DE19637288A1

DE19637288A1 - Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes

Info

Publication number: DE19637288A1
Application number: DE1996137288
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl Ing Baumeister; Dieter Dipl Ing Bauch-Panetzky; Knut Dipl Ing Welke; Alfred Dipl Ing Tareilus; Martin Dipl Ing Dr Ochs; Markus Van Dipl Ing Heyden; Juergen Dipl Ing Weimer
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1997-10-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche Spulen sind aus einem mit einem elektrisch isolierendem Material ummantelten Kupferdraht gewickelt. Die Windungen der Spule verlaufen um eine axiale Achse. In Abhängigkeit von der Windungszahl und der Spulenlänge sind in radialer Richtung eine Mehrzahl von Windungen übereinander angeordnet. Durch den ohmschen Widerstand der Leiter wird Verlustwärme in den einzelnen Win dungen frei, die abzuführen ist. Zusätzlich steigt mit der Temperatur auch der elektrische Widerstand des Leiters und somit dessen Verlustleistung.

Nachteilig ist bei den herkömmlichen aus einem Draht gewickelten Spulen, daß die Windungen in radialer Richtung in mehreren Lagen übereinander liegen, so daß die in den mittleren Lagen entstehende Verlustwärme schlecht abgeführt werden kann.

Ein weiterer Nachteil ist, daß durch den runden Wicklungsdrahtquerschnitt Zwi schenräume zwischen den benachbarten Windungen ausgebildet werden. Dieses Volumen wird nicht genutzt und wirkt zusätzlich noch wärmeisolierend, wodurch die Ausbildung eines großen Temperaturgefälles zwischen innenliegenden Win dungen und außenliegenden Windungen innerhalb der Spule unterstützt wird.

In Abhängigkeit von der Windungsanzahl und von dem Leitungsdurchmesser wei sen solche Spulen einen hohen Wickelkopf auf, wodurch bei einem mit solchen Spulen bestückten Ständer die axiale erforderliche Länge und damit die axiale Baulänge des Elektromotors vergrößert wird. Bei dem Einsatz der elektrischen Maschine in ein Hybridfahrzeug ist besonders der axiale Bauraum knapp, der für die elektrische Maschine zur Verfügung steht. Deshalb ist man bemüht axial schmal bauende elektrische Maschinen bei unverminderter Leistung zu entwic keln.

Aus der DE 40 04 019 A1 bzw. EP 0 514 424 B1 ist eine Spule aus gestapelten Blechen bekannt. Die Spule ist aus in Spulenachsrichtung aufeinander folgenden gestapelten Blechen aufgebaut. Die Bleche sind jeweils in einem Bereich ihres Umfanges unterbrochen, wobei diese jeweils an der radialen Außenseite eine in einer ersten Umfangsrichtung weisenden Zunge und eine an der inneren Radial seite in entgegengesetzter, zweiter Umfangsrichtung weisende Zunge, aufwei sen. Die aufeinander folgenden Bleche sind so angeordnet, daß die auf der äuße ren, als auch auf der inneren Radialseite angeordneten Zungen abwechselnd in die erste und zweite Umfangsrichtung weisen. Diese sich in Umfangsrichtung überlappenden Zungen sind elektrisch leitend über eine Lötstelle verbunden.

Nachteilig bei dieser Spule ist, daß jede Lötstelle einen elektrischen Widerstand darstellt. Somit wird dort Verlustenergie in Form von Verlustwärme frei. Dadurch ist ein schlechter Wirkungsgrad der Spule begründet.

