DE69710406T2

DE69710406T2 - Wickelverfahren für Windungen in radialen Schichten

Info

Publication number: DE69710406T2
Application number: DE69710406T
Authority: DE
Inventors: Aime Paucher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: FR2754380A1; EP0836205B1; NO974575L; CN1182945A; BR9704989A; CN1129152C; AU728385B2; NO974575D0; AU3995697A; ES2173410T3; EP0836205A1; JPH10116747A; FR2754380B1; US5931405A; CA2217544A1; DE69710406D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einer elektrischen Wicklung, deren Windungs-Schichten bzw. -Lagen radial sind und abwechselnd von innen nach außen und von außen nach innen gewickelt sind. Eine derartige Wicklung ist in DE-A-12 39 016 beschrieben.
Bei der Verwendung derartiger Wicklungen in Hochspannungsanwendungen, beispielsweise in Transformatoren, besitzen sie den Vorteil, daß sie keinerlei Isolation zwischen den Windungslagen benötigen. Dieses Ergebnis wird dank der Tatsache erzielt, daß benachbarte Windungen zweier aufeinanderfolgender Schichten voneinander nur durch eine geringe Anzahl von Windungen getrennt sind, derart daß sie nur einem verhältnismäßig niedrigen Potentialunterschied unterliegen, der keine Zwischenlagerung einer Isolierung zwischen den beiden Schichten erforderlich macht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Wickelverfahrens für derartige Wicklungen mit radialen Schichten, das besonders einfach umzusetzen und durchzuführen ist.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Verfahrens, das mit Hilfe einer einzigen Vorrichtung die Herstellung von Wicklungen mit variablen Innen- und Außendurchmessern gestattet.
Diese Ziele werden gemäß der Erfindung erreicht durch ein Verfahren zum Wickeln von Windungen in radialen Schichten bzw. Lagen, die abwechselnd von außen nach innen und von innen nach außen gewickelt sind. Zum Wickeln einer Schicht von außen nach innen umfaßt das Verfahren die Schritte bzw. Stufen, welche bestehen in: Bilden der Schicht um einen Kern herum, mit einem Innendurchmesser der Schicht, der größer als der Durchmesser des Kerns ist; sowie Ausüben eines Zugs auf die Innenwindung zum Festziehen der Schichtlage auf dem Kern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Schicht unter Ausübung eines axialen Preßdrucks auf die Windungen während ihres Wickelns gebildet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das Verfahren des weiteren die folgenden Schritte bzw. Stufen umfaßt: Die folgende Schicht wird direkt um den Kern von innen nach außen gewickelt, unter Ausübung eines Preßdrucks auf die freiliegende Außen- bzw. Stirnseite dieser Schicht; die Schichten werden axial um zwei Schichtdicken verschoben; die letzte Schicht wird am Umfang gehalten unter Bildung einer Stützfläche für eine neue Schicht; und die neue Schicht wird von außen nach innen gewickelt gebildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens, wobei die Vorrichtung umfaßt: einen radialen Ring, welcher den Kern umgibt und mit diesem einen Wickelraum einer laufenden Schichtlage definiert; radiale Walzen, welche sich bis zum Kern erstrecken und gegen die Oberseite des Radialrings vorgespannt sind; radiale Klötze, die zwischen einer Stellung in Berührung mit dem Kern und einer eingefahrenen bzw. eingezogenen Stellung verschieblich sind, wobei diese Klötze bezüglich der Oberseite des Radialrings abwärts um eine Strecke zwischen einer und zwei Schichtdicken verschoben bzw. versetzt sind; und Mittel zum Anheben des Rings relativ bezüglich dem Kern um zwei Schichtdicken.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der Radialring den Walzen zugeordnete einziehbare Plattformen aufweist, um die Absenkung der Walzen zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Drahtzufuhrvorrichtung zur Beschickung der in Wicklung befindlichen Windungen auf dem Niveau einer der Walzen aufweist, und daß die Drahtzufuhrvorrichtung wahlweise die Ausübung eines Zugs oder eines axialen Drucks auf den Draht gestattet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Walzen konisch ausgebildet sind, wobei ihr größerer Durchmesser sich auf der Seite des Kerns befindet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Walzen feststehend und das Aggregat aus Radialring, Klötzen und Kern drehbar angeordnet sind.
