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a) Titel der Erfindung
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Isolierte Ganzformspule für dynamoelektrische Maschinen, Herstellungsverfahren
und Wickelvorrichtung.
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Klassifikation: H 02 K, 15/04 b) Anwendungsgebiet der Erfindung Die
Erfindung betrifft vorgefertigte Ganzformspulen (Schablonenspulen) mit mehreren
Windungen je Spule, insbesondere Hochspannungs-Ständerspulen für mittlere und große
rotierende Drehstrommotoren sowie Linearmotoren mit Zweischichtwicklung.
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c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bei der Herstellung
von Ständer-Ganzformspulen für rotierende elektrische Maschinen ist es üblich, die
Spulen in einer Ebene zu wickeln. Dabei wird das rechteckige Leiterkupfer um die
Breitseite gebogen. Um Leiterlänge und Maschinenabmessungen gering zu halten, wird
der Bogen möglichst klein gemacht. Das führt aber leicht zum Einreißen der Drahtisolierung,
evtl.
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sogar zu Beschädigungen des Leitermaterials. Trotzdem stellt auch
ein enger Bogen eine elektrisch nicht erforderliche Vergrößerung der Leiterlänge
dar. Diese Spulen in der sogenannten Nadelform oder Fischform werden zur Aufrechterhaltung
der Lage der Windungen zueinander mit Halteband eingebunden und mit einem Imprägniermittel
grundverfestigt. Danach werden sie in einer speziellen Vorrichtung senkrecht zur
Wickelebene entsprechend dem Wickelschritt gespreizt, so daß sich die geraden Nutteile
und die gebogenen Spulenköpfe bilden. In der gleichen Einrichtung werden die Spulenköpfe
durch Ziehen über Formstücke in Kreissegment- oder Evolventenform gebogen und die
Nutteile um
ihre Längsachse so weit verdreht, wie es der Winkellage
der entsprechenden Nuten im Ständerblechpaket entspricht (Öffnungswinkel der Spule).
Dabei bleibt als Rest der ursprünglichen Nadelform nur der enge Bogen, das sogenannte
Auge, in nahezu der ursprünglichen lage.
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Beim Spreizen und Formen, wozu eine relativ komplizierte Einrichtung
notwendig ist, werden Leiterkupfer und Isolierung stark beansprucht, so daß die
Gefahr weiterer Beschädigungen besteht.
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Nachdem die Spule so ihre endgültige räumliche Form erhalten hat,
erfolgt das Isolieren. Die geraden Teile und Abschnitte der Spulenköpfe werden maschinell
mit Isolierband umwickelt oder die geraden Teile werden mit Bahnen aus Isolierfolium
versehen und Abschnitte der Spulenköpfe maschinell mit Band umwickelt Die stark
gebogenen Augen der Spulenköpfe können jedoch nur von Hand mit Isolierband umwickelt
werden. Das stellt einen hohen Aufwand an anstrengender manueller Arbeit dar und
verhindert einen effektiven Einsatz von Einbindemaschinen.
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Es ist auch eine Formspule für Mehrschichtwicklungen bekannt (DD-PS
50 901), bei der die einzelnen Windungen, die in den Nutteilen übereinander liegen,
in den Spulenköpfen vom Nutteil aus fächerförmig auseinander streben, in Spulenkopfmitte
nebeneinander liegen sowie insbesondere sich kreuzen und sich auf der anderen Seite
wieder so ineinander fügen, daß sie im Nutteil wieder übereinander liegen.
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Bei diesem Vorschlag wird ein ??Auge?? vermieden. Es bleibt jedoch
offen, wie die Spulenköpfe gestaltet sein sollen, um sie bei der Montage der Spulen
zu einem Wicklungskopf zusammensetzen zu können. Auch wird die Belüftung erschwert,
besonders radial, unddas Wickeln kompliziert, weil jede Windung eine andere Form
hat und
weil in Spulenkopfmitte alle Windungen Schmalseite an Schmalseite
nebeneinander liegen, was wiederum ungünstig für die Stabilität und das Isolieren
der Spule ist.
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d) Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung sind die Verkürzung der Leiterlänge,
die Beseitigung der Gefahr von Beschädigungen, aber vor allem ein effektiverer Einsatz
von Einbindemaschinen ohne wesentliche Erhöhung des apparativen Aufwandes und eine
Verbesserung der Arbeitsbedingungen.
