EP1789978B1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer spulenwicklung - Google Patents

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EP1789978B1
EP1789978B1 EP05773971.6A EP05773971A EP1789978B1 EP 1789978 B1 EP1789978 B1 EP 1789978B1 EP 05773971 A EP05773971 A EP 05773971A EP 1789978 B1 EP1789978 B1 EP 1789978B1
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EP
European Patent Office
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winding
conductor
winding layer
conductors
coil
Prior art date
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EP05773971.6A
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English (en)
French (fr)
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EP1789978A1 (de
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Josef Eder
Alexander Grisenti
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Coil Holding GmbH
Original Assignee
Coil Holding GmbH
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Publication date
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Publication of EP1789978B1 publication Critical patent/EP1789978B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—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
    • 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
    • H01F41/04—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 for manufacturing coils
    • H01F41/06—Coil winding
    • H01F41/077—Deforming the cross section or shape of the winding material while winding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—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
    • 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
    • H01F41/04—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 for manufacturing coils
    • H01F41/06—Coil winding
    • H01F41/082—Devices for guiding or positioning the winding material on the former

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coil winding consisting of one or more winding layers of substantially rectangular-shaped conductors or conductor bundles and a winding device for producing a coil winding consisting of one or more winding layers of substantially rectangular-shaped conductors or conductor bundles.
  • the JP 55-163826 A describes the manufacture of a coil for a transformer.
  • rectangular shaped stranded wires or conductor bundles are provided in cross section.
  • the individual stranded wires or conductor bundles are in this case composed of a plurality of individually insulated individual wires.
  • the individual wires coated with electrical insulation are unwound from a plurality of supply reels and supplied to a grouping array, which is provided with a plate having a plurality of structured apertures for the respective individual wires.
  • the individual wires are fed to a bundling device, through which the corresponding group of individual wires receives a rectangular cross-sectional shape, so that a cross-sectionally rectangular conductor bundle is formed.
  • a winding device is provided with a spiral winding body, on which the conductor bundle is wound spirally.
  • a hot air blower is provided, with which the individual wires provided with insulation are heated and glued together by a hot melt process of the insulation introduced in the process. The hot air blower influences the electrical insulation, which is applied to each of the individual wires.
  • the winding body comprises a cylindrical body with spirally extending on the lateral surface boundary webs.
  • the geometric shape of the conductor bundle and the coil ultimately formed therewith are defined by the distance of the guide webs on the winding body and by the bias or tensile force of the winding body relative to the conductor bundle, while the conductor bundle is wound onto the winding body.
  • the achievable coil geometry or dimensional accuracy is unsatisfactory, especially in large-volume bobbins or coil bobbins for electrical energy transmission in energy supply networks.
  • JP 55-163826 discloses the preamble of claims 1 and 3.
  • the basic structure of concentrically arranged one inside, electrically connected in parallel winding layers is known from the prior art, for example, the European patent EP 0 092 018 B1 known.
  • the Figures 1 and 2 show the basic structural design of such winding layers 1 and thus constructed coil windings.
  • the concentric with each other about a common coil central axis 7 arranged winding layers 1, which are made of substantially rectangular shaped conductors or conductor bundles 6, are held together by holding elements 2 at the coil ends, for example, so-called winding stars made of metal or plastic.
  • the retaining elements 2 arranged in the two distal end sections of the coil are held together by a tensioning construction, eg by a plurality of tension elements 3 made of impregnated glass fibers, which are attached along the winding. Between the holding elements 2 and the coil or winding ends are usually especially when the holding elements 2 are electrically conductive, insulation elements 4 attached.
  • the concentrically nested winding layers 1 are in the radial direction preferably by further insulation elements 5, for example, electrically insulating gap strips, distanced to produce vertical gaps for the natural air cooling of the entire reactor winding.
  • the extent to which conductors or conductor bundles 6 of a plurality of insulated individual conductors are used depends on the expected eddy current losses, which must be kept within economic limits.
  • the number of turns of the winding layers 1 and the electrical coils to be manufactured are determined so that both the desired inductance is achieved and the desired current and operating temperature distribution via the winding layers 1 connected in parallel - see Fig. 1 - is achieved. This requirement results in different numbers of turns decreasing predominantly from the inside to the outside for the winding layers 1 connected in parallel.
  • a possible uniform axial voltage gradient in all winding layers 1 and thus the avoidance of significant voltage differences between the opposing turns of adjacent winding layers 1 is ensured by achieving the same heights or the same axial lengths of the individual winding layers 1, ie by maintaining the same possible winding layer heights H. This is achieved by adapting the height GH1, GH2, GH3 of the conductor or conductor bundle 6 measured in the axial direction of the winding layers 1 to the different numbers of turns of the winding layers 1 connected electrically in parallel.
  • the measured in the axial direction of the winding layers 1 height GH1, GH2, GH3 of the conductor or conductor bundle 6 in the individual winding layers 1 is also referred to as a pitch, which defines the dimension of the conductor or conductor bundle 6 in the direction of the winding or coil axis. Due to the number of turns predominantly decreasing from the inner winding layers 1 to the outer winding layers 1, the conductors or conductor bundles 6 in the outer winding layers 1 have larger dimensions in the axial direction.
  • the conductors or conductor bundles 6 of the outer winding layers 1 in a direction parallel to the Spulenl Kunststoffs- or Spulenstoffachse 7 greater heights GH 2, GH3, as the heights GH1 of the conductors or conductor bundles 6 of the inner winding layer 1 of the coil.