Hinzu kommt, daß jede Lötstelle eine potentielle Defektstelle ist. Aufgrund der vielen Lötstellen, wobei im Betrieb sich gerade die Lötstellen erwärmen, ist die Lebensdauer einer solchen Spule gegenüber einer herkömmlichen, die aus einem Draht gewickelt ist, vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spule zu schaffen, die in radialer Richtung eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist und die mit einem schmalen Spulenkopf ausbildbar ist und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu entwickeln.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Spule ist aus einem Materialblock, der eine die Achse um gebende Aussparung aufweist, herstellbar. Mittels eines Schneidewerkzeugs wird entlang einer der vorbestimmten Steigung zugeordneten Linie das ursprüngliche Material entfernt. Danach weist der ehemalige Materialblock eine Mehrzahl von Windungen auf, durch die eine Spule gebildet wird. Diese Spule ist einstückig ausgebildet und jede Windung weist einen Teilbereich auf, auf dem die Win dungsoberfläche einen Teil der Spulenoberfläche bildet. Dadurch kann die in jeder Windung entstehende Verlustwärme direkt über diesen Teilbereich der Spulen oberfläche abgeführt werden. Die Spule ist mit einem schmalen Spulenkopf ausbildbar, indem der Materialblock in dem Bereich, aus dem der Spulenkopf gebildet wird, eine in radialer Richtung reduzierte Ausdehnung aufweist. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Windungen mit einer Steigung in axialer Richtung anzuordnen, so daß die den Spulenkopf bildenden Windungen in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Eine verminderte Spulenkopfhöhe ist durch in radialer Richtung verminderte Windungshöhe erreichbar. Bei einer spiral förmigen Anordnung der Windungen kann der Spulenkopfflacher ausgebildet werden, indem auf den den Spulenkopf bildenden Windungsabschnitt die Win dung eine in radialer Richtung verminderte Windungshöhe aufweisen.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Windungen mit einer sie zuminde stens teilweise umschließenden Isolationsschicht zu versehen, so daß diese von einander elektrisch isoliert sind. Dadurch wird sichergestellt, daß jede Windung von dem durch den Stromzufluß zugeleiteten Strom, der über den Stromabfluß wieder abgeleitet wird, durchflossen wird. Der, einen Leiter durchfließende Strom fließt aufgrund von Winkelstromeffekten auf der Leiteroberfläche. Daher ist es vorteilhaft, die Windungen der Spule derart auszubilden, daß die einzelnen Win dungen eine möglichst große Leiteroberfläche in Bezug auf die Querschnittsfläche aufweisen. Die Querschnittsoberfläche weist eine in einer ersten Koordinatenrich tung, vorzugsweise in radialer Richtung, ein Vielfaches einer in einer zweiten Ko ordinatenrichtung, vorzugsweise in axialer Richtung, betragenden Abmessung auf. Dadurch weisen die Windungen eine große für Strom durchströmbare Ober fläche in Bezug auf den Leiterquerschnitt auf. Diese Ausgestaltung ist eine Op timierung von Materialeinsatz und Nutzen. Durch diese Gestaltungsform ist auch eine große Stromdichte erreichbar, wodurch ein großes Magnetfeld erzeugbar ist. Durch das Feld in den Nuten werden die Elektronen an die Nutöffnung gedrängt. Daher ist nur eine Gemometrie sinnvoll, bei der die Höhe der Windung klein ist.

Zur Herstellung der Spule aus dem Materialblock wird der Materialblock in einem Werkstückhalter eine Schneidemaschine eingespannt. Dadurch wird die Startpo sition gegenüber einem Schneidemittel der Schneidemaschine, wie z. B. ein La serstrahl oder ein Sägeblatt, definiert vorgegeben. Gerade bei der automatisierten Herstellung ist eine genaue Einhaltung einer Startposition wichtig. Das Schnei demittel wird mit dem Materialblock in Wirkverbindung gebracht und entfernt an der Kontaktstelle Material aus dem Materialbock. Durch eine Relativbewegung von Materialblock und Schneidemittel wird entlang einer fortlaufenden Linie mit der vorbestimmten Steigung, Material aus dem Materialblock entfernt. Die Rela tivbewegung kann durch die Bewegung des Werkstückhalters oder des Schnei demittels erreicht werden. Ist das Schneidemittel ein Laserstrahl, so kann dieser durch Spiegel umgelenkt und durch Bewegung derselben leicht entlang einer Linie geführt werden.

