DE19636073C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines induktiven Bauelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Transformatoren, Übertrager und Dros­ seln, mit Bandkernen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine bekannte Konstruktion ist der geschnittene Bandkern (Schnittbandkern).

Aus der DE-PS 7 11 770 ist ein Verfahren zum Aufbringen von bandförmigen Kernwerkstoffen auf fertig gewickelte Spulen be­ kannt, bei dem der bandförmige Kernwerkstoff auf einen Dorn mit gleichem Durchmesser wie der fertige Kern aufgewickelt wird und dort wärmebehandelt wird. Danach wird der Kernwerk­ stoff in einen Übergangszustand umgespult, wobei die bishe­ rige äußere Windung mit etwa gleichem Durchmesser innen zu liegen kommt und danach auf die Wicklung aufgespult.

Aus der US 3,566,462 ist eine Wickelmaschine beschrieben, die zur Herstellung von Bandkernen dient. Aus der US 4,381,600 ist eine weitere Wickelmaschine vorgestellt, die ebenfalls zur Herstellung von Bandkernen dienen, wobei diese Bandkerne direkt durch einen vorgefertigten Spulenkörper gewickelt wer­ den.

Aus der JP 1-2714 (A) ist eine neue Vorrichtung bekannt, mit der ein Bandkern gegen Beschädigung in der Innenöffnung ge­ schützt werden kann.

Es ist allgemein bekannt, daß bei der Montage eines indukti­ ven Bauelements der eingangs genannten Art auf die Schenkel eines geteilten Schnittbandkerns eine oder mehrere vorgefer­ tigte Spulen aufgeschoben werden und anschließend der Schnittbandkern zusammengesteckt und fixiert wird.

Insbesondere hat sich gezeigt, daß es aus ökonomischen Grün­ den von Vorteil ist, Schnittbandkerne bei hohen Windungszah­ len zu verwenden, sowie bei komplizierten Leitergeometrien und bei Kupferbandwicklungen. Im allgemeinen werden auch durch die hohe Gleichmäßigkeit der Wicklung deutlich höhere Kupferfüllfaktoren als bei der Ringkernbewicklung erreicht. Ein weiterer Vorteil ist die einfache und sichere Herstellung eines Schirms, was bei Ringkernkonstruktionen nur unter gro­ ßen Einschränkungen möglich ist.

Ein großer Nachteil bei der Verwendung von Schnittbandkernen liegt in der eingangs genannten aufwendigen Herstellung sowie dem in der Regel unvermeidbaren Luftspalt, der auch bei opti­ maler Schnittqualität und spezieller Nachbehandlung wie Schleifen und Läppen das magnetische Verhalten z. B. durch die verringerte Permeabilität bzw. durch partiell erhöhte Ver­ luste negativ beeinflußt.

Um eine Trennung zu ermöglichen, ist die Verfestigung des Schnittbandkerns z. B. durch die Tränkung mit einem Tränkharz notwendig. Diese Verfestigung ist zeit- und kostenaufwendig und besonders bei magnetostriktiven Legierungen, insbesondere aber auch bei amorphen bzw. nanokristallinen Legierungen, durch den Verspannungseinfluß besonders nachteilig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Herstellmethode für induktive Bauelemente zu entwickeln, die mit geringem Aufwand wirtschaftlich und energiesparend ar­ beitet und zu einem Produkt führt, bei dem kein Luftspalt entsteht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Herstellverfah­ ren für induktive Bauelemente gelöst, welche aus einem in etwa ringförmigen, teilbaren Wickelkörper, der aus einem er­ sten und einem zweiten Wickelkörperteil besteht, einem darauf aufgewickelten weichmagnetischen Band und vorgefertigten Spulen bestehen, mit folgenden Schritten:

• a) Auf den ersten Wickelkörperteil werden die vorgefertigten Spulen aufgeschoben,
• b) der erste und der zweite Wickelkörperteil werden miteinan­ der verbunden,
• c) ein Transportband wird um den Wickelkörper gelegt,
• d) das Transportband wird mit dem weichmagnetischen Band ver­ bunden und mittels einer das Transportband betätigenden Wickelvorrichtung wird ein Bandkern auf den Wickelkörper gewickelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit geringem Aufwand durchführen. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, daß das entstehende induktive Bauelement keinen Luftspalt im Bandkern aufweist, so daß die sehr aufwendige und in der Regel doch nicht befriedigende spezielle Nachbe­ handlung des Schleifens und Läppens entfallen kann.