  • the adaptation of the axial height GH1, GH2 or GH3 of the conductor or of the conductor bundle 6 to the respectively required conductor or conductor bundle 6 with an approximately or largely rectangular cross-sectional shape is achieved by pressing a round conductor or a cable-shaped conductor material.
  • the increase due to the applied in the sequence, electrical insulation of the conductor or conductor bundle 6 is taken into account in determining the required dimensions.
  • the original conductors to be processed or the conductor bundle strands are formed or pressed onto a substantially rectangular cross-sectional shape with the dimensions calculated in advance.
  • the pressing of the conductor or the conductor bundle is a separate process in the known processes, which is upstream of the actual winding process.
  • the round conductor or the pre-produced conductor bundle runs through several pairs of pinch rollers made of hardened steel.
  • the application of the outer insulation for the conductor or the conductor bundle is integrated into this process. In this case, high-temperature-resistant insulation films and / or impregnable fabric tapes are used.
  • the application of the insulating material takes place immediately after the deformation of the conductor or of the conductor bundle, but in any case before the winding of the preformed conductor or the conductor bundle on a winding material storage drum, where the conductor or the conductor bundle is cached before so - in a later process - electric coils are wound.
  • the processes of pressing the conductor or conductor bundle and applying the external insulation also have manufacturing tolerances that result in a deviation between the actual and the pre-calculated dimensions of the cross-sectional shape. Since the conductors or the conductor bundles have been wound up again after pressing on a winding material storage drum, it can also come through forces that arise in the conductor or conductor bundle during winding, to minor cross-sectional deformation or cross-sectional changes. Finally, for the same reason, even during the actual winding process, i. when winding the winding layers 1, the cross-sectional dimensions of the conductor or the conductor bundle 6 change.
  • the present invention seeks to propose a method and a winding device, can be made more efficient than previously with the coils of the type mentioned, the winding layers are also neither too large contact pressure nor too loose wound.
  • This object is achieved in that the deformation of the conductors or conductor bundles with a deformation device in the substantially rectangular cross section, the insulation of the deformed conductors or conductor bundles and the winding of the conductors or conductor bundles is performed to the desired winding position in a single operation, that an axial Length of an already wound part of the winding layer as an actual value with a target value for the already wound part is continuously or periodically compared that a target pitch for the still-wound part of the winding layer is determined and that the deformation device is set such that the final axial length or Winding layer height of the winding layer corresponds to a desired value or desired value.
  • An advantage resulting from the features of claim 1 is that combining the sub-processes of deforming, insulating and winding the conductors or conductor bundles into a closed integrated process results in a cost and throughput time for the production of electrical windings, in particular those for dry-insulated choke coils without iron core, can be reduced.
  • one advantage is that the insulation materials are mechanically less stressed and thus better protected against damage.
  • a further advantage with regard to increasing the product quality resulting from the method according to the invention is that an at least largely constant contact pressure is used by the continuous control or regulation of the dimensions of the conductor or conductor bundle during the laying of the turns during the winding process can be.
  • the risk of Wicklungs füren can be eliminated by the thermal stress in the subsequent operation of the choke coil.
  • the risk of damage or destruction of the outer insulation for the conductor or the conductor bundle, which was previously present can be minimized or prevented as a result of excessive contact pressure.
  • a winding layer has at least two winding sections with different pitches.
  • winding layers can be realized in which differently stressed parts of the winding are provided with a different insulation or a different insulation thickness.
  • the object of the invention is also achieved by a winding device which has at least one deformation device, at least one device for isolating and at least one automatic or manually operated control device which adjusts the deformation device or via which the deformation device is adjustable such that the final axial Length or winding layer height of the winding layer corresponds to a predetermined value or desired value.
  • control device is designed for the automated or user-assisted change of the setting values of the deformation device during a running winding process.
  • control device is designed for automated or user-assisted variation of the setting values of the device during an ongoing winding process. This also makes it possible to achieve the dimensional setpoint values of the winding layer to be produced sufficiently precisely, in particular if the regulating interventions take place prematurely or continuously or periodically. Likewise, too great variations in the shape of the conductors or conductor bundles can be avoided.
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of the method according to the invention.
  • the process of the production of coils or the processing of the conductor or conductor bundle 6 is framed in the figure by a broken line and denoted by 13. It comprises the steps of the deformation 12 of the conductor or conductor bundle 6, of the insulation 14 and of the winding 15 to the required winding layer 1 or coil winding.
  • the axial length or height of the wound winding layer 1 or coil is continuously or periodically measured by a measuring element 17, wherein at the same time the number of already wound turns is detected by an unillustrated detection or counting member. From these values, a computing element 18 determines an expected actual value 9 of the coil height or axial winding layer height H. This is compared with the setpoint value 8 of the coil height or winding layer height H and a control device 10 calculates therefrom a manipulated variable for an actuator 11 of the deformation device 12.
  • an automated control device 10 it is also possible to provide a manually operated control device 10.
  • a manually operated control device 10 by means of an adjusting device to be changed manually, especially for the forming elements, in particular the pinch rollers of the deformation device 12, a change in the working values and an adjustment or as exact approximation to the desired value 8 of the final winding layer height H can be achieved.
  • the detection of the current actual values for the winding layer height H or for the current pitch GH1, GH2, GH3 can be performed manually, semi-automatically or automatically via suitable sensors.
  • the disturbances, which act on the integrated overall process and thus influence the pitch of the conductors or conductor bundles 6, are in the FIG. 3 denoted by 16.