Diese und weitere Ziele, Gegenstände, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung spezieller, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren im einzelnen dargelegt; in der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der Wickelvorrichtung, welche die Ausführung des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens gestattet,
Figg. 2A bis 2F jeweils geschnittene Teilseitenansichten der Vorrichtung aus Fig. 1, in aufeinanderfolgenden Stufen bzw. Stadien des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens.
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens beruht auf der Herstellung der gewickelten Schichten bzw. Lagen von außen nach innen. Zur Herstellung einer derartigen Schichtlage gemäß der Erfindung beginnt man mit dem Wickeln von außen nach innen, ausgehend von einem Außendurchmesser, der größer als der Außendurchmesser der späteren Wicklung ist. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß man auf die jeweilige Windung während ihres Wickelns einen axialen Preßdruck ausübt, derart daß die Schichtlage als Ganzes sich zu vergrößern sucht. Sobald die Anzahl von Windungen der Schichtlage erreicht ist, ist der Innendurchmesser der Schichtlage unvermeidlich größer als der Durchmesser des Kerns der späteren Wicklung. Sodann übt man auf die letzte Windung, d. h. die Innenwindung, einen Zug aus, um die Schichtlage als Ganzes auf dem Kern festzuziehen, wobei dieser Kern einen beliebigen Querschnitt und einen beliebigen Durchmesser besitzen kann.
Die Figg. 1 und 2A zeigen in Draufsicht bzw. in geschnittener Teilseitenansicht eine Ausführungsform der Wickelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Kern 10 der späteren Wicklung ist im wesentlichen im Zentrum eines radialen Kreisrings 12 angeordnet. Der Raum zwischen dem Kern 10 und diesem Ring 12 ist zur Aufnahme einer Schichtlage 14 während des Wickelvorgangs bestimmt.
Der Innendurchmesser des Kreisrings bestimmt somit den maximalen Außendurchmesser der Wicklung.
Die Oberseite der Schichtlage 14 wird durch radiale Walzen 16 (von welchen nur drei dargestellt sind) gehalten, die gegen die Oberseite des Kreisrings 12 vorgespannt sind und gegen den Kern 10 anliegen. Diese Walzen 16 sind axial verschieblich, um den Durchmesser des Kerns 10 variieren zu können. Der Wicklungsdraht 14-1 wird tangential unter einer der Walzen 16 zugeführt. Zur leichteren Einführung des Drahts 14-1 kann man vor der Walze, welcher der Draht zugeführt wird, einen von Walzen freien Abschnitt vorsehen.
An ihrer Unterseite wird die Schichtlage 14 durch radiale Unterlageklötze 18 gehaltert, welche in regelmäßigen Abständen um den Kern 10 herum unter dem Kreisring 12 verteilt sind. Diese Klötze 18 sind jeweils zwischen einer Stellung in Berührung mit dem Kern 10 und einer eingezogenen oder eingefahrenen Stellung verschieblich, in welcher sich das innere Ende des Klotzes sich im wesentlichen auf dem Niveau des Innendurchmessers des Kreisrings 12 befindet. Der Hub dieser Klötze 18 und der Walzen 16 bestimmt den Mindestdurchmesser des Kerns 10.
Das Aggregat aus Kreisring 12, Kern 10 und Klötzen 18 kann zur Drehung um die Achse des Kerns angetrieben werden, während die Walzen 16 stationär-fest sind. Wie dargestellt, sind die Walzen 16 vorzugsweise konisch, wobei ihr größerer Durchmesser sich auf der Seite des Kerns 10 befindet. Die Walzen 16 werden sodann schräg geneigt, um eine horizontale Stütz- bzw. Halterungsebene für die gewickelte Lage 14 zu bieten. Daraus folgt, daß die Berührungszone zwischen jeweils jeder Walze 16 und dem Kern 10 sich auf einen Punkt verringert, was die Reibung vermindert.
