EP0356498B1 - Verfahren zur herstellung eines eisenkörpers mit einer wicklung zur erzeugung elektromagnetischer felder - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines eisenkörpers mit einer wicklung zur erzeugung elektromagnetischer felder Download PDF

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EP0356498B1
EP0356498B1 EP89902635A EP89902635A EP0356498B1 EP 0356498 B1 EP0356498 B1 EP 0356498B1 EP 89902635 A EP89902635 A EP 89902635A EP 89902635 A EP89902635 A EP 89902635A EP 0356498 B1 EP0356498 B1 EP 0356498B1
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core
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cross
yokes
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    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
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    • Y10T29/4902—Electromagnet, transformer or inductor
    • Y10T29/49073—Electromagnet, transformer or inductor by assembling coil and core

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an iron body with a winding for generating electromagnetic fields according to the preamble of claim 1.
  • Such an iron body describes ZB FR-A-1568360.
  • windings In electrical machine construction, it is known to produce windings from electrically insulated wires and to arrange them in grooves in iron bodies, or else to use the winding for operational purposes without such an iron body. Wires with an essentially circular cross-section are used to produce such windings. To produce the winding, either a device is used as a winding tool, and the winding produced in this way is then inserted into the iron body, or else the iron body is wound directly by directly inserting the wire into its slots.
  • the fill factor of such windings or slots is of the order of magnitude of approx. 65%, i.e.
  • the rest (35%) is essentially air that is trapped in the gusset areas, that of each other adjacent wires can be limited.
  • DE-OS 17 89 162 describes an electrical coil with high density and good thermal conductivity, in which the winding is placed in a press mold and then pressed so strongly over its entire surface or at least over a portion of its length that it is pressed deform the individual wires of the winding.
  • this publication leaves open the question of how this winding or coil should subsequently be inserted into the iron body. It is only mentioned, as it were, in the margin that such coils are provided for motors with pronounced poles, the pole pieces of which can be dismantled in order to use the winding. It is probably difficult, if not impossible, to use such pressed coils in electrical machines with iron bodies that do not have pronounced poles that can be dismantled.
  • the invention now proceeds from this prior art, but advantageously here the corresponding electrical device (iron core with coil) as such or its parts are used directly to achieve the desired high winding density by pressing the winding.
  • the invention solves this problem with those features and measures which are the content and subject of the characterizing part of patent claim 1. Thanks to this proposal, it is possible to increase the filling factor of the winding space or the winding number to 90% and even more. Since, according to the invention, the turns of the coil are pressed and deformed by those parts which are directly parts of the electrical device to be manufactured, it is ensured that the heat loss occurring in the turn during the operational use of the device is optimally dissipated on all sides. In addition, especially when using baked enamel-insulated wires, the winding is sealed off from the atmosphere, so that it is not necessary to additionally soak the winding against such influences.
  • a further feature of the method provides that the winding is heated to approximately 150-300 ° C. before or during the external pressure action for the deformation of the wire cross sections.
  • FIG. 1 shows a cross section through an iron body with a groove in which a winding according to the invention lies; 2-5 schematically illustrate the steps in the process for producing such a winding for a choke coil with a circumferentially closed iron core.
  • a groove 2 of essentially rectangular cross section is arranged in the iron body 1 of an electrical device which is not described and explained here.
  • This groove 2 is expediently lined with an insulating film 4 and in this groove prepared in this way there are now the wires 5 of a winding 3, through which direct or alternating current flows when the electrical device is being used.
  • 1 shows - this is the cross section through such an iron body - the cross sections of the wires forming the winding 3 are formed at least in the area of the slots 2 as more or less regular hexagons, the individual ones being adjacent to one another The flat sides of the wires lie against one another so that these wires or their cross sections form a honeycomb-like pattern.
  • wires with such cross sections are not a problem in itself. However, it is more difficult to arrange wires with such regular hexagonal cross-sections in a groove 2 of an iron body 1 and insert them here in such a way that the desired high fill factor is actually achieved.
  • a choke coil with a closed iron core is used to show those process steps that allow this goal to be achieved, although a copper wire with an essentially circular cross section is used as the starting material for the production of the winding.
  • a so-called baked enamel wire is used.
  • Such baked enamel insulated wires are offered by relevant wire producers for electrical engineering in the trade (baked enamel symposium - innovation and technology in electric motor construction - Berlin - October 1979).
