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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wicklung,
bei dem ein elektrischer Leiter und ein komprimierbares Prepreg,
das ein flächiges Trägermaterial
und unvollständig
ausgehärtetes
Harz aufweist, auf eine Wickelschablone gewickelt werden und bei
dem das Harz des Prepregs anschließend durch eine Wärmebehandlung
ausgehärtet
wird.
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Ein
solches Verfahren ist aus der
EP 0 598 864 B1 bereits bekannt. Bei dem
dort offenbarten Verfahren wird ein komprimierbares Prepreg von
einer Vorratsrolle zusammen mit einem als Metallfolie ausgebildeten
Bandleiter auf eine Wickelschablone gewickelt. Das dort verwendete
Prepreg besteht aus einem flächigen
Trägermaterial,
auf dem eine erste Kunstharzschicht im C-Zustand und anschließend eine
zweite Kunstharzschicht im B-Zustand aufgebracht wurde. Der Zustand
des Kunstharzes wird üblicherweise
mit A, B oder C beschrieben. Im A-Zustand ist der Kunstharz im Wesentlichen
flüssig,
so dass das Trägermaterial
mit einem im A-Zustand vorliegenden Kunstharz getränkt werden
kann. Durch kurzzeitiges Erwärmen
wird das Kunstharz vom A-Zustand in den sogenannten B-Zustand überführt, in
dem er gut verarbeitet werden kann, jedoch noch nicht vollständig verfestigt
ist. Weiteres Erhitzen überführt das
Kunstharz vom B- in den C-Zustand, in dem er vollständig ausgehärtet ist.
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Der
gemäß dem vorbezeichneten
Verfahren hergestellten Wicklung haftet der Nachteil an, dass die
Wicklung nach dem Aushärten
vergossen werden muss, um die zum Betrieb notwendigen Haltekräfte für die Leiterbindungen
bereitzustellen. Darüber hinaus
ist das vorbeschriebene Herstellungsverfahren lediglich für Bandleiter
verwendbar.
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Aus
der
JP 01151217 A ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung bekannt. Bei dem dort
beschriebenen Verfahren wird eine erste Prepregschicht auf eine
Wickelschablone gelegt und anschließend eine Lage eines Drahtleiters
aufgewickelt. Anschließend
wird eine dickere Prepregschicht an den Stirnseiten der Wicklung
mittels zweier Druckplatten gegen die Wicklung gepresst. Zum Aufbau
einer mehrlagigen Wicklung wiederholt sich der beschriebene Vorgang.
Abschließend
wird ein Außenprepreg
auf die zuletzt aufgebrachte Leiterlage gespannt und die gesamte
Wicklung erhitzt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird nicht
komprimierbares Prepreg eingesetzt, das in den Zwischenlagen lediglich
zur elektrischen Isolation der Leiterwindungen dient. Zum Bereitstellen
der notwendigen Haltekräfte
sind an der Wicklungsschablone konstruktiv aufwendige Druckplatten
vorzusehen.
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Die
EP 1 347 475 A1 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Leiterplatten. Bei dem
dort offenbarten Verfahren wird eine dünne Kupferfolie mit einer Dicke
von wenigen Mikrometern auf einen Übertragungsfilm geklebt. Die
Kupferfolie wird anschließend
unter Gewinnung einer vorgegebenen Leiterbahnstruktur geätzt. Die
noch mit der Übertragungsschicht
fest verklebte Leiterbahnstruktur wird anschließend auf ein flächiges Prepreg
gepresst, deren Schichtdicke ebenfalls im Mikrometerbereich liegt.
Der Vorgang wird auf der von der Leiterbahnstruktur abgewandten
Seite des Prepregs wiederholt. Die so gebildete Sandwichstruktur
wird wärmbehandelt.
Durch die Wärmebehandlung
wird die Klebwirkung der Leiterbahnstruktur an dem Prepreg erhöht, so dass
die Übertragungsschicht
auf einfache Art und Weise entfernbar ist.
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Anschließend werden
an Stelle der Übertragungsschichten
weitere Prepregschichten aufgebracht, so dass die Leiterbahnstruktur
nach einer erneuten Wärmebehandlung
vollständig
im Harz des Prepregs eingebettet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen,
das einfach und kostengünstig
ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe dadurch, dass eine Prepregschicht mit einer Dicke
von mehr als 0,5 mm verwendet wird und wenigstens ein Drahtleiter
unter Ausbildung von Leiterwindungen so fest auf eine Schicht des
Prepregs gewickelt wird, dass das Prepreg in zwischen den Leiterwindungen
entstehende Wicklungsspalte dringt, wobei die Wicklungsspalte während der
Wärmebehandlung
durch Fliessprozesse mit Harz aufgefüllt werden, so dass nach dem
Aushärten
die für
den Betrieb der Wicklung notwendigen Haltekräfte für die Leiterwindungen durch
das Harz des Prepregs bereitgestellt sind.
