EP3038119A1 - Wickelverfahren und Wickelvorrichtung hierfür - Google Patents

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EP3038119A1
EP3038119A1 EP14004356.3A EP14004356A EP3038119A1 EP 3038119 A1 EP3038119 A1 EP 3038119A1 EP 14004356 A EP14004356 A EP 14004356A EP 3038119 A1 EP3038119 A1 EP 3038119A1
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EP
European Patent Office
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winding
strand
temperature
outlet nozzle
wire
Prior art date
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Withdrawn
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EP14004356.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Zerbe
Christian Dinca
Alexander Kreim
Jürgen HAGEDORN
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Aumann GmbH
Original Assignee
Aumann GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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 winding method according to the preamble of claim 1 and a winding device therefor.
  • the bulges can - as in EP 2 309 626 A1 proposed - be reduced in that by means of a preform element on the winding body supplied wire on the side facing away from the winding body exerts a force which counteracts the wire against the expected bulge bulge "Pre-bends", so that the wire as a result rests smoothly against the winding body.
  • Another possibility is to increase the wire tension during winding, so that the filling factor can be increased and the bulges can be reduced.
  • the wire draw limits are already set because the wire has a finite cross-section and just for small cross-sections of the wire easily tends to tear, if you increase the wire draw.
  • the present invention seeks to provide a winding method of the type mentioned and a suitable winding device for this, with which reduce the required Drahtzug and also increase the fill factor and can reduce the bulges in non-circular cross-section wound bodies.
  • the basic idea of the invention is the strand-like material - eg a metal wire or a strand-shaped metal Hollow body - to heat immediately before winding the bobbin. Due to the thermal expansion of the winding material this lengthens, depending on the amount of heat supplied. The winding material is wound in the heated state around the winding body. Any bulges disappear when cooling the winding material on the winding body, since the winding material contracts again on cooling.
  • the heated wire has a lower mechanical strength, so that smaller, especially in non-round bobbins, the corner radius. In addition, the bending stress in heated strand-shaped goods is smaller than in cold.
  • the heated material in particular the heated metallic wire
  • the heated metallic wire can be transformed with respect to a winding material at room temperature due to the heating with substantially less resistance.
  • the bulge in the middle of the winding for example on the long side of a tooth coil, thus becomes smaller with the same wire pull, whereby a reduction of approximately 20% can be achieved. This effect thus also increases the electrical fill factor.
  • Verbackspulen can be produced faster by the method according to the invention.
  • Verbackspulen are usually self-supporting coils without bobbin.
  • a coil is first wound and then electrically baked.
  • the method according to the invention it is possible to heat the baked enamel of the wire during winding. This was possible according to conventional technology only with thin wires (with diameters of about 0.3 mm), which are heated during winding by a hot air stream, so as to obtain a self-supporting coil.
  • the method according to the invention is no longer limited in the choice of wire diameter.
  • the degree of heating depends on the desired thermal expansion of the winding material. Preferably, this is heated so that the temperature of the strand-shaped Guts at the outlet of the outlet nozzle below the melting temperature of the material of the strand-like Guts is at least 50 ° C, preferably at least 120 ° C, is.
  • the stranded material e.g. inductively by means of an induction loop and / or by hot gas and / or by energization.
  • the location of the heating is arbitrary, as long as it is ensured that the winding material has a temperature immediately before winding, which is measurably above the ambient temperature. It is also possible to assist or to maintain the heating that the outlet nozzle is heated.
  • the bobbin is non-circular, and has at least one edge, wherein preferably bobbins are used with at least sectionally approximately rectangular cross-section.
  • the winding device has a feed device for rope-shaped material with the outlet nozzle for supplying a strand-like material to be wound onto the winding body and a winding body receptacle for receiving the wound body to be wound.
  • the receptacle and the outlet nozzle are designed to be movable relative to each other, so that the winding process can be completed.
  • the winding device further comprises a heating means, which, for example, an induction loop and / or a current-energizing energizing device and / or a hot gas device and which preferably in the feed direction of the strand-like Guts arranged at least in front of the outlet nozzle and adapted to heat the guided in the outlet nozzle strand-like material to a predetermined temperature.