  • These are in particular tolerances in the adjustment of the shaping elements, in particular the pinch rollers to changes in dimensions by the pressure relief after the squeezing rollers, especially when crushing conductor bundles, tolerances in the application of external insulation and strain forces in the conductor or conductor bundle 6 arise during winding of the winding layer 1 or coil.
  • the latter are inter alia dependent on the geometric dimensions of the conductor or conductor bundle 6 and the winding diameter.
  • the method according to the invention also includes the possibility of realizing different pitches GH1, GH2, GH3 for these sections of the winding layer 1 by specifying target heights for specific winding sections within a winding layer 1. This is particularly useful for the consideration of different external insulation of the conductor or conductor bundle 6 for differently loaded winding sections. So it becomes e.g. simplifies possible to provide the conductors or conductor bundles 6 in the distal Stimendabêten the winding layers 1 with other, in particular with thicker or thicker insulation than the conductor or conductor bundle 6 in the middle portion of a winding layer 1.
  • the change in the strength of the insulation of the Conductor or conductor bundle 6 is taken into account by the method according to the invention in the determination of the desired value 8, whereby the final or final winding layer height H is maintained as accurately as possible even with different insulation structure within a winding layer 1.
  • Fig. 4 1 shows a schematic illustration of a winding device 20 according to the invention.
  • these conductors or conductor bundles successively pass through a device 12 for deformation and a device 14 for insulating the conductors or the conductor bundles 6 before they reach the point 15 wound into a coil form or wound on a bobbin and thus quasi “online” or continuously, ie processed without significant interruptions or intermediate storage to the corresponding winding layers 1 for electric reactors.
  • the processed with the winding device 20 conductor or conductor bundle 6 can be pressed against each other by a pressing device 19 with a certain, largely constant pressure.
  • the winding device 20 makes it possible via the control device 10 an automatically, semi-automatically or manually controlled deformation of the conductor or conductor bundle 6 to be wound depending on the winding layer height H to be achieved without intermediate storage or without taking place between reeling of the conductor or conductor bundle 6 winding layer 1, wherein the adaptation or change of the deformation results of the deformation device 12 takes place during the current winding process, so that the deformation of the conductor or conductor bundle 6 to be processed is integrated into the process for the production of the electrical coil or winding layer 1.
  • the control device 10 may therefore require at least partial interventions or operating procedures by a person or, depending on the integration of various sensors and / or actuators, be more or less automated.
  • winding device 20 it is also possible to involve two or more conductors or conductor bundles 6 in parallel within a rolling layer 1.
  • winding device 20 it is also possible with the winding device 20 according to the invention to simultaneously wind two parallel conductors or conductor bundles 6 or to provide a multiple arrangement of the winding device 20 or its components.
  • Fig. 2 is also to be understood as an example. In particular, only one winding layer 1 or a plurality of winding layers 1 may be formed.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenwicklung bestehend aus einer oder mehreren Wicklungslagen aus im Wesentlichen rechteckig geformten Leitern oder Leiterbündeln sowie eine Wickelvorrichtung zum Herstellen einer Spulenwicklung bestehend aus einer oder mehreren Wicklungslagen aus im Wesentlichen rechteckig geformten Leitern oder Leiterbündeln.
  • Die JP 55-163826 A beschreibt die Herstellung einer Spule für einen Transformator. Um dabei die Dichte der Wicklungsdrähte zu erhöhen, sind im Querschnitt rechteckig geformte Litzendrähte bzw. Leiterbündel vorgesehen. Die einzelnen Litzendrähte bzw. Leiterbündel werden dabei aus einer Mehrzahl von jeweils isolierten Einzeldrähten zusammengesetzt. Im Zuge der Herstellung dieser Leiterbündel werden die mit elektrischer Isolation beschichteten Einzeldrähte von mehreren Vorratsspulen abgewickelt und einem Gruppierungs-Array zugeführt, welches durch eine Platte mit einer Mehrzahl von strukturiert angeordneten Durchbrüchen für die jeweiligen Einzeldrähte versehen ist. Nach diesem Gruppierungs-Array bzw. der entsprechenden Platte mit den Durchbrüchen werden die Einzeldrähte einer Bündelungsvorrichtung zugeführt, durch welche die entsprechende Gruppe aus Einzeldrähten eine rechteckige Querschnittsform erhält, sodass ein im Querschnitt rechteckförmiges Leiterbündel entsteht. Im Anschluss an diese Bündelungsvorrichtung ist eine Wickelvorrichtung mit einem spiralförmigen Wickelkörper vorgesehen, auf welchen das Leiterbündel spiralförmig aufgewickelt wird. Zwischen der Wickelvorrichtung und der Bündelungsvorrichtung ist dabei ein Heißluftgebläse vorgesehen, mit welchem die mit Isolation versehenen Einzeldrähte erhitzt und durch einen dabei eingeleiteten Heißschmelzvorgang der Isolation miteinander verklebt werden. Das Heißluftgebläse beeinflusst dabei die elektrische Isolation, welche auf jedem der Einzeldrähte aufgebracht ist. Im Anschluss an dieses Heißluftgebläse wird das Leiterbündel also auf den Wickelkörper der Wickelvorrichtung spiralförmig aufgewickelt. Der Wickelkörper umfasst dabei einen zylindrischen Körper mit spiralförmig auf der Mantelfläche verlaufenden Begrenzungsstegen. Durch aktives Drehen des Wickelkörpers und durch Erhitzen des Leiterbündels mit dem Heißluftgebläse entsteht dabei ein Leiterbündel mit einem fixierten rechteckigen Querschnitt, wobei die Leiterbündel in die Nuten zwischen den spiralförmig verlaufenden Führungsstegen eingewickelt werden. Nachfolgend wird diese Wicklung vom Wickelkörper der Wickelvorrichtung abgenommen, indem der Wickelkörper rückwärts gedreht und entfernt wird. Dadurch wird eine elektrische Spule mit engem Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Spule geschaffen. Die geometrische Form des Leiterbündels sowie der letztendlich damit gebildeten Spule ist durch den Abstand der Führungsstege auf dem Wicklungskörper und durch die Vorspannung bzw. Zugkraft des Wickelkörpers gegenüber dem Leiterbündel definiert, während das Leiterbündel auf den Wickelkörper aufgewickelt wird. Die damit erzielbare Spulengeometrie bzw. Maßhaltigkeit ist vor allem bei großvolumigen Spulenkörpern bzw. bei Spulenkörpern für die elektrische Energieübertragung in Energieversorgungsnetzen wenig zufriedenstellend.