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Die
Erfindung basiert auf der Idee, dass ein komprimierbares Prepreg
nicht nur zur Isolation unterschiedlicher Bandleiterschichten eingesetzt
werden kann, sondern darüber
hinaus auch nach der Fertigung der Wicklung wertvolle Dienste im
Hinblick auf die Bereitstellung von Haltekräften leisten kann. So werden
erfindungsgemäß sowohl
die Fließeigenschaften
des Prepregs als auch dessen Klebekraft im ausgehärteten Zustand
ausgenutzt. Erfindungsgemäß passt
sich das Prepreg durch den Wicklungsdruck an die Form des Drahtleiters
an und wird in die Wicklungsspalten zwischen den Leiterwindungen
gedrängt.
Während
der Erwärmung
des nur vorgehärteten
und im B-Zustand befindlichen Harzes wird dieser wieder in den flüssigen Zustand
oder den sogenannten A-Zustand überführt, in
dem die Fließeigenschaften
des Harzes gegenüber
dem B-Zustand verbessert sind. Vom Prepreg bislang nicht oder nur
unvollständig
ausgefüllte
Wicklungsspalte werden daher während
des Aushärtens
vollständig
aufgefüllt,
so dass sich der Formschluss zwischen Prepreg und Leiterwindungen
erhöht.
Das im C-Zustand vorliegende Prepreg, dessen Harz vollständig ausgehärtet ist,
entfaltet eine gute Klebwirkung. Durch den herbeigeführten Formschluss
ist daher darüber
hinaus eine zusätzliche
kraftschlüssige
Haltekraft für
die Wicklung bereitgestellt. Neben seiner Haltekraft weist das Harz
natürlich
auch eine isolierende Wirkung auf, so dass erfindungsgemäß auf zusätzliche Isolationsmittel
verzichtet werden kann. Aufgrund der hervorragenden Klebeeigenschaften
des Harzes im ausgehärteten
Zustand werden die Leiterwindungen nach der abschließenden Wärmebehandlung
in einer form- und kraftschlüssigen
Verbindung gehalten. Aufgrund der Dicke einer Schicht des Prepregs
von mehr 0,5 mm ist für
eine ausreichend hohe Elastizität
des Prepregs und somit für
einen ausreichend hohen Formschluss zwischen Leiterwindung und Prepreg gesorgt.
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Bei
Einsatz von Prepregschichten, deren Dicke größer als 2 mm ist, erhöhen sich
die Herstellungskosten der Wicklung. Mit anderen Worten kann es
im Rahmen der Erfindung zweckmäßig sein,
wenn eine Prepregschicht mit einer Dicke von wenigstens 1 Millimeter
verwendet wird.
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Als
Harz werden zweckmäßigerweise
duromere Kunstharze wie Epoxid- oder Polyesterharze eingesetzt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Prepreg vor der abschließenden Wärmebehandlung
lediglich eine Harzschicht aufweist. Diese liegt dann im B-Zustand vor. Zwar
ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich Prepregs mit mehreren
Harzschichten einzusetzen, die in unterschiedlichen Zuständen vorliegen. Solche
mehrschichtigen Prepregs weisen jedoch hinsichtlich ihrer Fließeigenschaften
und Komprimierbarkeit Nachteile gegenüber einem einschichtigen Prepreg
auf.
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Vorteilhafterweise
weist das Prepreg ein Vlies als Trägermaterial auf. Vliese sind
kostengünstig
und weisen darüber
hinaus eine hohe Elastizität auf,
wodurch der Formschluss zwischen Leiterwindung und Prepregschicht
bereits vor der Wärmebehandlung
verbessert ist.