  • a heating means which, for example, an induction loop and / or a current-energizing energizing device and / or a hot gas device and which preferably in the feed direction of the strand-like Guts arranged at least in front of the outlet nozzle and adapted to heat the guided in the outlet nozzle strand-like material to a predetermined temperature.
  • the temperature is controlled in the process according to the invention via a temperature adjusting device.
  • the temperature adjustment device adjusts or regulates the temperature of the strand-shaped material to a predetermined desired value.
  • the winding device preferably has a temperature detection device for measuring the temperature of the strand-shaped material. This continuously detects the temperature of the strand-shaped material, which is taken from the temperature setting as the actual value and compared with a target value. The temperature adjusting device then calculates a manipulated variable from this comparison and possibly changes the setting of the heating means in order to set the predetermined setpoint temperature.
  • Wickerlvorettivocardium shown as an example 100 has a receptacle (not shown) for mounting the bobbin 2. From a Drahtauslassdüse a strand-shaped winding material 1 (hereinafter not limited to wire) in a feed direction Z through an outlet nozzle 103 and wound in the feed direction Z behind the outlet nozzle 103 onto the winding body 2 by relatively moving the nozzle 103 and the winding body receptacle.
  • a strand-shaped winding material 1 hereinafter not limited to wire
  • a heating means 102 is provided, which in the example shown is designed as an induction loop 102.
  • the induction loop is electrically powered by a feeder 105 and generates a magnetic field.
  • the wire 1 passes through this magnetic field and is thereby heated and the heated portion 1 'of the wire is wound onto the winding body.
  • the induction loop is a tube which is flowed through by a fluid, in particular water, for cooling.
  • the induced in the wire 1, 1 'temperature is adjusted to a desired value.
  • This setpoint is specified by the user, depending on the material properties of the wire or winding material and the desired fill factor.
  • the actual temperature is detected by a measuring device 104. This is provided in the example shown approximately at the height of the induction loop 102, but may just as well be positioned approximately at the outlet of the outlet nozzle 103 to detect the actual temperature immediately before winding the heated wire 1 'on the winding body 2.
  • a manipulated variable is determined, which then, if appropriate, the energization of the induction loop 102 or, in general, the amount of energy transmitted by the heating means adapts accordingly and adjusts the temperature of the wire to the specified setpoint.

Abstract

Bei einem Wickelverfahren werden strangförmiges Gut, insbesondere ein Draht (1), und ein Wickelkörper (2) bereit gestellt. Das strangförmige Gut wird durch eine Auslassdüse (103) geführt und anschließend auf den Wickelkörper (2) aufgewickelt. Das strangförmige Gut (1) wird.vor dem Aufwickeln erwärmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wickelverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Wickelvorrichtung hierfür.
  • Beim Bewickeln von strangförmigen Gütern wie z.B. Metalldraht auf um einen Wickelkörper - etwa zur Herstellung eines elektromagnetischen Bauteils - kommt es besonders bei im Querschnitt mehrkantigen Wickelkörpern zu Ausbauchungen des Drahtes. Dies kommt daher, dass der Draht durch Wickeln in eine bestimmte Richtung eine Spannung aufbaut und diese Spannung in einer Krümmung resultiert, die im Bereich der Flachseiten des Wickelkörpers zu den genannten Ausbauchungen führt, weil der Eckenradius des Drahtes verglichen mit dem Eckenradius unrunder Wickelkörper verhältnismäßig groß ist.
  • Dieser Effekt ist bei magnetischen Bauteilen nachteilig, weil zum einen Luftspalte zwischen Draht und Wickelkörper entstehen, die die Leistung des elektromagnetischen Bauteils nachteilig beeinflussen. Zum anderen verringert sich der Füllfaktor der Anordnung, weil eben weniger Wicklungen in ein vorgegebenes Volumen passen.
  • Die Ausbauchungen können - wie in EP 2 309 626 A1 vorgeschlagen - dadurch reduziert werden, dass man mittels eines Vorformelementes auf den dem Wickelkörper zugeführten Draht auf der dem Wickelkörper abgewandten Seite eine Kraft ausübt, die den Draht entgegen der zu erwartenden Ausbauchungswölbung "vorbiegt", so dass der Draht im Ergebnis glatt gegen den Wickelkörper anliegt.