Das um das Transportband aufzuwickelnde weichmagnetische Band wird typischerweise unter Zugspannung gehalten, so daß das weichmagnetische Band mit einer gewissen Druckkraft auf die jeweils vorhergehende Bandlage auftrifft. Zweckmäßigerweise wird dabei das aufzuwickelnde weichmagnetische Band auf die jeweils vorhergehende Bandlage fixiert. Dies kann durch Ver­ kleben oder durch Schweißen einzelner Schweißpunkte reali­ siert werden.

Zweckmäßigerweise werden die weichmagnetischen Bänder vor der Bewicklung des Wickelkörpers getempert, da diese schon vor der Bewicklung ihre endgültigen magnetischen Eigenschaften besitzen sollten.

Als besonders zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, weichmagne­ tische Bänder mit einer möglichst kleinen Magnetostriktion zu verwenden, da sonst eine zu starke Verformung und damit eine unerwünschte Veränderung der magnetischen Eigenschaften bei der Bewicklung auftritt.

Ferner hat es sich als günstig erwiesen, duktile weichmagne­ tische Bänder zu verwenden, um möglichst Bandabrisse zu ver­ meiden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß sich mit ihm die Möglichkeit ergibt, während der Bandkernherstellung über die vorhandenen Wicklungen eine kon­ tinuierliche Prüfung einer oder mehrerer magnetischer Werk­ stoffkenngrößen und somit einen Abgleich der magnetischen Eigenschaften durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Einspanneinrichtung für den je­ weils zu bewickelnden mit vorgefertigten Spulen versehenen Wickelkörper, einer Antriebseinrichtung für die Einspannein­ richtung zum Drehen des Transportbandes um den Wickelkörper, um dessen Längsachse und einem zur Aufnahme einer Vorrats­ rolle mit weichmagnetischem Band dienenden Magazin.

Typischerweise dienen als Einspanneinrichtung zumindest zwei gegen die Innenwandung des Wickelkörpers verschieblich gela­ gerte Transporträder und als Antriebseinrichtung sind diese Transporträder antreibende Motoren vorgesehen.

Zweckmäßigerweise sind die Transporträder mit Zähnen verse­ hen, die durch Öffnungen greifen, die in der Wandung des Wickelkörpers eingebracht sind, und dort das um die Wandung gelegte Transportband transportieren.

Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes induk­ tives Bauelement weist einen in sich geschlossenen Bandkern und vorgefertigte Spulen auf, wobei der Bandkern auf einen zweitteiligen Wickelkörper aufgewickelt ist.

Typischerweise ist der Wickelkörper als thermoplastisches Spritzgußteil ausgeführt, das aus zwei Teilen besteht. Die Verbindung der beiden thermoplastischen Wickelkörperteile kann durch eine stabile Schnappverbindung realisiert werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der zweiteilige Wickelkörper eine hohe Festigkeit durch eine Glasfaserver­ stärkung auf. Zweckmäßigerweise sind die beiden Wickelkörper­ teile identisch ausgebildet, so daß nur ein einzelnes Spritz­ gußteil hergestellt werden muß.

Das Transportband besteht zweckmäßigerweise aus einem hoch­ flexiblen Kunststoff eventuell mit textiler Verstärkung und mit einem geringem Reibungskoeffizienten. Das Transportband weist in der Regel eine Dicke von ca. 0,3 bis 0,7 mm auf.

Vorzugsweise besteht das weichmagnetische Band aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung mit einer geringen Magnetostriktion und hoher Duktilität.

Ferner sind die vorgefertigten Spulen typischerweise auf Kastenspulenkörpern aufgebracht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im nachstehenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht der Vor­ richtung sowie eine Draufsicht auf ein induktives Bauelement mit ovalem Bandkern,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Draufsicht einer alternativen Vorrichtung sowie eine Draufsicht auf ein induktives Bauelement mit einem ringförmigen Bandkern.

Nach der Zeichnung besteht das einen in sich geschlossenen Bandkern 10 aufweisende induktive Bauelement 1 aus einem in etwa ovalen, teilbaren Wickelkörper 2. Dieser ovale, teilbare Wickelkörper 2 besteht wiederum aus einem ersten Wickelkör­ perteil 3 und einem zweiten Wickelkörperteil 4. Der erste Wickelkörperteil 3 und der zweite Wickelkörperteil 4 bestehen aus thermoplastischem Material und sind als Spritzgußteile ausgeführt. Wie aus der Fig. 2 zu sehen ist, weisen die Wickelkörperteile 3 und 4 und damit der Wickelkörper 2 einen in etwa L-förmigen Querschnitt auf.