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e) Darlegung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, enge Bögen an den Spulen zu vermeiden und ein durchgehend maschinelles Isolieren
der Spulen zu ermöglichen, ohne die Herstellungsweise wesentlich zu komplizieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst mit einer isolierten Ganzformspule,
die, wie üblich, aus zwei geraden Teilen und zwei Spulenköpfen besteht, wobei die
geraden Teile entsprechend dem Öffnungswinkel der Spule winklig zueinander stehen
und einen entsprechend ihrer Lage als Unter- bzw. Oberlage unterschiedlichen Radius
zur Maschinenachse aufweisen und durch die Spulenköpfe miteinander verbunden sind.
Das Besondere besteht darin, daß die Spule im mittleren Bereich der Spulenköpfe
wendelförmig in einem vom Öffnungswinkel der Spule abhängigen Bogen von mindestens
1800, mit einer Schmalseite, die zugleich Breitseite der untersten Windung ist,
eng um ein Segment eines imaginären zylindrischen Körpers gebogen ist. Bei Spulen
für rotierende elektrische Maschinen ist dieser imaginäre zylindrische Körper ein
zylindrischer Ring (Torus), bei Spulen für Linearmotoren ein gerader Zylinder.
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Zur Erleichterung des Aufbringens der Isolierung sind beide Schaltenden
an einer Stelle des einen Spulenkopfes an einander gegenüberliegenden Schmalseiten
der Spule herausgeführt.
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Hergestellt wird eine derartige Spule, indem sie als flaches Gebilde
in zwei zueinander parallelen Ebenen, die der Funktion der Spulenseiten als Unter-
bzw. Oberlage entsprechen, mit je einem Ubergang von Ebene zu Ebene im mittleren
Bereich der beiden Spulenköpfe auf einer rotierenden Wickelschablone gewickelt wird,
wobei der hochkant zuzuführende Wickeldraht beim Bewickeln der einen Ebene von rechts,
beim Bewickeln der anderen Ebene von links zugeführt und während der Bildung der
Übergänge abwechselnd in entgegengesetzter.Drehrichtung um 0 180 um seine Längsachse
verdreht wird. Isoliert wird die Spule in dieser flachen Form maschinell und kontinuierlich
an allen Spulenteilen. Danach wird die Spule in ihre endgültige räumliche Form gebracht,
indem die geraden Teile gefaßt und in eine dem Öffnungswinkel der Spule entsprechende
Winkellage zueinander gedreht und dabei die Spulenköpfe über Formstücke in die notwendige
Form gezogen werden. Zweckmäßigerweise werden die geraden Spulenteile nach dem Isolieren
und vor dem abschließenden Formen formstabilisiert, während das Aushärten der gesamten
Isolierung nach dem Formen, insbesondere nach dem Montieren der Spulen in der elektrischen
Maschine, erfolgt. Es ist auch zweckmäßig, wenn der Wickeldraht bei der Bildung
der der ersten Windung folgenden Windungen auf der einen Spulenseite rechts, auf
der anderen links an der zuvor gewickelten Windung angelegt und an den Übergängen
von einer Wickelebene in die andere Breitseite an Breitseite an der zuvor gewickelten
Windung entlanggeführt wird. Beim Isolieren an den Schaltenden ist es vorteilhaft,
wenn die Einbindemaschine im Schleichgang gefahren oder angehalten wird und das
Isolierband
von Hand geführt und über die Schaltenden gehoben wird.
Es kann auch günstig sein, den Bereich der Schaltenden von Hand vorzuisolieren und
dann beim maschinellen Einbinden in diesem Bereich den Steigungswinkel, mit dem
das Isolierband aufgebunden wird, zu vergrößern. Entsprechend ist es zweckmäßig,
zum Aufbringen einer größeren Isolierungsdicke auf den Nutteilen den Steigungswinkel,
mit dem das Isolierband aufgebunden wird, zu verringern. Bei Spulen für Linearmotoren
endet die Herstellung der erfinßungsgemäßen Spulen mit deren Isolierung; das abschließende
Herstellen einer räumlichen Form entfällt.