Der Ring 12 weist Plattformen 20 auf, die durch eine Drehung des Rings 12 in Übereinstimmung mit den Walzen 16 gebracht werden können. Diese Plattformen 20 sind nach unten einziehbar, um die Walzen 16 bis auf die Ebene der Klötze 18 absenken zu können.
Wie beispielshalber dargestellt, ist der Draht 14-1 rechteckig oder quadratisch. Diese Querschnittswahl wird vorgezogen, da sie die Regelung bzw. Einstellung der Vorrichtung in Abhängigkeit vom Drahtquerschnitt erleichtert. Tatsächlich kann der die Walzen 16 von den Klötzen 18 trennende Abstand dann frei zwischen dem Ein- und Zweifachen der Drahthöhe eingestellt werden. Man kann dann mit einer einzigen Einstellung Drähte mit einer zwischen dem einfachen und dem doppelten Wert variablen Höhe wickeln.
Bei kreisförmigem Querschnitt des Drahts muß die Höhe der Klötze 18 so eingestellt werden, daß der Abstand zwischen den Klötzen und den Walzen 16 im wesentlichen gleich dem Drahtdurchmesser ist, um zu vermeiden, daß die Windungen ein und derselben Lage sich nicht übereinanderschieben. Zur leichteren Wickelverarbeitung eines Drahts mit kreisförmigem Querschnitt wird der Draht vorzugsweise gewalzt, derart daß er zur Wickelachse parallele Abflachungen aufweist, was das erwähnte Übereinanderschieben verhindert.
Die Figg. 1 und 2A veranschaulichen eine erste Verfahrensstufe beim Wickeln einer ersten Schichtlage von außen nach innen. Die Walzen 16 liegen in Kontakt gegen die Oberseite des Rings 12 an und die Klötze 18 stehen in Anlage gegen den Kern 10. Der Ring 12 (sowie die Klötze 18 und der Kern 10) werden in Drehung versetzt, beispielsweise im Uhrzeigersinn. Eine nicht dargestellte Vorrats- und Zufuhrvorrichtung führt den Draht 14-1 mit einem bestimmten axialen Preßdruck P im Sinne der Drehrichtung des Rings 12 zu. Dieser Druck P ist so gewählt, daß die jeweils in Wicklung befindlichen Windungen sich vom Kern 10 zu entfernen suchen. Somit sucht die erste Windung sich gegen den Innendurchmesser des Rings 12 anzulegen, und jede folgende Windung ist, wie dargestellt, bestrebt, sich gegen die Innenseite der vorhergehenden Windung anzulegen.
Sobald die gewünschte Zahl von Windungen erreicht ist, weist die eben gewickelte Schichtlage normalerweise einen Innendurchmesser größer als der Kerndurchmesser auf.
Die in Fig. 2B veranschaulichte nächste Verfahrensstufe besteht darin, daß man auf den Draht 14-1 einen Zug T ausübt, bis die eben gewickelte Schicht sich auf dem Kern 10 festzieht. Die Ausübung dieses Zugs T erfolgt vorzugsweise dadurch; daß man den Ring 12 anhält und die Vorrats- und Zufuhrvorrichtung in umgekehrter Richtung laufen läßt. Gemäß einer Abwandlung könnte der Zug T auch dadurch erhalten werden, daß man die Vorrats- und Zufuhrvorrichtung bremst, während der Ring 12 weiter umläuft.
Wenn, wie in den Figg. 2A und 2B dargestellt, der Abstand zwischen den Walzen 16 und den Klötzen 18 größer als die Drahthöhe ist, liegen die erhaltenen Windungen im allgemeinen nicht in derselben Ebene. Dies ist jedoch nicht weiter störend, wie weiter unten gezeigt wird.
In Fig. 2C wurde die eben von außen nach innen gewickelte Schichtlage um den Kern 10 festgezogen, und der Ring 12 dreht sich wieder im Uhrzeigersinn. Mangels Platz steigt die in Wicklung befindliche Windung 14-1 über die letzte oder Innenwindung der eben gewickelten Schichtlage und hebt dabei die Walzen 16 an. Tatsächlich sind diese Walzen 16 vertikal gleitend verschieblich und sind elastisch oder einfach durch Schwerkraft nach unten vorgespannt. Somit werden die in Wicklung befindliche Windung und die unmittelbar unter ihr liegende Windung unter dem von den Walzen ausgeübten Druck in Richtung auf die Klötze 18 gedrängt. Die folgenden Wicklungen werden von innen nach außen gewickelt, wobei sie gleichzeitig die Windungen der vorhergehenden Schichtlagen ausrichten.