  • JP 55-163826 offenbart den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.
  • Bei Spulen, insbesondere bei trockenisolierten Drosselspulen ohne Eisenkern mit zwei oder mehreren, unter Freilassung von Spalten, konzentrisch ineinander angeordneten, elektrisch parallel geschalteten zylindrischen Wicklungslagen, ist es bekannt, die Wicklungslagen aus rechteckig geformten Leitern oder Leiterbündeln zu wickeln, wobei die Wicklungslagen unterschiedliche, vorwiegend von innen nach außen abnehmende Windungszahlen aufweisen.
  • Der grundsätzliche Aufbau von konzentrisch ineinander angeordneten, elektrisch parallel geschalteten Wicklungslagen ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise dem Europäischen Patent EP 0 092 018 B1 bekannt. Die Figuren 1 und 2 zeigen den grundsätzlichen konstruktiven Aufbau derartiger Wicklungslagen 1 bzw. damit aufgebauter Spulenwicklungen. Die konzentrisch ineinander um eine gemeinsame Spulenmittelachse 7 angeordneten Wicklungslagen 1, die aus weitgehend rechteckig geformten Leitern oder Leiterbündeln 6 hergestellt sind, werden über Halteelemente 2 an den Spulenenden, beispielsweise so genannte Wicklungssterne aus Metall oder Kunststoff, zusammengehalten. In der Regel werden die in den beiden distalen Endabschnitten der Spule angeordneten Halteelemente 2 über eine Spannkonstruktion, z.B. durch mehrere Zugelemente 3 aus imprägnierten Glasfasern, die entlang der Wicklung angebracht werden, zusammengehalten. Zwischen den Halteelementen 2 und den Spulen- bzw. Wicklungsenden werden üblicherweise vor allem dann, wenn die Halteelemente 2 elektrisch leitend sind, Isolationselemente 4 angebracht. Die konzentrisch ineinander angeordneten Wicklungslagen 1 sind in radialer Richtung bevorzugt durch weitere Isolationselemente 5, beispielsweise elektrisch isolierende Spaltleisten, distanziert, um vertikale Spalte für die natürliche Luftkühlung der gesamten Drosselspulenwicklung zu erzeugen. Inwieweit Leiter oder Leiterbündel 6 aus mehreren isolierten Einzelleitern eingesetzt werden, hängt von den zu erwartenden Wirbelstromverlusten ab, die in wirtschaftlichen Grenzen zu halten sind. Die Windungszahlen der Wicklungslagen 1 bzw. der zu fertigenden, elektrischen Spulen werden so festgelegt, dass sowohl die gewünschte Induktivität erzielt wird als auch die gewünschte Strom- und Betriebstemperaturverteilung über die parallel geschalteten Wicklungslagen 1 - siehe Fig. 1 - erreicht wird. Mit dieser Forderung ergeben sich unterschiedliche, vorwiegend von innen nach außen abnehmende Windungszahlen für die parallel geschalteten Wicklungslagen 1.
  • Ein möglichst gleichmäßiger axialer Spannungsgradient in allen Wicklungslagen 1 und damit die Vermeidung wesentlicher Spannungsdifferenzen zwischen den gegenüberliegenden Windungen benachbarter Wicklungslagen 1 ist durch die Erzielung gleicher Höhen bzw. gleicher axialer Längen der einzelnen Wicklungslagen 1, also durch die Einhaltung möglichst gleicher Wicklungslagenhöhen H sichergestellt. Dies wird durch Anpassung der in axialer Richtung der Wicklungslagen 1 gemessenen Höhe GH1, GH2, GH3 des Leiters oder Leiterbündels 6 an die unterschiedlichen Windungszahlen der elektrisch parallel geschalteten Wicklungslagen 1 erzielt. Die in axialer Richtung der Wicklungslagen 1 gemessene Höhe GH1, GH2, GH3 des Leiters oder Leiterbündels 6 in den einzelnen Wicklungslagen 1 wird auch als Ganghöhe bezeichnet, welche die Abmessung des Leiters oder Leiterbündels 6 in Richtung der Wicklungs- bzw. Spulenachse definiert. Aufgrund der vorwiegend von den inneren Wicklungslagen 1 zu den äußeren Wicklungslagen 1 abnehmenden Windungszahlen, weisen die Leiter oder Leiterbündel 6 in den äußeren Wicklungslagen 1 in Achsrichtung größere Abmessungen auf. Insbesondere weisen die Leiter oder Leiterbündel 6 der äußeren Wicklungslagen 1 in paralleler Richtung zur Spulenlängs- bzw. Spulenmittelachse 7 größere Höhen GH 2, GH3 auf, als die Höhen GH1 der Leiter oder Leiterbündel 6 der inneren Wicklungslage 1 der Spule.