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Gemäß einer
ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die
Prepregschicht direkt auf die Wickelschablone gewickelt. Auf diese
Weise wird von der Innenseite der Wicklung her im ausgehärteten Zustand
für eine
ausreichend hohe Klebwirkung des Prepregs gesorgt. Selbstverständlich ist es
im Rahmen dieser Variante möglich, auf
das innere Prepreg eine erste Lage des Drahtleiters aufzubringen
und auf diese erste Lage eine weitere Prepregschicht, so dass die
erste Lage des Drahtleiters an seinen beiden Seiten in Prepregs
eingebettet ist. Darüber
hinaus ist es auch möglich,
weitere Lagen des Drahtleiters aufzubringen. Den gemäß der ersten
Variante hergestellten Wicklungen ist jedoch gemein, dass die innere
Schicht der Wicklung von einer Prepregschicht ausgebildet ist. Die
innere Prepregschicht entfaltet neben ihrer Haltekraft auch eine
isolierende Wirkung und schützt
darüber
hinaus die fertiggestellte Wicklung gegen eine mechanische Beschädigung von
innen her.
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Gemäß einer
hiervon abweichenden zweiten Variante wird zunächst der Drahtleiter direkt
auf die Wickelschablone gewickelt. Ausgehärtete Wicklungen nach der zweiten
Variante sind von ihrer Innenseite her nicht verklebt. Vielmehr
dringt das Harz beim Aushärten über Fließprozesse
nach innen vor. Diese Weiterentwicklung der Erfindung kann bei der Herstellung
mehrlagiger Wicklungen vorteilhaft sein, um Kosten zu sparen.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung wird zunächst eine Grundisolation direkt
auf die Wickelschablone aufgewickelt. Bei Wicklungen gemäß dieser
Variante ist deren Innenschicht zusätzlich isoliert. Dies kann
insbesondere bei hohen Betriebsspannungen vorteilhaft sein.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird vor dem Aushärten
als letzte Schicht ein bei Wärmeeinfluss
schrumpfendes Material aufgewickelt. Das Schrumpfmaterial kann beispielsweise
als Band aufgewickelt werden, wobei sich die Bänder teilweise überlappen.
Als Schrumpfmaterialien eignen sich beispielsweise Polyesterwerkstoffe.
Durch das Schrumpfmaterial erhöht
sich sowohl die elektrische als auch die mechanische Festigkeit
der Transformatorwicklung.
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Zweckmäßigerweise
wird zwischen verschiedenen Lagen des Drahtleiters ein Kühlkanal eingelegt.
Der Kühlkanal
ermöglicht
das Abführen von
Wärme beispielsweise
bei Hochleistungstransformatoren.
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Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der
Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei gleich
wirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und
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1 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer einlagigen Wicklung vor ihrem
Aushärten,
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2 die
Wicklung gemäß 1 nach
ihrem Aushärten,
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3 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer mehrlagigen Wicklung vor dem
Aushärten
zeigt und
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4 eine
Wicklung gemäß 3 nach
ihrem Aushärten
zeigen.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teils einer Wicklung 1 vor
dem Aushärten,
deren Herstellung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
begonnen wurde. Die Wicklung 1 weist einen Drahtleiter 2 auf,
der unter Ausbildung von Leiterwindungen um eine zylindrische Wickelschablone
gewickelt wurde. Die in 1 übereinander liegenden und spiralförmig verlaufenden
Drahtleiter 2 bilden lediglich eine Drahtleiterlage 3 aus.
An beiden Seiten der Drahtleiterlage 3 ist jeweils eine
Prepregschicht 4 erkennbar, die sich teilweise in zwischen
den Leiterwindungen des Drahtleiters 2 ausgebildete Wicklungsspalte 5 erstreckt.
Zur verbesserten Isolation ist im Inneren der Wicklung 1 eine
Grundisolation 6 vorgesehen. Zur Außenisolation weist die Wicklung 1 eine
Deckisolation 7 auf, die aus einem Material hergestellt
ist, das sich bei Wärmeeinwirkung
zusammenzieht. Mit anderen Worten weist die Deckisolation 7 Wärmeschrumpfeigenschaften
auf.
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Zur
Herstellung der in 1 gezeigten Wicklung 1 wird
zunächst
die Grundisolation 6 direkt auf die in 1 figürlich nicht
dargestellte Wicklungsschablone aufgebracht. Anschließend wird
die erste Prepregschicht 4 angelegt. Es folgt das Aufwickeln des
Drahtleiters 2, wobei der Wicklungsdruck für einen
Materialfluss des Prepregs 4 sorgt, so dass dieses vom
Drahtleiter 2 verdrängt
und in die zwischen den Drahtleiterwindungen ausgebildeten Wicklungsspalte 5 gepresst
wird. Nach dem Aufwickeln des Drahtleiters 2 wird eine
zweite Prepregschicht 4 aufgelegt und anschließend die
Deckisolation 7 aufgewickelt, die eine in 1 nicht
erkennbare Bandstruktur aufweist, wobei die Bänder der Deckisolation 7 beim Aufwickeln
unter Zugspannung stehen. Durch die Zugspannung wird das Prepreg 4 in
die Wicklungsspalte 5 des Drahtleiters 2 gedrückt, so
dass beide Wicklungsschichten 4 die Leiterwicklungen teilweise umschließen.