Die in Fig. 3 gezeigten Wickelkörperteile 3 und 4 sind sym­ metrisch ausgebildet, d. h. beide Teile haben identisches Aus­ sehen. Die in Fig. 1 gezeigten Wickelkörperteile 3 und 4 hingegen sind unterschiedlich ausgebildet. Die Wickelkörper­ teile 3 und 4 sind mittels einer Schnappverbindung 12 zusam­ mengefügt.

Auf der Außenseite der Wandung 7 des Wickelkörpers 2 ist ein Transportband 6 aufgebracht. Das Transportband 6 ist als hochflexibles Kunststoffband mit textiler Verstärkung ausge­ bildet und weist eine Dicke von ungefähr 0,5 mm auf. Ferner weist das Transportband 6 einen geringen Reibungskoeffizien­ ten auf und kann demnach gut auf der Wandung 7 gleiten.

Das Transportband 6 ist mit dem weichmagnetischen Band 8 durch eine Verklebung fest verbunden und steht mit der Wickelvorrichtung 9 in Verbindung.

Wie aus den Fig. 1 und 3 zu ersehen ist, besteht die Wickelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus einer Einspanneinrichtung 18 für den jeweils zu bewickelnden und mit vorgefertigten Spulen 5 versehenen Wickelkörper 2, einer Antriebseinrichtung 13 für die Einspanneinrichtung 18 zum Drehen des Transportbandes 6 um die Längsachse 1 des Wickel­ körpers 2 und einem zur Aufnahme einer Vorratsrolle 19 mit weichmagnetischem Band 8 dienendem Magazin 21. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegt das induktive Bauelement 1 auf der Antriebseinrichtung 13 auf und wird dadurch in seiner Lage fixiert. Es ist jedoch auch denkbar, daß das induktive Bau­ element 1 auf eine andere Art und Weise in seiner Lage fi­ xiert wird.

Die Einspanneinrichtung 18 besteht nach der Zeichnung in der Fig. 1 aus zwei gegen die Innenwandung des Wickelkörpers 2 verschieblich gelagerten Transporträder 15 und die An­ triebseinrichtung 13 besteht aus zwei Motoren 14, die diese Transporträder 15 betätigen.

Das Aufwickeln erfolgt dann in der Art, daß auf den ersten Wickelkörperteil 3 die vorgefertigten Spulen 5 auf Kasten­ spulenkörpern 11 aufgeschoben werden. Danach werden der erste Wickelkörperteil 3 und der zweite Wickelkörperteil 4 über eine stabile Schnappverbindung 12 miteinander verbunden. Auf die Außenseite der Wandung 7 des so resultierenden Wickel­ körpers 2 wird nun ein Transportband 6 aufgebracht. Die Transporträder 15 sind dabei mit Zähnen 16 versehen, die durch Öffnungen 17 in der Wandung 7 des Wickelkörpers 2 in das Transportband 6 eingreifen und dieses um den Wickelkörper 2 drehen.

Dadurch, daß das weichmagnetische Band 8 mit dem Transport­ band 6 fest verbunden ist, wird nun durch die Drehung des Transportbands 6 auf den Wickelkörper 2 das weichmagnetische Band 8 aufgewickelt. Dabei läuft das weichmagnetische Band 8 durch die auf Kastenspulenkörpern 11 befindlichen Spulen 5 hindurch und von der Vorratsrolle 19 ab.

Zur Führung des weichmagnetischen Bands 8 und zur Abrißsiche­ rung läuft dabei eine über eine Feder 22 gefederte Rolle 20 mit und kontrolliert das Ablaufen des weichmagnetischen Ban­ des 8 von der Vorratsrolle 19.