  • Die Anpassung der axialen Höhe GH1, GH2 oder GH3 des Leiters oder des Leiterbündels 6 zum jeweils benötigten Leiter oder Leiterbündel 6 mit annähernd bzw. weitgehend rechteckiger Querschnittsform erfolgt durch Pressen eines Rundleiters oder eines seilförmigen Leitermaterials. Entsprechend der im Zuge der elektrischen bzw. thermischen Auslegung der Drosselspule ermittelten Windungszahlen für die konzentrisch angeordneten Wicklungslagen 1 werden die erforderlichen Abmessungen der Leiter oder der Leiterbündel 6, insbesondere die zuvor erwähnten Ganghöhen GH1, GH2, GH3, berechnet. Der Zuwachs durch die in der Folge aufzubringende, elektrische Außenisolation des Leiters oder Leiterbündels 6 wird bei der Festlegung der erforderlichen Abmessungen berücksichtigt.
  • Nach dem bekannten Stand der Technik werden die zu verarbeitenden, ursprünglichen Leiter oder die Leiterbündelstränge auf eine weitgehend rechteckige Querschnittsform mit den fix vorausberechneten Abmessungen umgeformt bzw. gepresst. Das Pressen des Leiters oder des Leiterbündels ist bei den bekannten Abläufen ein separater Prozess, der dem eigentlichen Wickelprozess vorgelagert ist. Der runde Leiter oder das rund vorproduzierte Leiterbündel läuft dabei durch mehrere Paare von Quetschrollen aus gehärtetem Stahl. In der Regel wird das Aufbringen der Außenisolation für den Leiter oder das Leiterbündel in diesen Prozess integriert. Dabei werden hochtemperaturbeständige Isolationsfolien und/oder imprägnierfähige Gewebebänder verwendet. Die Aufbringung des Isolationsmaterials erfolgt dabei unmittelbar nach der Verformung des Leiters bzw. des Leiterbündels, in jedem Fall aber vor dem Aufwickeln des vorgeformten Leiters oder des Leiterbündels auf eine Wickelmaterial-Vorratstrommel, wo der Leiter bzw. das Leiterbündel zwischengespeichert wird, bevor damit - in einem späteren Prozess - elektrische Spulen gewickelt werden.
  • Wie jeder andere Fertigungsprozess weisen auch die Prozesse des Pressens des Leiters oder des Leiterbündels und des Aufbringens der Außenisolation Fertigungstoleranzen auf, die zu einer Abweichung zwischen den tatsächlichen und den vorausberechneten Abmessungen der Querschnittsform führen. Da die Leiter oder die Leiterbündel nach dem Pressen bislang wieder auf eine Wickelmaterial-Speichertrommel aufgewickelt werden, kann es auch dabei durch Kräfte, die im Leiter oder Leiterbündel beim Aufwickeln entstehen, zu geringfügigen Querschnittsverformungen bzw. Querschnittsveränderungen kommen. Schließlich können sich aus dem selben Grund auch noch beim eigentlichen Wickelprozess, d.h. beim Wickeln der Wicklungslagen 1, die Querschnittsabmessungen des Leiters oder des Leiterbündels 6 verändern. Alle diese Faktoren bzw. Einflüsse, die erst nach dem Pressen des Leiters oder des Leiterbündels 6 die Querschnittsabmessungen verändern können, haben zur Folge, dass u.a. die axialen Wicklungsabmessungen bzw. die axialen Wicklungshöhen H der konzentrischen Wicklungslagen 1 nicht exakt gleich sind. Dies bedeutet, dass es im Betrieb der Drosselspulen zu elektrischen Spannungsdifferenzen zwischen gegenüberliegenden Windungen benachbarter Wicklungslagen 1 kommt. Abweichungen von der vorausberechneten Wicklungslagenhöhe H führen darüber hinaus zu Abweichungen von der gewünschten Strom- bzw. Temperaturverteilung über die parallel geschalteten Wicklungslagen 1.
  • Es ist bisher gängige Praxis, entweder diese Abmessungstoleranzen trotz der erwähnten Nachteile zu akzeptieren oder diese Toleranzen durch unterschiedlichen Anpressdruck der Windungen während des Wickelvorganges soweit wie möglich auszugleichen. Unter dem Anpressdruck versteht man jene Flächenbelastung, mit der die einzelnen Windungen einer Wicklungslage 1 während des Wickelvorganges über eine Anpressvorrichtung oder mit händischen Presswerkzeugen in Richtung der Spulenmittelachse 7 gegeneinander gedrückt werden. Hat beispielsweise der Leiter oder das Leiterbündel 6 eine zu große axiale Höhe GH 1, GH2, GH3, wird der Anpressdruck erhöht. Weist die axiale Höhe GH1, GH2, GH3 ein Untermaß auf, so wird der Anpressdruck reduziert, d.h. es wird" lockerer" gewickelt. In letzterem Fall kann es im späteren Betrieb der Drosselspule durch die thermische Beanspruchung der Wicklungslagen 1 bzw. der ein- oder mehrlagigen Wicklung zu Setzungen in den betroffenen Wicklungslagen 1 kommen. Dies sind insbesondere Verkürzungen der Wicklungslagenhöhe H jener Wicklungslagen 1, die mit reduziertem Anpressdruck gewickelt wurden.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Wickelvorrichtung vorzuschlagen, mit dem Spulen der genannten Art rationeller als bisher hergestellt werden können, wobei die Wicklungslagen zudem weder mit zu großem Anpressdruck noch zu locker gewickelt sind.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verformen der Leiter beziehungsweise Leiterbündel mit einer Verformungseinrichtung in den im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, das Isolieren der verformten Leiter beziehungsweise Leiterbündel und das Wickeln der Leiter beziehungsweise Leiterbündel zur gewünschten Wicklungslage in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt wird, dass eine axiale Länge eines bereits gewickelten Teils der Wicklungslage als Istwert mit einem Sollwert für den bereits gewickelten Teil fortlaufend oder periodisch verglichen wird, dass eine Sollganghöhe für den noch zu wickelnden Teil der Wicklungslage ermittelt wird und dass die Verformungseinrichtung derart eingestellt wird, dass die finale axiale Länge oder Wicklungslagenhöhe der Wicklungslage einem gewünschten Wert beziehungsweise Sollwert entspricht.