  • Eine weitere Möglichkeit, besteht darin, den Drahtzug beim Aufwickeln zu erhöhen, so dass der Füllfaktor erhöht und die Ausbauchungen verringert werden können. Dies führt aber dazu, dass der Draht gerade bei einer Vielzahl Windungen sehr straff um den Wickelkörper herum liegt, so dass die auf den Wickelkörper wirkenden Zugkräfte unter Umständen dazu führen können, dass der Wickelkörper - z.B. wenn er aus Kunststoff besteht - zerstört wird. Zum anderen sind dem Drahtzug schon deshalb Grenzen gesetzt, weil der Draht einen endlichen Querschnitt besitzt und gerade bei kleinen Querschnitten der Draht leicht dazu neigt, zu reißen, wenn man den Drahtzug erhöht.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wickelverfahren der eingangs genannten Art und eine hierzu geeignete Wickelvorrichtung zu schaffen, mit welchem sich der erforderliche Drahtzug verringern und zudem der Füllfaktor erhöhen und die Ausbauchungen bei im Querschnitt nicht runden Wickelkörpern reduzieren lassen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Wickelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Wickelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung ist, das strangförmige Gut - z.B. einen Metalldraht oder einen strangförmigen metallischen Hohlkörper - unmittelbar vor dem Bewickeln des Wickelkörpers zu erwärmen. Infolge der thermischen Ausdehnung des Wickelguts längt dieser sich, je nach zugeführter Wärmemenge. Das Wickelgut wird im erwärmten Zustand um den Wickelkörper gewickelt. Etwaige Ausbauchungen verschwinden bei Erkalten des Wickelguts auf dem Wickelkörper, da sich das Wickelgut bei Abkühlung wieder zusammenzieht. Der erwärmte Draht weist eine kleinere mechanische Festigkeit auf, so dass sich speziell bei unrunden Wickelkörpern der Eckenradius kleiner ausbildet. Zudem ist die Biegespannung bei erwärmten strangförmigen Gütern kleiner als bei kalten. Folglich lässt sich das erwärmte Gut, insbesondere der erwärmte metallische Draht, gegenüber einem auf Raumtemperatur befindlichen Wickelgut infolge der Erwärmung mit wesentlich weniger Widerstand umformen. Die Ausbauchung in der Wicklungsmitte, beispielsweise an der Längsseite einer Zahnspule, bildet sich bei gleichem Drahtzug somit kleiner aus, wobei eine Reduzierung von ca. 20% erreicht werden kann. Dieser Effekt vergrößert somit auch den elektrischen Füllfaktor.
  • Auf diese Weise wird einerseits erreicht, dass die Ausbauchungen des Wickelguts reduziert werden, andererseits, dass die Bewicklung mit einem geringeren Drahtzug durchgeführt werden kann, weil das Wickelgut sich selbst zusammenzieht. Auf diese Weise kann der Drahtzug bei gleicher Packungsdichte der Spule reduziert werden. Das hat den Vorteil, dass die zu bewickelnden Bauteile nicht so stark mechanisch gestresst werden müssen und die Wandstärken des Wickelkörpers kleiner dimensioniert werden können oder auch eine andere - günstigere - Materialauswahl für den Wickelkörper getroffen werden kann.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Verbackspulen schneller herstellen. Verbackspulen sind meist freitragende Spulen ohne Wickelkörper. In konventioneller Fertigung wird eine Spule erst gewickelt und dann elektrisch verbacken. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, während des Wickelns den Backlack des Drahtes zu erwärmen. Dies war nach konventioneller Technik nur bei dünnen Drähten (mit Durchmessern von ca. 0,3 mm) möglich, die während des Wickelns durch einen Heißluftstrom erwärmt werden, so dass man eine freitragende Spule erhält. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist man bei der Wahl der Drahtdurchmesser nicht mehr begrenzt.
  • Bei als Stanzpakete ausgebildeten, T-Segment förmigen Wickelkörpern wird auf die oben beschriebene Weise auch eine Reduzierung des Axialdrucks auf das Stanzpaket erreicht, der in der Praxis häufig zu Problemen führt, da das Stanzpaket sich setzt und dabei "bananenförmig" verformt, so dass das Einbauen solcher Spulen nur mit großen Toleranzen und großen magnetischen Verlusten möglich ist.