Um zu verhindern, daß der Zug auf das weichmagnetische Band 8 unzulässig stark ansteigt bzw. sich der entstehende Bandkern selbst bezüglich der Bewickelung blockiert, wird das weich­ magnetische Band 8 auf die jeweils vorhergehende Bandlage verklebt oder durch einzelne Schweißpunkte fixiert (nicht ge­ zeigt). Es ist jedoch auch denkbar, spezielle Gleitmittel auf die Bandlagen aufzubringen, um eine Blockade zu verhindern.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der ein runder Wickelkörper 2 benutzt wird. Vorteil die­ ser Anordnung ist die einfachere Herstellung der Kernwick­ lung. Ferner können mit einer derartigen Anordnung besonders gut Hochspannungstransformatoren hergestellt werden, da hier die Einhaltung von Mindestabständen aufgrund von Isolations­ anforderungen leichter einzuhalten ist. In der Fig. 3 sind ferner sechs vorgefertigte Spulen 5 aufgewickelt auf die je­ weiligen Kastenspulenkörper 11 auf den Wickelkörper 2 aufge­ bracht, die je nach Anwendung entsprechend verschaltet werden können.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelementes (1) bestehend aus einem in etwa ringförmigen, teilbaren Wickel­ körper (2), der aus einem ersten und einem zweiten Wickel­ körperteil (3, 4) besteht, einem darauf aufgewickelten weich­ magnetischen Band und vorgefertigten Spulen (5) mit folgenden Schritten:

• a) Auf den ersten Wickelkörperteil (3) werden die vorgefer­ tigten Spulen (5) aufgeschoben,
• b) der erste und der zweite Wickelkörperteil (3, 4) werden miteinander verbunden,
• c) ein Transportband (6) wird um den Wickelkörper (2) gelegt,
• d) das Transportband (6) wird mit dem weichmagnetischen Band (8) fest verbunden und mittels einer das Transportband (6) betätigenden Wickelvorrichtung (9) wird ein Bandkern (10) auf den Wickelkörper (2) gewickelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das um das Transportband (16) aufzuwickelnde weichmagnetische Band (8) unter Zugspannung gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das um das Transportband (6) aufzuwickelnde weichmagnetische Band (8) auf die jeweils vorhergehende Bandlage verklebt oder durch einzelne Schweißpunkte fixiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Band (8) vor dem Bewickeln des Wickelkörpers (2) getempert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß duktile und/oder gering magnetostriktive weichmagnetische Bänder (8) verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß weich­ magnetische Bänder (8) aus amorphen oder nanokristallinen Le­ gierungen verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bewickelns des Wickelkörpers (2) eine Prüfung einer oder meh­ rerer magnetischer Werkstoffkenngrößen über die aufgebrachten Bandlagen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Öffnungen (17) in seiner Wandung (7) versehener Wickelkörper (2) verwendet wird, daß um die Wandung (7) das Transportband (6) aufgebracht wird und daß der Wickelkörper (2) durch in die Öffnungen (17) greifende Transporträder (15) der Wickel­ vorrichtung (9) gedreht wird.

9. Wickelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, bestehend aus einer Einspanneinrichtung (18) für den jeweils zu bewickelnden mit vorgefertigten Spulen (5) versehenen Wickelkörper (2), einer Antriebseinrichtung (13) für die Einspanneinrichtung (18) zum Drehen des Wickelkörpers (2) um seine Längsachse (1) und einem zur Aufnahme einer Vor­ ratsrolle (19) mit weichmagnetischem Band (8) dienenden Maga­ zin (21).

10. Wickelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ein­ spanneinrichtung (18) zumindest zwei gegen die Innenwandung des Wickelkörpers (2) verschieblich gelagerte Transporträder (15) vorgesehen sind und daß als Antriebseinrichtung (13) diese Transporträder (15) antreibende Motoren (14) vorgesehen sind.

11. Wickelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transporträder (15) mit Zähnen (16) versehen sind.

12. Wickelkörper zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, bestehend aus einem ersten Wickelkörperteil (3) und einem zweiten Wickelkörperteil (4), die miteinander verbunden sind.

13. Wickelkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (2) einen in etwa L-förmigen Querschnitt auf­ weist und daß der Wickelkörper (2) in seiner Wandung (7) Öff­ nungen (17) aufweist.

14. Wickelkörper nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (2) aus thermoplastischem Material besteht und/oder glasfaserverstärkt ist.

15. Wickelkörper nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelkörperteile (3, 4) identisch sind und über eine Schnappverbindung (12) zu dem Wickelkörper (2) zusammenfügbar sind.

16. Induktives Bauelement mit einem in sich geschlossenen Bandkern und vorgefertigten Spulen, gekennzeichnet dadurch, daß es einen Wickelkörper für den Kern (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 15 besitzt.