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Dabei
ist das Prepreg 4 aus einem flächigen Filz als Trägermaterial
hergestellt, wobei der Filz mit flüssigem Harz getränkt und
anschließend
durch Wärmebehandlung
in den B-Zustand überführt wurde.
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Das
Prepreg 4 weist im B-Zustand keine wesentliche Klebkraft
auf. Jeder Drahtleiter wird daher allein durch den Wickeldruck auf
der Wickelschablone gehalten. Die Wickelschablone wird erst nach dem
Aushärten
des Prepregs von der Wicklung 1 entfernt.
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2 zeigt
die Wicklung 1 gemäß 1 nach
dem Aushärten.
Während
des Aushärtens
geht das zunächst
im B-Zustand vorliegende Harz des Prepregs 4 in den A-Zustand,
also in den flüssigen Zustand, über, so
dass sich die Wicklungsspalte 5 vollständig mit Harz ausfüllen. Die
Leiterwicklungen sind somit formschlüssig in Harz eingebettet, so
dass nach dem vollständigen
Aushärten
des Harzes ein fester stoff- und formschlüssiger Wickelverbund erhalten
wird.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teils einer anderen Wicklung 1 vor
dem Aushärten. Die
hier gezeigte Wicklung 1 weist vier Lagen 3a,3b,3c und 3d eines
Drahtleiters 2 auf, wobei zwischen der Lage 3a und 3b sowie
zwischen der Lage 3c und 3d jeweils eine Prepregschicht 4 erkennbar ist.
Dabei füllt
das kompressible Prepreg 4 teilweise Wicklungsspalte 5 aus,
die zwischen Leiterwindungen des Drahtleiters 2 ausgebildet
sind. Zur Wärmeabfuhr
während
des Betriebs der Wicklung verfügt diese
zwischen der Lage 3b und 3c über eine Kühleinlage 8. Zur elektrischen
Verbindung der Lagen 3a, 3b, 3c und 3d des
Drahtleiters 2 sind stirnseitige Überbrückungswindungen 9 vorgesehen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Herstellung
der Wicklung 1 gemäß 3 wird
der Drahtleiter 2 direkt auf die Wickelschablone aufgewickelt,
anschließend eine
Prepregschicht 4 eingelegt und mit dem Aufwickeln der zweiten
Lage 3b fortgefahren. Nach dem Aufwickeln der zweiten Lage 3b wird
die Kühleinlage ein gelegt
und mit dem Aufwickeln der Lage 3c fortgefahren. Anschließend wird
eine zweite Prepregschicht 4 eingelegt, auf die die Lage 3d gewickelt wird.
Auch hier wird durch Wicklungsdruck die Prepregschicht 4 in
Wicklungsspalte 5 zwischen den Leiterwindungen der Drahtleiter 2 gepresst,
wobei die Wicklungsspalte 5 jedoch noch nicht vollständig ausgefüllt sind.
Nach dem Aufwickeln der letzten Lage 3d wird die Wicklung 1 mit
der Wicklungsschablone 4 Stunden in einem Ofen bei 130°C erhitzt.
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Durch
das Erhitzen wird das im B-Zustand befindliche Harz des Prepregs 4 in
den flüssigen A-Zustand überführt. Das
flüssige
Harz fließt
in die noch verbleibenden Hohlräume
der Wicklungsspalte 5 und füllt diese nach dem Heizvorgang
vollständig aus.
Schließlich
wird das Harz der Prepregs 4 in den C-Zustand, also dem vollständig ausgehärteten Zustand,
in dem alle Verbindungsstellen des Harzes dreidimensional vernetzt
sind, überführt. Das
Harz weist im C-Zustand eine gute Klebwirkung auf.
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4 zeigt
die wärmebehandelte
Wicklung 1 gemäß 3.
Es ist erkennbar, dass alle Wicklungsspalte 5 vollständig von
dem Harz des Prepregs 4 ausgefüllt sind, so dass eine stoff- und formschlüssige Verbindung
zwischen Prepreg 4 und Drahtleiter 2 bereitgestellt
ist.