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Zum Herstellen der erfindungsgemäßen Spulen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren dient erfindungsgemäß eine Wickelvorrichtung, bestehend aus einer drehbaren
Wickelschablone, einer Antriebseinheit und einer schlitzförmigen Drahtführung, die
insbesondere aus Rollenpaaren gebildet ist. Die Wickelschablone besitzt zwei einander
parallele Wickelebenen für die beiden Spulenseiten und weist für die geraden Spulenteile
und die angrenzenden Bereiche der Spulenköpfe seitliche Führungen auf, die die unterste
Breitseite der ersten Windung führen, und dazu senkrechte Führungen, die die zur
Spulenmitte weisenden Schmalseiten aller Windungen führen. Während der Bildung der
Übergänge zwischen den Wickelebenen ist die Drahtführung um 1800 um die längsachse
des Wickeldrahtes drehbar, an beiden Spulenköpfen abwechselnd in entgegengesetzter
Drehrichtung. Die beiden einander parallelen Wickelebenen sind zueinander versetzt,
insbesondere entsprechend dem Versatz der als Unter- bzw. Oberlage fungierenden
Spulenseiten. Bei bestimmten Abmessungen des Wickeldrahtes kann eine zu den beiden
Wickelköpfen parallele und zu den geraden Spulenteilen senkrechte zylinderförmige
Führung für die erste Windung am mittleren Bereich jedes Spulenkopfes vorteilhaft
sein.
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f) Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
eines 4-poligen Drehstrom-Asynchronmotors von 1000 kW bei 6000 V näher erläutert
werden. Der Motor besitzt eine Zweischichtwicklung aus Einscheiben-Ganzformspulen
mit jeweils 6 Windungen. Die Spulenisolierung besteht aus Folienglimmerband, das
bereits die erforderliche Menge Bindemittel in Form von heißhärtendem Epoxidharz
enthält.
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In der zugehörigen Zeichnung zeigen ausschnittweise Fig. 1 den Spulenkopf
einer erfindungsgemäßen Ganzformspule nach dem Isolieren vor dem abschließenden
Herstellen der räumlichen Form, so wie sie für Linearmotoren geeignet ist, in axialer
Vorderansicht und Fig. 2 den gleichen Spulenkopf in radialer Draufsicht, Fig. 3
die Ausführung der Schaltenden.
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Die Ganzformspule besteht aus den beiden geraden Teilen 1 und 2 und
den beiden Spulenköpfen, von denen einer, 3, dargestellt ist. Die geraden Teile
1; 2 sind einander parallel und liegen in zwei Ebenen, die zueinander um einen lichten
Abstand von 50 mm versetzt sind. Dabei beträgt der Spulenquerschnitt 30 mm x 10
mm. Die Spulenköpfe sind wendelförmig in einem Bogen von 1800 um einen imaginären
geraden Zylinder 8 von 50 mm Durchmesser herumgeführt. Beim Herstellen der räumlichen
Form wird aus diesem geraden Zylinder 8 ein Kreiszylinderabschnitt, der Bogen des
wendelförmigen Spulenabschnittes wächst auf mehr als 1800 und die beiden geraden
Teile schließen den Öffnungswinkel 4 der Spule ein. Das eine Schaltende 6 am SpulenanSang
ist entlang dem wendelförmig gebogenen Spulenteil des Spulenkopfes 3 bis zum anderen
Schaltende 7 am Spulenende geführt. Das hat beim kontinuierlichen maschinellen Einbinden
mit Isolierband den Vorteil, daß bei jeder Bandlage das automatische Isolieren nur
einmal unterbrochen werden muß, um das Isolierband
von Hand zu
führen und über die Schaltenden zu heben.
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Diese Spule hat keine engen Bögen mehr. Dadurch entfällt die Gefahr
der Beschädigung der isolierten Leiter bei der Spulenherstellung. Die Leiterlänge
ist geringer, weil die Spule kein gesondertes "Auge" beiderseits axial anschließend
an die übrigen gebogenen Spulenteile besitzt, sondern weil der üblicherweise im
"Auge" realisierte Bogen den übrigen Bögen in Form der Wendel überlagert ist. Damit
wird auch die Ausladung der Spule geringer, was sich reduzierend auf die Baulänge
der gesamten Maschine auswirkt. Darüber hinaus ermöglicht der Wegfall aller engen
Bögen ein durchgehendes maschinelles Isolieren mit Isolierband auf einer Einbindemaschine.
Diese kann die Spule aufgrund ihrer beim Isolieren noch flachen Form mit optimalem
Effekt einbinden. Das aufwendige manuelle Einbinden entfällt vollständig, und die
Arbeitsbedingungen werden verbessert, weil das klebrige, ungesundes Lösungsmittel
enthaltende nicht ausgehärtetes Epoxidharz enthaltende Isolierband nur noch an den
Schaltenden berührt zu werden braucht.