Auf diese Weise werden fortlaufend die Windungen entsprechend der vorbe stimmten Windungszahl und Windungsdicke in Steigungsrichtung herausgearbei tet.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur zumindestens teilweisen Ummantelung der Win dungen mit einer Isolationsschicht ist, zunächst die jeweils endseitigen Windun gen einer Spule in eine Zugvorrichtung einzuspannen. Durch diese Zugvorrichtung wird die Spule in Achsrichtung mit einer Vorspannung belastet, so daß zwischen den Windungen eine Luftschicht gebildet wird. Zur Beschichtung der Windungs oberfläche wird diese mit einem für eine elektrische Isolationsschicht geeignetem Material in Wirkverbindung gebracht. Als für die Verarbeitung besonders geeigne te Isolationsmaterialien haben sich flüssige Materialien, die nach dem Aushärten elektrisch isolierend wirksam sind herausgestellt. Diese Isolationsschicht ist durch Eintauchen in ein Tauchbad der in Achsrichtung vorgespannten Spule, wo bei die Windungsoberfläche von der Flüssigkeit benetzt wird, aufbringbar.

Weiterhin hat sich die Verwendung eines pulverförmigen, die Windungsoberflä che benetzenden Materials als besonders geeignet herausgestellt. Dieses Material ist besonders einfach durch Aufsprühen aufbringbar. Das Aufsprühen hat den Vorteil, daß gezielt nur bestimmte Flächen z. B. zugewandte Oberflächen be nachbarter Windungen, durch gezieltes Aufsprühen bzw. Aufdampfen mit einem Strahl mit einer Isolationsschicht versehen werden.

Nach dem Beschichtungsvorgang wird die Zugvorrichtung entlastet, so daß sich die Spule zumindestens entlang einer vorbestimmbaren Strecke in Richtung ihrer ursprünglichen Axialausdehnung verkürzt.

Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird anschließend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Spule mit konstanter Windungssteigung in Achsrichtung;

Fig. 2 Spule mit Windungen, die auf einem Bruchteil ihres Umfanges ein Steigung in Achsrichtung aufweisen;

Fig. 3 Herstellungsverfahren einer Spule schematisch dargestellt;

Fig. 4 Herstellungsverfahren eines Beschichtungsprozesses schematisch dar gestellt.

Der prinzipieIle Aufbau der erfindungsgemäßen Spule 1 wird anhand Fig. 1 und 2 beschrieben. Die in Fig. 1 dargestellte Spule 1 weist eine Aussparung 9 in Achs richtung und eine Mehrzahl von Windungen 3 auf.

Diese Windungen 3 sind in Achsrichtung nebeneinander angeordnet und durch eine elektrische Isolationsschicht 13 getrennt. Jede Windung 3 weist eine nahezu konstante Steigung 19 in Achsrichtung auf, wobei alle Windungen 3 nahezu das gleiche Steigungsprofil aufweisen. Durch dieses sich wiederholende Steigungs profil ist eine hohe Packungsdichte erreichbar.

Die in Fig. 2 dargestellte Spule 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestell ten Spule nur in dem Steigungsprofil der Windungen 3. Die Windungen 3 weisen nur auf einen Bruchteil 23 ihres Umfanges eine Steigung in Achsrichtung auf, wobei diese Steigungsbereiche 20 der Windungen 3 in einen in Achsrichtung verlaufenden Segment 24 der Spule 1 angeordnet sind. Die Steigungsbereiche 20 können aber auch in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sein. Der Übergang von dem ebenen Bereich der Windung jeweils in den Steigungsbereich 20 dersel ben ist fließend ausgebildet um Wirbelstromverluste und ungewünschte Streufel der zu vermeiden. Der Steigungsbereich kann auch innerhalb der Windungssei te 46 angeordnet werden.

