EP0356498A1 - Verfahren zur herstellung eines eisenkörpers mit einer wicklung zur erzeugung elektromagnetischer felder. - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung eines Eisenkorpers mit einer Wicklung zur Erzeugung elektromagnetischer Felder

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Eisenkörper mit einer Wicklung zur Erzeugung elektromagnetischer Felder nach dem Oberbegri des Patentanspruches 1.

Im Elektromaschinenbau ist es bekannt, Wicklungen aus elektrisch isolierten Drähten anzufertigen und diese in Nuten von Eisenkörpern anzuordnen, oder aber auch die Wicklung ohne einen solchen Eisenkörper betriebsmäßig zu nutzen. Für die Herstellung solcher Wicklungen werden Drähte mit einem im wesentlichen kreisrunden Querschnitt verwendet. Zur Herstellung der Wicklung dient entweder eine Vorrichtung als Wickelwerkzeug, und die so gefertigte Wicklung wird dann in den Eisenkörper eingefügt oder aber, der Eisenkörper wird direkt bewickelt, indem in seine Nuten der Draht direkt eingelegt wird. Der Füllfaktor solcher Wicklungen bzw. Nuten liegt in der Größenordnung von ca. 65 %, d. h., bezoqen auf die Querschnittsfläche der Nut bzw. der Wicklung, es sind 65 % von den Querschnitten der die Wicklung bildenden Drähte eingenommen, der Rest (35 %) ist im wesentlichen Luft, die in den Zwickelbereichen eingeschlossen ist, die von den aneinander anliegenden Drähten begrenzt werd.n.

Es ist auch im Elektromaschinenbau (Motoren, Generatoren, Transformatoren für die Energieversorgung) bekannt, im Querschnitt rechteckige Kupferdrähte oder Kupferbänder zu verwenden. Hier liegen große Kupferquerschnitte und große Wickelbreiten vor. Bei den Drähten mit Rechteckquerschnitten treten große Füll¬ faktorverluste auf, und zwar vor allem am Anfang und am Ende einer jeder Wickel lage. Bei Kupferbändern ist zum Aufbringen großer Windungszahlen einschlie߬ lich Isolation eine große Wickelhöhe notwendig, um den Füllfaktor hochzuhalten. ? Bei Kupferdrähten, die einen Querschnitt von weniger als 1 mm" aufweisen, ist das Verlegen von Formdrähten schwierig.

Es liegt im steten Bemühen eines Elektromaschinenbauers, in einem vorgegebenen Raum, sei es eine Nut, sei es ein Wicklungsraum, möglichst viel Windungskupfer anzubringen, denn je größer der Kupferquerschnitt pro Flächeneinheit, umso geringer ist die Verlustleitung, umso kleiner kann das Gerät gebaut werden, umso leichter und rascher und mit geringerem Aufwand ist die Verlustwärme abzu¬ leiten, umso geringer wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Kupfer der Wicklung und dem Mantel des Gerätes, wodurch wiederum die Einrichtungen zur Kühlung des Gerätes vereinfacht werden können und das Gerät selbst kann aus diesen Gründen auch kleiner gebaut werden, was andererseits wieder zu Materia¬ leinsparungen führt. So ist in der DE-OS 1789 162 eine elektrische Spule mit großer Dichte und guter thermischer Leitfähigkeit erläutert, bei welcher die Wicklung in eine Preßform eingelegt und dann über ihre ganze Oberfläche oder zumindest über einen Abschnitt ihrer Länge so stark verpreßt wird, daß sich die einzelnen Drähte der Wicklung verformen. Diese Druckschrift läßt jedoch offen, wie in der Folge diese Wicklung bzw. Spule in den Eisenkörper eingesetzt werden soll. Es ist nur sozusagen am Rande erwähnt, daß solche Spulen für Moto¬ ren mit ausgeprägten Polen vorgesehen sind, deren Polschuhe zerlegt werden kön- nen, um die Wicklung einzusetzen. Bei elektrischen Maschinen mit Eiseπkörpern, die keine ausgeprägten und zerlegbaren Pole aufweisen, ist es wohl schwierio, wenn nicht gar unmöglich, solche gepreßten Spulen zu verwenden.