In Fig. 2D ist die für die zweite Schichtlage gewünschte Windungszahl erreicht. Wie dargestellt, sind die eben gewickelten beiden Schichtlagen vollkommen eben.
In Fig. 2E führt der Ring 12 gegebenenfalls eine Teilumdrehung aus, um Plattformen 20 in Ausrichtung mit den Walzen 16 zu bringen. Sodann werden die Plattformen 20 abgesenkt, während die Klötze 18 ein- bzw. zurückgezogen werden. In der Praxis sind die eben gewickelten Schichtlagen so auf dem Kern 10 festgezogen, daß sie nicht unter der Wirkung der Walzen 16 abwärts gleiten können. Im übrigen wäre eine solche Gleitverschiebung unerwünscht, da hierbei die Gefahr einer Beschädigung der Isolierung der Innenwindungen bestünde. Stattdessen versetzt man den Ring 12 relativ bezüglich dem Kern 10 um die Höhe von zwei Schichtlagen, wie dargestellt. Hierzu wird der Ring 12 angehoben, beispielsweise mittels einer numerisch steuerbaren Hebevorrichtung. Gemäß einer abgewandelten Ausführung könnte der Kern 10 abgesenkt werden, was jedoch den Nachteil einer Verdoppelung des Raumbedarfs der Vorrichtung in der Höhe hätte, da der Kern 10 sich zu beiden Seiten des Rings 12 verschieben müßte.
In Fig. 2F werden die Klötze 18 in Richtung auf den Kern 10 ausgefahren und die Plattformen 20 sodann bis auf ihre anfängliche Stellung angehoben. Die Innenenden der Klötze 18 kommen hierbei gegen die Außenwindung der letzten gewickelten Schichtlage zur Anlage und gewährleisten die Halterung dieser Schicht, die ansonsten die Tendenz hätte, sich aufzuwickeln.
Die Vorrichtung ist sodann in Bereitschaft für die erneute Ausführung der in Fig. 2A veranschaulichten Verfahrensstufe zum Wickeln einer neuen Schichtlage von außen nach innen.
Jede Schichtlage kann mit einem verschiedenen unterschiedlichen Durchmesser ausgeführt werden. Diese Möglichkeit bietet den Vorteil, die Ausbildung von Zwischen-Ausgangsanschlüssen zu ermöglichen, für welche die Gesamtzahl von Windungen nicht ein Vielfaches der Nominalwindungszahl der Schichtlagen ist.
Um die Herstellung einer Schichtlage von kleinerem Durchmesser als die vorhergehende Schichtlage auf dem Niveau der Verfahrensstufe von Fig. 2D zu ermöglichen, wird die Dicke der Klötze 18 kleiner als die Dicke der Schichtlagen gewählt. Die Klötze können dann stets den Außendurchmesser dieser Schichtlage im Verfahrenszustand von Fig. 2F erreichen.
Gemäß einer (nicht dargestellten) vorteilhaften Variante der Vorrichtung ist der Ring 12 kontinuierlich, d. h. nicht mit einziehbaren Keilen bzw. Plattformen 20 versehen. Um dann von der Verfahrensstufe gemäß Fig. 2D zu der von Fig. 2E überzugehen, sieht man ein Aggregat von Preßvorrichtungen vor, welche auf die neu gewickelte Schichtlage drücken, in dem zwischen den Walzen 16, dem Kern 10 und dem Innendurchmesser des Rings 12 definierten Raum. Diese Preßorgane werden gleichzeitig mit den Walzen abgesenkt und setzen ihre Abwärtsbewegung fort, wenn die Walzen 1b zur Anlage gegen die Oberseite des Rings 12 gelangen, um die zuletzt gewickelte Schichtlage auf das Niveau der radialen Klötze 18 in Fig. 2E zu bringen.
Die translatorischen Verschiebungen und Verstellungen der verschiedenen Elemente der Vorrichtung, ausgenommen den Kern 10, werden beispielsweise durch pneumatische Hubvorrichtungen gewährleistet. Die Rotation kann beispielsweise durch einen Gleichstrommotor gewährleistet werden.
In der vorstehenden Beschreibung ist beispielshalber angenommen, daß der Kern 10 kreisförmigen Querschnitt besitzt. Er könnte jedoch beliebigen Querschnitt besitzen.
Für den Fachmann ergeben sich zahlreiche Abwandlungen und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann man gleichzeitig mehrere Drähte parallel wickeln.