  • Ein sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 ergebender Vorteil besteht darin, dass durch das Zusammenführen der Teilprozesse Verformen, Isolieren und Wickeln der Leiter oder Leiterbündel zu einem geschlossenen integrierten Prozess Kosten und Durchlaufzeit für die Herstellung von elektrischen Wicklungen, insbesondere solcher für trockenisolierte Drosselspulen ohne Eisenkern, reduziert werden.
  • Neben der Reduktion von Prozesskosten und Durchlaufzeiten besteht ein Vorteil darin, dass die Isolationsmaterialien mechanisch weniger beansprucht und damit besser vor Beschädigungen geschützt werden. Ein weiterer Vorteil im Hinblick auf die Erhöhung der Produktqualität, der sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt, besteht darin, dass durch die kontinuierliche Steuerung bzw. Regulierung der Abmessungen des Leiters beziehungsweise Leiterbündels bei der Verlegung der Windungen während des Wickelvorganges ein zumindest weitgehend konstanter Anpressdruck verwendet werden kann. Damit kann das Risiko von Wicklungssetzungen durch die thermische Beanspruchung im späteren Betrieb der Drosselspule eliminiert werden. Ferner kann dadurch das bisher vorhandene Risiko von Beschädigungen oder Zerstörungen der äußeren Isolation für den Leiter oder das Leiterbündel infolge zu hohen Anpressdruckes minimiert bzw. hintan gehalten werden.
  • Nach einer Ausführungsart der Erfindung weist eine Wicklungslage mindestens zwei Wicklungsabschnitte mit unterschiedlichen Ganghöhen auf. Dadurch können beispielsweise Wicklungslagen realisiert werden, bei denen unterschiedlich beanspruchte Teile der Wicklung mit einer unterschiedlichen Isolation bzw. einer unterschiedlichen Isolationsstärke versehen sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Wickelvorrichtung gelöst, welche mindestens eine Verformungseinrichtung, mindestens eine Vorrichtung zum Isolieren und mindestens eine automatische oder manuell zu bedienende Regeleinrichtung aufweist, welche die Verformungseinrichtung derart einstellt beziehungsweise über welche die Verformungseinrichtung derart einstellbar ist, dass die finale axiale Länge oder Wicklungslagenhöhe der Wicklungslage einem vorbestimmten Wert beziehungsweise Sollwert entspricht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung zur automatisierten oder benutzerunterstützten Veränderung der Einstellungswerte der Verformungseinrichtung während eines laufenden Wickelprozesses ausgebildet ist. Dadurch ist ein stetiger Eingriff bzw. eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Regelung der Verformungswerte möglich, sodass die Sollwerte der finalen Wicklungslage bestmöglich erreicht werden können. Darüber hinaus ist eine Produktion mit kurzen Durchlaufzeiten ermöglicht.
  • Nach einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung zur automatisierten oder benutzerunterstützten Veränderung der Einstellungswerte der Vorrichtung zum Isolieren während eines laufenden Wickelprozesses ausgebildet ist. Auch dadurch sind die Abmessungs-Sollwerte der zu produzierenden Wicklungslage ausreichend exakt erreichbar, insbesondere wenn die regelnden Eingriffe frühzeitig bzw. fortlaufend oder periodisch erfolgen. Ebenso können dadurch allzu große Variationen in der Formgebung der Leiter beziehungsweise Leiterbündel vermieden werden.
  • Eine Spule nach dem Stand der Technik und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Ausschnitt einer Spule aus drei koaxial angeordneten, zylindrischen Wicklungslagen nach dem Stand der Technik in vereinfachter, schematischer Darstellung;
    Fig. 2
    einen Detailausschnitt aus Figur 1 in vergrößertem Maßstab;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Wicklungslagen einer Spulenwicklung;
    Fig. 4
    eine stark schematisierte Ansicht einer Wickelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Einführend sei festgehalten, dass die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen sind und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen sind. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Erfindung, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
  • Der Aufbau der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Spulen ist aus dem Stand der Technik bekannt und wurde vorhergehend bereits beschrieben.
  • Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Prozess der Spulenherstellung bzw. der Verarbeitung des Leiters beziehungsweise Leiterbündels 6 ist in der Figur durch eine unterbrochene Linie umrahmt und mit 13 bezeichnet. Er umfasst die Schritte der Verformung 12 des Leiters beziehungsweise Leiterbündels 6, des Isolierens 14 und des Wickelns 15 zur geforderten Wicklungslage 1 bzw. Spulenwicklung. Die axiale Länge bzw. Höhe der gewickelten Wicklungslage 1 bzw. Spule wird fortlaufend oder periodisch durch ein Messglied 17 gemessen, wobei gleichzeitig die Anzahl der bereits gewickelten Windungen durch ein nicht dargestelltes Erfassungs- bzw. Zählglied festgestellt wird. Aus diesen Werten ermittelt ein Rechenglied 18 einen zu erwartenden Istwert 9 der Spulenhöhe bzw. axialen Wicklungslagenhöhe H. Dieser wird mit dem Sollwert 8 der Spulenhöhe bzw. Wicklungslagenhöhe H verglichen und eine Regeleinrichtung 10 berechnet daraus eine Stellgröße für ein Stellglied 11 der Verformungseinrichtung 12.