Die DE-PS 3347 195 zeigt und beschreibt hingegen verpreßte Wicklungen in Ver¬ bindung mit innengenuteten Eisenkörpern (Stator und Rotor von elektrischen Mas- chinen), wobei, um hier einen ausreichenden Füllfaktor zu erreichen, aufwendige Hilfseinrichtungen notwendig sind. In der Beschreibung ist zwar vermerkt, daß diese Hilfseinrichtung durch die "Finger" der die Spule einsetzenden Person er¬ setzt werden könnten. Dies scheint wohl eine zweifelhafte Methode zu sein, da nicht feststellbar ist, wie über eine lange Nutenstrecke mit den Fingern der für das Verpressen solcher metallischer Drähte notwendige Druck aufgenommen wer den kann?

Von diesem Stand der Technik geht nun die Erfindung aus, wobei jedoch hier vor teilhafterweise die entsprechende elektrische Einrichtung (Eisenkern mit 5Dule als solche bzw. deren Teile unmittelbar dazu verwendet werden, um durch Verpre sen der Wicklung die gewünschte hohe Wicklungsdichte zu erzielen. Diese Aufgab löst die Erfindung nun mit jenen Merkmalen und Maßnahmen, die Inhalt und Gegen stand des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 sind. Dank dieses Vor¬ schlages ist es möglich, den Füllfaktor des Wicklungsraumes bzw. der Wicklungs num auf 90 % und sogar mehr zu erhöhen. Da erfindungsgemäß die Windungen der Spule durch jene Teile verpresst und verformt werden, die unmittelbar Teile de herzustellenden elektrischen Gerätes sind, ist gewährleistet, daß die in der Windung bei der betriebsmäßigen Verwendung des Gerätes anfallende Verlustwärme allseitig optimal abgeleitet wird. Außerdem wird vor allem bei der Verwendung von backlackisolierten Drähten erreicht, daß die Wicklung gegenüber der Atmo¬ sphäre dich- abgeschlossen ist, so daß darauf verzichtet werden kann, die Wick lung zusätzlich gegen solche Einflüsse zu tränken.

Um die zur Verformung der Drahtquerschnitte notwendigen Kräfte gering halten zu können, ist nach einem weiteren Verfahrensmerkmal vorgesehen, daß die Wick¬ lung vor bzw. während der äußeren Druckeinwirkung zur Verformung der Drahtquer schnitte auf ca. 150 - 300 °C erhitzt wird.

Die Zeichnung und die nachfolgende Beschreibung veranschaulichen die Erfindung. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Eisenkörper mit einer Nut, in welcher eine erfindungsgemäße Wicklung liegt; die Fig. 2 - 5 veranschaulichen schematisch die Arbeitsschritte beim Verfahren zur Herstellung einer solchen Wicklung für eine Drosselspule mit einem umfangsgeschlossenen Eisenkern.

Im Eisenkörper 1 eines hier nicht näher beschriebenen und erläuterten elektri- sehen Gerätes ist eine Nut 2 von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt an¬ geordnet. Diese Nut 2 ist zweckmäßigerweise mit einer Isolierfolie 4 ausgeklei¬ det und in dieser so vorbereiteten Nut liegen nun die Drähte 5 einer Wicklung 3, die beim betriebsmäßigen Einsatz des elektrischen Gerätes von Gleich- oder Wechselstrom durchflössen ist. Wie Fig. 1 zeigt - es handelt sich hier um den Querschnitt durch einen solchen Eisenkörper - sind die Querschnitte der die Wicklung 3 bildenden Drähte zumindest im Bereich der Nuten 2 als mehr oder weniger regelmäßige Sechsecke ausgebildet, wobei die einzelnen, einander be- nachbarten Drähte mit ihren flachen Seiten aneinander anliegen, so daß diese Drähte bzw. deren Querschnitte ein wabenartiges Muster bilden. Die Fig. 1 macht deutlich, daß durch eine solche Querschπittsform der Wicklungsdrähte ein außerordentlich hoher Füllfaktor erzielt werden kann, der, wie bisherige Erfahrungen zeigen, in der Regel größer als 90 % ist, so daß gegenüber den bisher bekannten Maßnahmen der Füllfaktor um 25 - 40 % vergrößerbar ist. Das ist ein Drittel des ursprünglichen Wertes und dieser Betrag macht den techni¬ schen Fortschritt sichtbar, der durch die Erfindung erzielt werden kann.