Claims

1. Verfahren zum Wickeln von Windungen in radialen Schichten bzw. Lagen, die abwechselnd von außen nach innen und von innen nach außen gewickelt sind,

dadurch gekennzeichnet daß das Verfahren, zum Wickeln einer Schicht bzw. Lage von außen nach innen, die folgenden Schritte bzw. Stufen umfaßt:

- Bilden der Schicht (14) um einen Kern (10) herum, mit einem Innendurchmesser der Schicht, der größer als der Durchmesser des Kerns ist; sowie

- Ausüben eines Zugs (T) auf die Innenwindung zum Festziehen der Schichtlage auf dem Kern.

2. Wickelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht unter Ausübung eines axialen Preßdrucks (P) auf die Windungen (14-1) während ihres Wickelns gebildet wird.

3. Wickelverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren die folgenden Schritte bzw. Stufen umfaßt:

- die folgende Schicht wird direkt um den Kern (10) von innen nach außen gewickelt, unter Ausübung eines Preßdrucks auf die freiliegende Außen- bzw. Stirnseite dieser Schicht;

- die Schichten werden axial um zwei Schichtdicken verschoben;

- die letzte Schicht wird am Umfang gehalten unter Bildung einer Stützfläche für eine neue Schicht; und

- die neue Schicht wird von außen nach innen gewickelt gebildet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Wickelverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:

- einen radialen Ring (12), welcher den Kern (10) umgibt und mit diesem einen Wickelraum einer laufenden Schichtlage (14) definiert;

- radiale Walzen (16), welche sich bis zum Kern erstrecken und gegen die Oberseite des Radialrings vorgespannt sind;

- radiale Klötze (18), die zwischen einer Stellung in Berührung mit dem Kern und einer eingefahrenen bzw. eingezogenen Stellung verschieblich sind, wobei diese Klötze bezüglich der Oberseite des Radialrings abwärts um eine Strecke zwischen einer und zwei Schichtdicken verschoben bzw. versetzt sind;

- Mittel zum Anheben des Rings relativ bezüglich dem Kern um zwei Schichtdicken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialring (12) den Walzen (16) zugeordnete einziehbare Plattformen (20) aufweist, um die Absenkung der Walzen zu ermöglichen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Drahtzufuhrvorrichtung zur Beschickung der in Wicklung befindlichen Windungen auf dem Niveau einer der Walzen (16) aufweist, und daß die Drahtzufuhrvorrichtung wahlweise die Ausübung eines Zugs oder eines axialen Drucks auf den Draht gestattet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (16) konisch ausgebildet sind, wobei ihr größerer Durchmesser sich auf der Seite des Kerns befindet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (16) feststehend und das Aggregat aus Radialring (12), Klötzen (18) und Kern (10) drehbar angeordnet sind.