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Hergestellt wird diese.Spule, indem sie als flaches Gebilde gewickelt
wird. Entsprechend dem mittleren Versatz der beiden Spulenseiten (Unter- und Oberlage)
um 80 mm bei einem lichten Abstand von 50 mm sind die Wickelebenen der Wickelschablone
ebenfalls versetzt.
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Der Draht wird hochkant zugeführt und im.Bereich der Spulenköpfe um
die schmale Seite gebogen. Er wird an den Breitseiten bei der ersten Windung von
der Wickelschablone, bei den nächsten Windungen von.der jeweils vorausgehenden Windung
seitlich gehalten; Bei der Bildung der Übergänge von einer Wickelebene in die andere
wird der zugeführte Wickeldraht um 1800 um seine Längsachse
verdreht,
an beiden Spulenköpfen in entgegengesetzter Drehrichtung. Zugleich erfolgt ein Versatz
von der einen Wickelebene in die andere, der bei der ersten Windung 58,1 mm beträgt
(Dicke des Wickeldrahtes + zweimal Isolierungsdicke + Versatz von 50 mm) und bei
jeder weiteren Windung um die zweifache Dicke des Wickeldrahtes zunimmt. Durch das
gleichzeitige Verdrehen des Wickeldrahtes und das Versetzen der Schablonenenden
erhält der Leiter die Form einer.
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Schraubenlinie (Wendel) und läßt einen Raum frei, in den ein gerader
Zylinder von 50 mm Durchmesser paßt.
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Die folgenden Windungen legen sich mit ihren Breitseiten jeweils auf
die Breitseite der vorhergehenden, so daß schließlich die ganze Spule um diesen
imaginären Zylinder gewickelt erscheint. Die Spule wird nun an mehreren Stellen
abgebunden, so daß sie nicht auseinanderfällt, und auf einer Einbindemaschine mit
Isolierband durchgehend isoliert. An den beiden Schaltenden, die an eine Stelle'verlegt
wurden, muß die Einbindemaschine langsam gefahren werden, um das Isolierband von
Hand über die senkrecht abstehenden Schaltenden heben zu können. Der Einbindekopf
wird an den Übergängen von einer Wickelebene zur anderen nachgeführt, Beim Bewickeln
der Nutteile wird der Steigungswinkel, mit dem das Isolierband um das Leiterbündel
gewickelt wird, verringert, so daß das Isolierband, das am Spulenkopf halbüberlappt
aufgebunden wird, enger aufgebunden wird. Das bedeutet eine Erhöhung der Isolierungsdicke
und eine Verlängerung des Kriechweges, so daß die Nutteile schließlich wie üblich
eine dickere Isolierung haben als die Spulenköpfe, jedoch ohne eine zusätzliche
Lage Isolierband. Nachdem die flache Spule so isoliert wurde, wird sie mit ihren
geraden Teilen in eine beheizte Presse eingelegt, erwärmt, auf das vorgeschriebene
Maß
gepreBt und abgekühlt (Formstabilisierung).
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Schließlich wird die flache Spule in eine der bisher verwendeten Spulenspreiz-
und -formmaschinen eingelegt, in der sie unter Weglassen des Spreizens an den formstabilisierenden
geraden Teilen gefaßt und in ihre endgültige räumliche Form gebracht wird.
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Durch den Wegfall des Spreizens werden starke Verformungen und dadurch
hervorgerufene Beschädigungen vermieden. Auf den Hauptvorteil, das optimale Isolieren
mittels Einbindemaschine bei flacher Spulenform, wurde bereits hingewiesen0 Die
horizontal rotierende Wickelschablone besteht aus zwei verbundenen hölzernen Hälften,
jede für eine Spulenseite. Sie besitzen je eine radiale und eine axiale Führung
für den Wickeldraht. Beide Hälften sind axial versetzt zueinander. Die rechte' hat
die axiale Führung links, die linke rechts. Der Versatz ist nur so groß, daß er
an den axialen Führungsflächen im Falle der beispielweise erläuterten Ganzformspule
50 mm beträgt. An den Spulenköpfen lassen die beiden Schablonenhälften tangential
100 mm für die Bildung des wendelförmigen Bereiches des Spulenkopfes frei. Der Antrieb
der Schablone schwenkt auch die schlitzförmige Drahtführung, die.aus zwei zueinander
senkrechten Rollenpaaren besteht.
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Diese Wickelvorrichtung ist nicht viel komplizierter als die für die
üblichen Nadel- oder Fischformspulen und ermöglicht somit ohne wesentlichen Mehraufwand
die Herstellung der erfindungsgemäßen Ganzformspule.