  • a wire spool 3 is wound from the baked enamel wire with a round wire cross section and with the aid of a suitable winding tool, which is shown in cross section in FIG. 2.
  • the longitudinal extent of this wire coil (perpendicular to the plane of the drawing) is greater than its transverse extent (in the plane of the drawing, as shown).
  • the choke coil which is described here and given as an example, has a parallelepiped-shaped iron core 6 and two U-shaped, substantially congruent yokes, which form the outer, circumferentially closed jacket. Choke coils with such a core cross section are known. In the wound coil of FIG.
  • an insulating film 8 is first inserted and then the above-mentioned cuboid iron core 6 is inserted (FIG. 3), the individual components combined here are dimensioned such that this joining of the parts is possible without further difficulty .
  • the iron core can consist of laminated sheets or it can e.g. B. also be a ferrite component or a pressed part.
  • the two U-shaped yokes 7 are then attached to diametrically opposed locations on the iron core 6 and subsequently in the direction of Arrows 9 pressed against each other.
  • the cross section of the winding space of the finished choke coil (Fig. 5) is dimensioned smaller than the cross section of the initially undeformed winding 3 (Fig. 2 or 3), so that by pressing against each other (arrows 9 in Fig. 4) of the components 6 and 7 the winding or the wires of the winding are pressed against one another, which then deform in the manner described above, so that the winding space of the choke reaches a filling factor of 90% or even more (FIG. 5).
  • baked enamel insulated wires are used to manufacture such windings.
  • baked enamel wires have been on the market for a long time and that symposia have already been held on the use of such baked enamel insulated wires in electric motor construction (Berlin - October 1979)
  • the invention relates in particular to windings with wires which have a small cross section, for example in the range of approximately 1 mm 2 or less.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Eisenkörpers mit einer Wicklung zur Erzeugung elektromagnetischer Felder nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
    Einen derartigen Eisen körper beschreibt Z.B. FR-A- 1568360.
  • 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., bezogen 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 werden.
  • 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 Füllfaktorverluste auf, und zwar vor allem am Anfang und am Ende einer jeder Wickellage. Bei Kupferbändern ist zum Aufbringen großer Windungszahlen einschließlich Isolation eine große Wickelhöhe notwendig, um den Füllfaktor hochzuhalten.
    Bei Kupferdrähten, die einen Querschnitt von weniger als 1 mm² 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 abzuleiten, 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 Materialeinsparungen führt. So ist in der DE-OS 17 89 162 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 Motoren mit ausgeprägten Polen vorgesehen sind, deren Polschuhe zerlegt werden können, um die Wicklung einzusetzen. Bei elektrischen Maschinen mit Eisenkörpern, die keine ausgeprägten und zerlegbaren Pole aufweisen, ist es wohl schwierig, wenn nicht gar unmöglich, solche gepreßten Spulen zu verwenden.
  • Die DE-PS 33 47 195 zeigt und beschreibt hingegen verpreßte Wicklungen in Verbindung mit innengenuteten Eisenkörpern (Stator und Rotor von elektrischen Maschinen), 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 ersetzt 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 werden kann?