Zu Erzeugung eines Magnetfeldes wird eine Wechselspannung an die Spule 1 angelegt, wodurch ein die Spule durchfließender elektrischer Strom aufgebaut wird, durch welchen ein Magnetfeld induziert wird. Um eine möglichst hohe Stromdichte zu erreichen, weisen die Windungsabmessungen in axialer Rich tung 15 eine geringe Höhe und durch eine große Abmessung in radialer Rich tung 17 eine große Windungsoberfläche 43 für die auf der Oberfläche fließenden Ladungen auf.

Ein mögliches Herstellungsverfahren von erfindungsgemäßen Spulen 1 wird an hand von Fig. 3a bis c beschrieben. In Fig. 3a ist ein Materialblock 5 dargestellt, der z. B. eine quaderförmige, in Achsrichtung verlaufende Aussparung 9 mit ge rundeten Ecken aufweist. Dieser Aussparung 9 kann unter anderem auch zur Aufnahme eines Werkstückhalters 49, wie in Fig. 3b gezeigt, dienen. Eine strahlförmiges Schneidemittel 51 wirkt von radial außen auf den Materialblock 5 ein. Der Strahl wird entlang einer vorbestimmten Linie 21 entlang gefahren. Der Linienverlauf ist so vorgesehen, daß die gewünschte Anzahl an Windungen 3 mit der gewünschten Windungsdicke 44 durch Entfernen des Materials aus dem Ma terialblock 5 gebildet wird. Das strahlförmige Schneidemittel 51 wird entlang die ser vorbestimmten Linie geführt, wodurch die gewünschte Spule 1 aus dem Ma terialblock 5 herausgearbeitet wird.

Die einzelnen Kanten 4 der Windungen 3 sind, wenn man z. B. mit einem Laser strahl das Material entlang der vorbestimmten Linie 21 entfernt, automatisch minimal abgerundet.

Diese aus dem Materialblock 5 herausgearbeiteten Windungen 3, die schrauben förmig verlaufen, sind in Abhängigkeit von deren Windungsdicke 44, Windungs breite 45 und Windungshöhe 47 in Verbindung mit der Elastizität des verwende ten Materials durch eine mehr oder minder dicke isolierende Luftschicht 39 von einander getrennt.

Ein Verfahren zur Beschichtung der Windungen 3 mit einem elektrischen Isolati onsmaterial wird im folgenden anhand Fig. 4 beschrieben. Die eine Mehrzahl von Windungen 3 aufweisende Spule 1 wird in eine Zugvorrichtung 37 eingespannt, mittels derer die Spule 1 in Achsrichtung vorgespannt wird. Solche Zugvorrich tungen 37 können unterschiedlichste Gestaltungsformen aufweisen. Ein exem plarisches Beispiel ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.

Aus radialer Richtung werden Greifarme 53 in die axiale Aussparung 9 einge führt, die endseitige Vorsprünge 55 aufweisen, die vorzugsweise hinter der je weiligen endseitigen Windung 59, 60 einrasten. Die Greifarme 53 werden in Achsrichtung 41 auseinander bewegt, wodurch die Spule 1 in Achsrichtung der art vorgespannt wird, daß eine Luftschicht 39 zwischen den Windungen 3 gebil det wird (s. Fig. 4). In diesem Zustand wird nun die Spule 1 in eine Flüssigkeit 57 getaucht oder auch mit einem Pulver besprüht, so daß die Windungsoberflä che 43 zumindestens teilweise mit einem Isolationsmaterial ummantelt sind. Nach dem Beschichtungsvorgang wird die Spule 1 wieder entspannt, indem die Greifarme 53 in Achsrichtung aufeinander zu bewegt werden. Die hinter der je weiligen endseitigen Windung 59, 60 eingerasteten Vorsprünge 55 werden gelöst und der Beschichtungsprozeß der Spule 1 ist beendet.