Die Herstellung von Drähten mit solchen Querschnitten ist ansich kein Problem. Schwieriger ist es jedoch, Drähte mit solchen regelmäßigen Sechskantquerschπit- ten so regelmäßig in einer Nut 2 eines Eisenkörpers 1 anzuordnen und hier ein¬ zulegen, daß der angestrebte hohe Füllfaktor tatsächlich erzielt wird. Um dies zu erreichen, werden im folgenden anhand einer Drosselspule mit geschlossenem Eisenkern jene Verfahrensschritte aufgezeigt, die dieses Ziel erreichen lassen, obgleich als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Wicklung ein Kupferdraht mit im wesentlichen kreisrunden Querschnitt wie bislang verwendet wird. Verwen¬ det wird ein sogenannter Backlackdraht. Solche backlackisolierte Drähte werden von einschlägigen Drahterzeugern für den Elektromaschinenbau im Handel angebo¬ ten (Backlack-Symposium - Innovation und Technologie im Elektromotorenbau - Berlin - Oktober 1979).

Vorerst wird aus dem erwähnten Backlackdraht mit rundem Drahtquerschnitt und mit Hilfe eines geeigneten Wickelwerkzeuges eine Drahtspule 3 gewickelt, die in Fig. 2 im Querschnitt dargestellt ist. Die Längserstreckung dieser Draht¬ spule (rechtwinkelig zur Zeichenebene) ist größer als ihre Quererstreckung (in der Zeichenebene, wie dargestellt). Die Drosselspule, die hier beschrieben und als Beispiel angeführt wird, besitzt einen quadεrförmigen Eisenkern 6 so¬ wie zwei U-förmige, im wesentlichen deckungsgleiche Joche, die den äußeren, umfangsgeschlossenen Mantel bilden. Drosselspulen mit einem solchen Kernquer¬ schnitt sind bekannt. In die gewickelte Spule nach Fig. 2 wird vorerst eine Isolierfolie 8 eingelegt und dann wird der erwähnte, quaderförmige Eisenkern 6 eingefügt (Fig. 3), die einzelnen, hier vereinigten Bauteile sind so bemes¬ sen, daß dieses Zusammenfügen der Teile ohne weitere Schwierigkeit mög_.ich ist. Der Eisenkern kann aus lamellierten Blechen bestehen oder er kann z. B. auch ein Ferritbauteil sein oder ein Preßteil.

Nachdem die gegenüber der Wicklung oder Spule 3 vorstehenden Streifen der Isolierfolie 8 umgeschlagen worden sind (siehe strichlierte Linie in Fig. 3), werden anschließend die beiden U-förmigen Joche 7 aneinander diametral liegen- den Stellen am Eisenkern 6 angesetzt und in der Folge in Richtung der Pfeile 9 gegeneinander gedrückt. Der Querschnitt des Wickelraumes der fertigen Dros¬ selspule (Fig. 5), ist dabei kleiner bemessen als der Querschnitt der vorerst unverfor ten Wicklung 3 (Fig. 2 oder 3), so daß durch das Gegeneinanderpressen (Pfeile 9 in Fig. 4) der Bauteile 6 und 7 die Wicklung bzw. die Drähte der Wicklung gegeneinander gepreßt werden, die sich dann in der vorstehend be¬ schriebenen Weise verformen, so daß der Wickelraum der Drossel einen Füllfak¬ tor von 90 % oder sogar mehr erreicht (Fig. 5).