  • Von diesem Stand der Technik geht nun die Erfindung aus, wobei jedoch hier vorteilhafterweise die entsprechende elektrische Einrichtung (Eisenkern mit Spule) als solche bzw. deren Teile unmittelbar dazu verwendet werden, um durch Verpressen der Wicklung die gewünschte hohe Wicklungsdichte zu erzielen. Diese Aufgabe löst die Erfindung nun mit jenen Merkmalen und Maßnahmen, die Inhalt und Gegenstand des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 sind. Dank dieses Vorschlages ist es möglich, den Füllfaktor des Wicklungsraumes bzw. der Wicklungsnum auf 90 % und sogar mehr zu erhöhen. Da erfindungsgemäß die Windungen der Spule durch jene Teile verpresst und verformt werden, die unmittelbar Teile des 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 Atmosphäre dicht abgeschlossen ist, so daß darauf verzichtet werden kann, die Wicklung 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 Wicklung vor bzw. während der äußeren Druckeinwirkung zur Verformung der Drahtquerschnitte 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 elektrischen Gerätes ist eine Nut 2 von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt angeordnet. Diese Nut 2 ist zweckmäßigerweise mit einer Isolierfolie 4 ausgekleidet 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 durchflossen 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 benachharten 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 Querschnittsform 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 technischen 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 Sechskantquerschnitten so regelmäßig in einer Nut 2 eines Eisenkörpers 1 anzuordnen und hier einzulegen, 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. Verwendet wird ein sogenannter Backlackdraht. Solche backlackisolierte Drähte werden von einschlägigen Drahterzeugern für den Elektromaschinenbau im Handel angeboten (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 Drahtspule (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 quaderförmigen Eisenkern 6 sowie zwei U-förmige, im wesentlichen deckungsgleiche Joche, die den äußeren, umfangsgeschlossenen Mantel bilden. Drosselspulen mit einem solchen Kernquerschnitt 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 bemessen, daß dieses Zusammenfügen der Teile ohne weitere Schwierigkeit möglich 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 liegenden Stellen am Eisenkern 6 angesetzt und in der Folge in Richtung der Pfeile 9 gegeneinander gedrückt. Der Querschnitt des Wickelraumes der fertigen Drosselspule (Fig. 5), ist dabei kleiner bemessen als der Querschnitt der vorerst unverformten 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 beschriebenen Weise verformen, so daß der Wickelraum der Drossel einen Füllfaktor 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 gehalten werden, wenn die Wicklung 3 vor bzw. während dieser Druckeinwirkung erhitzt wird, beispielsweise auf 200 - 300 °C. Dadurch erweicht die Backlackisolierung, 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 erforderlich sind, wurde schon oben erwähnt. Dazu im einzelnen konkrete Größenwerte anzugeben, ist nicht ohne weiteres möglich, da die Größe dieser Kräfte abhängig 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 Drähte 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 veröffentlicht worden sind. Die Erfindung bezieht sich vor allem auf Wicklungen mit Drähten, die einen kleinen Querschnitt haben, beispielsweise im Bereich von ca. 1 mm² oder weniger.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Eisenkörpers mit einer Wicklung (3) zur Erzeugung elektromagnetischer Felder für Transformatoren, Drosseln oder Relais, wobei der Eisenkörper einen im wesentlichen quaderförmigen Eisenkern (6) aufweist und paarweise vorgesehene, einen Abschnitt der Wicklung (3) aufnehmende, U-förmige Eisenjoche (7), zwischen deren Schenkel der Eisenkern (6) eingeschoben ist und die Wicklung (3) aus einer Vielzahl neben- und übereinander liegender Windungen aus einen elektrisch isolierten Draht von im wesentlichen kreisrunden Querschnitt gefertigt wird und anschließend auf die so gefertigte Wicklung (3) bzw. auf Abschnitte derselben mit einer so großen Kraft (9) quer zur Längserstreckung der die Wicklung (3) bildenden Drähte eingewirkt wird, daß sich diese plastisch verformen und sich ein Querschnitt durch einen solchen Windungsabschnitt als wabenartiges Muster darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß in die vorerst unverformte Drähte aufweisende Wicklung (3) der Eisenkern (6) eingelegt und anschließend die U-förmigen Eisenjoche (7) aufgeschoben und mit dem Kern (6) verbunden werden, und dabei Kern (6) und Joche (7) so weit gegeneinander geschoben werden, daß die Querschnittsfläche der vom Kern (6) und den Jochen (7) begrenzten Nut bzw. des Wicklungsraumes kleiner wird als die Querschnittsfläche des vorerst unverformten, von der Nut bzw. dem Wickelraum des aus Kern (6) und Jochen (7) gebildeten Eisenkörpers aufgenommenen Abschnittes der Wicklung, (3) wobei der Kern (6) und die Joche (7) mit einer so großen Kraft (9) gegeneinander gedrückt werden, daß die ursprünglich kreisrunden Querschnitte der die Wicklung (3) bildenden Drähte über die Länge der sie aufnehmenden Nut bzw. des sie aufnehmenden Wicklungsraumes sich wabenartig und bleibend verformen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung der Wicklung (3) ein Draht mit einer Backlackbeschichtung verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (3) vor bzw. während der Druckeinwirkung auf ca. 150 - 300° C erwärmt wird.
EP89902635A 1988-01-27 1989-01-23 Verfahren zur herstellung eines eisenkörpers mit einer wicklung zur erzeugung elektromagnetischer felder Expired - Lifetime EP0356498B1 (de)

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