Bezugszeichenliste

1. Spule
3. Windungen
4. Kanten
5. Materialblock
7. Achse
9. Aussparung
11. Schneidewerkzeug
13. Isolationsschicht
14. Querschnittsfläche
15. Abmessung in axialer Richtung
17. Abmessung in radialer Richtung
19. Steigung
20. Steigungsbereich
21. Steigungslinie
23. Bruchteil
24. Segment
25. Ausgangswerkstück
29. Schneidemaschine
31. Schneidemittel
33. Schnittlinie
35. Windungsdicke
37. Zugeinrichtung
39. Luftschicht
41. Achsrichtung
43. Windungsoberfläche
44. Windungsdicke
45. Windungsbreite
46. Windungsseite
47 Windungshöhe
49. Werkstückhalter
51. strahlenförmiges Schneidemittel
53. Greifarme
55. Vorsprünge
57. Flüssigkeit
59. endseitige Windung
60. endseitige Windung

Claims

1. Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einer elektrischen Maschine mit einem Stromzu- und -abfluß und Windungen, die mit vorbestimmbarer Stei gung und Windungszahl um eine Achse verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Spule (1) ein Materialblock (5) mit einer die Achse (7) umgebenden Aussparung (9) Verwendung findet, wobei dieser Ma terialblock (5) nach Einwirkung eines Schneidewerkzeuges eine Mehrzahl von Windungen (3) aufweist, zwischen denen entlang einer der vorbestimmten Steigung (19) zugeordneten Linie (21) das ursprünglich vorhandene Material mittels des Schneidewerkzeuges entfernt ist.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um die Achse (7) verlaufenden Windungen (3) mit einer sie zuminde stens teilweise umschließenden Isolationsschicht (13) versehen sind.

3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Windungen (3) eine Querschnittsfläche (14) mit einer in ei ner ersten Koordinatenrichtung, vorzugsweise in radialer Richtung, ein Vielfa ches einer in einer zweiten Koordinatenrichtung, vorzugsweise in axia ler Richtung, betragenden Abmessung , aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung einer Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein als Ausgangswerkstück für die Spule dienender Materialbock (5) in einem Werkhalter einer Schneidemaschine (29) für die Vorgabe der Start position des Materialblocks gegenüber einem Schneidemittel (31) der Schneidemaschine (29) eingespannt wird,
- daß das Schneidemittel (31) mit dem Materialbock (5) in Wirkkontakt ge bracht wird,
- daß das Schneidemittel (31) an der Stelle des Wirkkontaktes Material aus dem Materialblock (5) entfernt,
- daß zwischen dem Werkstückhalter und dem Schneidemittel (31) eine Re lativbewegung durchgeführt wird,
- daß mittels der Relativbewegung das Schneidemittel (31) entlang einer fortlaufenden Linie (21) mit der vorbestimmten Steigung (19) wirksam wird, so daß fortlaufende Windungen (3) entsprechend der vorbestimmten Windungszahl und Windungsdicke in Steigungsrichtung gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß jeweils die endseitigen Windungen (3) in eine Zugvorrichtung (3)7 ein gespannt werden, welche die Spule (1) in Achsrichtung (41) mit einer Vor spannung belastet, so daß zwischen den Windungen (3) eine Luft schicht (39) gebildet wird,
- daß die vorgespannte Spule (1) zur Beschichtung der Windungsoberflä che (43) mit einem für eine Isolationsschicht geeignetem Material, vorzugs weise einer Flüssigkeit, in Wirkverbindung gebracht wird,
- daß die Zugvorrichtung (37) die Spule (1) nach dem Beschichtungsvorgang entlastet, so daß sich die Spule (1) zumindest entlang einer vorbestimmba ren Strecke in Richtung ihrer ursprünglichen Axialausdehnung verkürzt.