Für diese Verformung der Drähte bzw. der Drahtquerschnitte sind erhebliche Drücke aufzubringen. Diese Drücke können etwas verringert und kleiner gehal- ten werden, wenn die Wicklung 3 vor bzw. während dieser Druckeinwirkung er¬ hitzt wird, beispielsweise auf 200 - 300 °C. Dadurch erweicht die Backlack¬ isolierung, die dann die Funktion eines Schmiermittels übernimmt und auch der Kupferdraht ist bei diesen Temperaturen leichter zu verformen.

Daß für die Verformung der Querschnitte der Drahtwicklung hohe Kräfte erfor- derlich sind, wurde schon oben erwähnt. Dazu im einzelnen konkrete Größenwer¬ te anzugeben, ist nicht ohne weiteres möglich, da die Größe dieser Kräfte ab¬ hängig ist von der Größe der zu verformenden Wicklung und auch von der Höhe der jeweils eingesetzten Arbeitstemperatur.

Daß für die Herstellung solcher Wicklungen backlackisolierte Drähte verwendet werden, wurde schon gesagt. In Hinblick darauf, daß solche Backlackdrähte seit langem im Handel sind und über die Verwendung solcher backlackisolierten Dräh¬ te im Elektromotorenbau bereits Symposien abgehalten worden sind (Berlin - Oktober 1979), erscheint es hier nicht erforderlich zu sein, die Eigenschaften dieser Backlackisolierungen für Drähte hier im einzelnen zu erörtern. Es kann hier auf die Referate verwiesen werden, die anlässlich des Backlack-Symposiums in der Kongreßhalle Berlin im Oktober 1979 gehalten und in der Folge veröffent- licht worden sind. Die Erfindung bezieht sich vor allem auf Wicklungen mit

Drähten, die einen kleinen Querschnitt haben, beispielsweise im Bereich von

2 ca. 1 mm oder weniger.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Herstellung eines Eisenkörpers mit einer Wicklung zur Erzeu¬ gung elektromagnetischer Felder für Transformatoren, Drosseln oder Relais und der Eisenkörper einen im wesentlichen quaderförmigen Eisenkern aufweist und mindestens ein einen Abschnitt der Wicklung aufnehmendes, U-förmiges Ei- senjoch, zwischen dessen Schenkel der Eisenkern eingeschoben ist und die

Wicklung aus einer Vielzahl neben- und übereinander liegender Windungen aus einem elektrisch isolierten Draht von im wesentlichen kreisrunden Querschnit gefertigt wird und anschließend auf die so gefertigte Wicklung bzw. auf Ab¬ schnitte derselben mit einer so großen Kraft quer zur Längserstreckung der die Wicklung bildenden Drähte eingewirkt wird, daß sich ein Querschnitt durc einen solchen Windungsabschnitt als wabenartiges Muster darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß in die vorerst unverformte Drähte aufweisende Wicklung der Eisenkern eingelegt und anschließend das U-förmige Eisenjoch aufgescho¬ ben und mit dem Kern verbunden wird, und dabei Kern und Joch so weit gegen- einander geschoben werden, daß die Querschnittsfläche der von Kern und Joch begrenzten Nut bzw. des Wicklungsraumes kleiner wird als die Querschnitts fläche des vorerst unverformten, von der Nut bzw. dem Wickelraum des aus Kern und Joch gebildeten Eisenkörpers aufgenommenen Abschnittes der Wick¬ lung, wobei Kern und Joch mit einer so großen Kraft gegeneinander gedrückt werden, daß die ursprünglich kreisrunden Querschnitte der die Wicklung bil¬ denden Drähte über die Länge der sie aufnehmenden Nut bzw. des sie aufneh¬ menden Wicklungsraumes sich bleibend verformen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung der Wicklung ein Draht mit einer Backlackbeschichtung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung vor bzw. während der Druckeinwirkuno auf ca. 150 - 300° C erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung der Wicklung ein Draht mit einem Querschnitt von ca. 1 mm² oder weniger verwendet wird.