  • Alternativ zur Verwendung einer automatisierten Regeleinrichtung 10 ist es auch möglich, eine manuell zu bedienende Regeleinrichtung 10 vorzusehen. Beispielsweise kann mittels einer händisch zu verändernden Justiervorrichtung, vor allem für die Umformelemente, insbesondere die Quetschrollen der Verformungseinrichtung 12, eine Veränderung der Arbeitswerte und eine Anpassung bzw. möglichst exakte Annäherung an den Sollwert 8 der finalen Wicklungslagenhöhe H erzielt werden. Selbstverständlich kann auch die Erfassung der aktuellen Istwerte für die Wicklungslagenhöhe H bzw. für die aktuelle Ganghöhe GH1, GH2, GH3 manuell, halbautomatisch oder automatisch über geeignete Sensoren ausgeführt werden. Anstelle der fortlaufenden oder periodischen Messung der Spulen- bzw. Wicklungslagenhöhe H ist es auch möglich, anhand der jeweiligen Ganghöhe GH1, GH2, GH3 auf der entstehenden Wicklungslage 1 und anhand der erreichten Windungsanzahl, den Istwert der aktuellen Wicklungslagenhöhe H zu ermitteln, den zu erwartenden Istwert 9 der Wicklungslagenhöhe H vorauszubestimmen und über eine Justierung bzw. Regulierung der Verformungseinrichtung 12 mittels einem manuellen oder automatisierten, beispielsweise motorisierten, Stellglied 11 frühzeitig auf den laufenden Wickelprozess einzuwirken, sodass der Sollwert 8 für die Wicklungslagenhöhe H der endgefertigten Wicklungslage 1 möglichst exakt erreicht wird.
  • Die Störgrößen, die auf den integrierten Gesamtprozess einwirken und damit die Ganghöhe der Leiter oder Leiterbündel 6 beeinflussen, sind in der Figur 3 mit 16 bezeichnet. Es handelt sich dabei insbesondere um Toleranzen bei der Einstellung der Formgebungselemente, insbesondere der Quetschrollen, um Veränderungen der Abmessungen durch die Druckentlastung nach den Quetschrollen, insbesondere beim Quetschen von Leiterbündeln, um Toleranzen bei der Aufbringung der Außenisolation und um Formänderungskräfte, die im Leiter oder Leiterbündel 6 beim Wickeln der Wicklungslage 1 bzw. Spule entstehen. Letztere sind unter anderem von den geometrischen Dimensionen des Leiters beziehungsweise Leiterbündels 6 und dem Wickeldurchmesser abhängig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch die Möglichkeit, durch Vorgabe von Sollhöhen für bestimmte Wicklungsabschnitte innerhalb einer Wicklungslage 1 unterschiedliche Ganghöhen GH1, GH2, GH3 für diese Abschnitte der Wicklungslage 1 zu realisieren. Dies ist insbesondere zur Berücksichtigung von unterschiedlichen Außenisolierungen des Leiters oder Leiterbündels 6 für unterschiedlich beanspruchte Wicklungsabschnitte zweckmäßig. So wird es z.B. vereinfacht möglich, die Leiter bzw. Leiterbündel 6 in den distalen Stimendabschnitten der Wicklungslagen 1 mit anderer, insbesondere mit stärkerer bzw. dickerer Isolation zu versehen, als die Leiter bzw. Leiterbündel 6 im mittleren Abschnitt einer Wicklungslage 1. Die Veränderung der Stärke der Isolation des Leiters bzw. Leiterbündels 6 wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bei der Ermittlung des Sollwertes 8 berücksichtigt, wodurch auch bei unterschiedlichem Isolationsaufbau innerhalb einer Wicklungslage 1 die finale bzw. endgültige Wicklungslagenhöhe H möglichst genau eingehalten wird.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung 20. Ausgehend von einer Vorratsspule 21 mit dem zu verarbeitenden Leitungsmaterial durchlaufen diese Leiter beziehungsweise Leiterbündel nacheinander eine Einrichtung 12 zur Verformung und eine Einrichtung 14 zur Isolierung der Leiter bzw. der Leiterbündel 6, bevor sie an der Stelle 15 zu Spulenform gewickelt bzw. auf einen Wickelkörper aufgewickelt und somit quasi "online" bzw. kontinuierlich, d.h. ohne wesentliche Unterbrechungen bzw. Zwischenlagerungen zu den entsprechenden Wicklungslagen 1 für elektrische Drosselspulen verarbeitet werden. Die mit der Wickelvorrichtung 20 verarbeiteten Leiter bzw. Leiterbündel 6 können dabei durch eine Anpressvorrichtung 19 mit einem bestimmten, weitgehendst konstanten Druck gegeneinander angedrückt werden.
