rationelleren Fertigungsweise dieser Verbindungsart. Die vorgefertigten Verbindungen werden beim Wickeln jeweils an Teilspulenende und Anfang der nächsten Teilspule geschweißt. Damit ist die Fertigung abgeschlossen.Another advantage is the more efficient production method of this type of connection. The prefabricated connections are welded to the end of each partial coil and the beginning of the next partial coil during winding. This completes the production process.
Das nachträgliche Ablängen, Verschweißen und Biegen/Ausrichten entfällt. Das Qualitätsrisiko einer fehlerhaft gebogenen oder nachträglich im Prozess verbogenen Verbindung wird erheblich reduziert.
Bei großen Stromstärken sind in herkömmlicher Technik mehrere flexible Bänder notwendig, die dann alle miteinander und mit dem Leiterband verschweißt werden müssen. Gemäß der Erfindung müssen stets nur die Spulenverbindung 1 und das Leiterband 9, also zwei Lagen, verschweißt werden.
Dies erlaubt auch alternative Verfahren zum bisher verwendeten thermischen Schweißen, wie vorzugsweise Ultraschallschweißen. Entsprechend besser ist auch die Qualität der elektrischen Kontaktverbindung.
Dieselben Vorteile ergeben sich prinzipiell auch für Spulenanfang, -ende und Anzapfungen, sollten diese in der neuen Technik ausgeführt werden.
In der hier vorgeschlagenen Technik entfällt der äußere, umgebogene Teil der Verbindung, an dem die Schweißung vorgenommen wurde. Dies erlaubt ggf. zusammen mit den ebenfalls enger toleriert geführten Verbindungen zu den äußeren Kontaktpunkten eine Verringerung oder gar ein Entfall des Angusses, was weitere Materialeinsparungen und prozesstechnische Vorteile beim Verguss bringt.Subsequent cutting, welding and bending/alignment are no longer necessary. The quality risk of a connection that is incorrectly bent or subsequently bent during the process is significantly reduced.
For high currents, conventional technology requires several flexible strips, which then all have to be welded together and to the conductor strip. According to the invention, only the
This also allows alternative processes to the thermal welding used previously, such as ultrasonic welding. The quality of the electrical contact connection is also correspondingly better.
In principle, the same advantages also apply to the coil start, end and taps if these are implemented using the new technology.
In the technique proposed here, the outer, bent part of the connection where the welding was carried out is omitted. This, together with the connections to the outer contact points, which also have tighter tolerances, allows the sprue to be reduced or even eliminated, which brings further material savings and process-related advantages during casting.
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