  • Die Wickelvorrichtung 20 ermöglicht dabei über die Regeleinrichtung 10 eine automatisch, halbautomatisch oder manuell geregelte Verformung der zu wickelnden Leiter oder Leiterbündel 6 in Abhängigkeit der zu erzielenden Wicklungslagenhöhe H der ohne Zwischenlagerung bzw. ohne dazwischen stattfindender Aufrollung des Leiters beziehungsweise Leiterbündels 6 produzierten Wicklungslage 1, wobei die Anpassung bzw. Veränderung der Verformungsergebnisse der Verformungseinrichtung 12 während des laufenden Wickelprozesses erfolgt, sodass die Verformung des zu verarbeitenden Leiters oder Leiterbündels 6 in den Prozess für die Herstellung der elektrischen Spule bzw. Wicklungslage 1 integriert ist.
  • Wie in Fig. 4 mit strichlierten Linien dargestellt, ist es auch möglich, der Einrichtung 14 zur Isolierung eine Regeleinrichtung 10 bzw. ein Stellglied zur Beeinflussung der Abmessungen, insbesondere der Höhe GH1, GH2, GH3 des Leiters beziehungsweise Leiterbündels 6 zuzuordnen, über welche während des laufenden Wickelprozesses der Wickelvorrichtung 20 automatisiert geregelt, halbautomatisch oder manuell eingegriffen wird, sodass eine finale axiale Länge bzw. eine fertige Wicklungslagenhöhe (H) der gefertigten Wicklungslage 1 möglichst exakt dem vorbestimmten Sollwert 8 entspricht.
  • Die Regeleinrichtung 10 kann also zumindest teilweise Eingriffe bzw. Bedienvorgänge durch eine Person erfordern bzw. je nach Einbindung diverser Sensoren und/oder Aktoren mehr oder weniger automatisiert ausgebildet sein.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, zwei oder mehrere Leiter oder Leiterbündel 6 innerhalb einer Wicldungslage 1 parallel zu verwickeln. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung 20 auch möglich, zwei parallele Leiter oder Leiterbündel 6 gleichzeitig zu wickeln bzw. eine Mehrfachanordnung der Wickelvorrichtung 20 bzw. deren Komponenten vorzusehen. Die Darstellung von drei Wicklungslagen 1 gemäß Fig.1 bzw. Fig. 2 ist ebenso als beispielhaft zu verstehen. Insbesondere kann auch nur eine Wicklungslage 1 oder eine Vielzahl von Wicklungslagen 1 ausgebildet sein.
  • Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Spulen diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
    • Bezugszeichenaufstellung
    • 1
    Wicklungslage
    2
    Halteelement
    3
    Zugelement
    4
    Isolationselement
    5
    Isolationselement
    6
    Leiterbündel
    7
    Spulenmittelachse
    8
    Sollwert Spulenhöhe/Wicklungslage
    9
    erwarteter Istwert Spulenhöhe/ Wicklungslage
    10
    Regeleinrichtung
    11
    Stellglied
    12
    Verformung
    13
    Prozess
    14
    Isolieren
    15
    Wickeln
    16
    Störgröße
    17
    Messglied
    18
    Rechenglied
    19
    Anpressvorrichtung
    20
    Wickelvorrichtung
    21
    Vorratsspule
    H
    Wicklungslagenhöhe
    GH1
    Höhe des Leiters/Leiterbündels
    GH2
    Höhe des Leiters/Leiterbündels
    GH3
    Höhe des Leiters/Leiterbündels

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Spulenwicklung, bestehend aus einer oder mehreren Wicklungslagen (1) aus im Wesentlichen rechteckig geformten Leitern oder Leiterbündeln (6), bei dem das Verformen der Leiter beziehungsweise Leiterbündel (6) mit einer Verformungseinrichtung (12) in den im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, das Isolieren der verformten Leiter beziehungsweise Leiterbündel (6) und das Wickeln der Leiter beziehungsweise Leiterbündel (6) zur gewünschten Wicklungslage (1) in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Länge eines bereits gewickelten Teils der Wicklungslage (1) als Istwert mit einem Sollwert für den bereits gewickelten Teil fortlaufend oder periodisch verglichen wird, dass eine Sollganghöhe für den noch zu wickelnden Teil der Wicklungslage (1) ermittelt wird und dass die Verformungseinrichtung derart eingestellt wird, dass die finale axiale Länge oder Wicklungslagenhöhe (H) der Wicklungslage (1) einem gewünschten Wert beziehungsweise Sollwert entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklungslage mindestens zwei Wicklungsabschnitte mit unterschiedlichen Ganghöhen aufweist.
  3. Wickelvorrichtung zum Herstellen einer Spulenwicklung bestehend aus einer oder mehreren Wicklungslagen (1) aus im Wesentlichen rechteckig geformten Leitern oder Leiterbündeln (6), welche mindestens eine Verformungseinrichtung (12), mindestens eine Vorrichtung (14) zum Isolieren und mindestens eine automatische oder manuell zu bedienende Regeleinrichtung (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (10) eine axiale Länge eines bereits gewickelten Teils der Wicklungslage (1) als Istwert mit einem vorbestimmten Wert beziehungsweise Sollwert fortlaufend oder periodisch vergleicht und die Verformungseinrichtung (12) derart einstellt beziehungsweise über welche die Verformungseinrichtung (12) derart einstellbar ist, dass die finale axiale Länge oder Wicklungslagenhöhe (H) der Wicklungslage (1) einem vorbestimmten Wert beziehungsweise Sollwert entspricht.
  4. Wickelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (10) zur automatisierten oder benutzerunterstützten Veränderung der Einstellungswerte der Verformungseinrichtung (12) während eines laufenden Wickelprozesses ausgebildet ist.
  5. Wickelvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (10) zur automatisierten oder benutzerunterstützten Veränderung der Einstellungswerte der Vorrichtung (14) zum Isolieren während eines laufenden Wickelprozesses ausgebildet ist.
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