  • Wie oben erwähnt, richtet sich der Grad des Erwärmens nach der gewünschten thermischen Ausdehnung des Wickelguts. Bevorzugt wird dieses so erwärmt, dass die Temperatur des strangförmigen Guts am Auslass der Auslassdüse unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des strangförmigen Guts liegt und wenigstens 50°C, bevorzugt wenigstens 120°C, beträgt.
  • Je nach gewünschter Temperatur gibt es mehrere Möglichkeiten, das strangförmige Gut zu erwärmen, z.B. induktiv mittels einer Induktionsschleife und/oder durch Heißgas und/ oder durch Bestromung. Auch der Ort der Erwärmung ist beliebig, solange sichergestellt ist, dass das Wickelgut unmittelbar vor dem Aufwickeln eine Temperatur aufweist, die messbar oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Es ist zur Unterstützung oder zum Halten der Erwärmung auch möglich, dass die Auslassdüse erwärmt wird.
  • Bevorzugt ist der Wickelkörper unrund, und weist wenigstens eine Kante auf, wobei bevorzugt Wickelkörper mit wenigstens abschnittweise etwa rechteckigem Querschnitt eingesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung weist eine Zuführeinrichtung für strangförmiges Gut mit der Auslassdüse zum Zuführen eines auf den Wickelkörper aufzuwickelnden strangförmigen Guts und eine Wickelkörperaufnahme zur Aufnahme des zu bewickelnden Wickelkörpers auf. Die Aufnahme und die Auslassdüse sind dabei relativ zueinander beweglich ausgebildet, so dass der Wickelvorgang vollzogen werden kann. Erfindungsgemäß weist die Wickelvorrichtung ferner ein Erwärmungsmittel auf, welches z.B. eine Induktionsschleife und/oder eine das strangförmige Gut bestromende Bestromungseinrichtung und/oder eine Heißgasvorrichtung ist und welches bevorzugt in Zuführrichtung des strangförmigen Guts zumindest vor der Auslassdüse angeordnet und dazu ausgelegt ist, das in die Auslassdüse geführte strangförmige Gut auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen.
  • Bevorzugt wird die Temperatur im erfindungsgemäßen Verfahren über eine Temperatureinstellvorrichtung geregelt. Die Temperatureinstellvorrichtung stellt oder regelt die Temperatur des strangförmigen Guts auf einen vorgegebenen Sollwert ein. Dazu weist die Wickelvorrichtung bevorzugt eine Temperaturerfassungseinrichtung zur Messung der Temperatur des strangförmigen Guts auf. Diese erfasst fortlaufend die Temperatur des strangförmigen Gutes, welche von der Temperatureinstellvorrichtung als Istwert übernommen und mit einem Sollwert verglichen wird. Die Temperatureinstellvorrichtung berechnet dann aus diesem Vergleich eine Stellgröße und verändert ggf. die Einstellung des Erwärmungsmittels, um die vorgegebene Solltemperatur einzustellen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Figur 1
    - zeigt eine erfindungsgemäße Wickelvorrichtung in perspektivischer Darstellung,
    Figur 2
    - zeigt eine Seitenansicht der in Figur 1 gezeigten Wickelvorrichtung.
  • Die in den Figuren 1 und 2 beispielhaft gezeigte Wickerlvorrichtung 100 weist eine (nicht gezeigte) Aufnahme zum Aufspannen des Wickelkörpers 2 auf. Aus einer Drahtauslassdüse wird ein strangförmiges Wickelgut 1 (im Folgenden nicht einschränkend Draht genannt) in einer Zuführrichtung Z durch eine Auslassdüse 103 geführt und in Zuführrichtung Z hinter der Auslassdüse 103 auf den Wickelkörper 2 durch relatives Bewegen von Düse 103 und Wickelkörperaufnahme aufgewickelt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Erwärmungsmittel 102 vorgesehen, welches im gezeigten Beispiel als Induktionsschleife 102 ausgebildet ist. Die Induktionsschleife wird über eine Speisevorrichtung 105 elektrisch gespeist und erzeugt ein Magnetfeld. Der Draht 1 durchläuft dieses Magnetfeld und wird dadurch erwärmt und der erwärmte Abschnitt 1' des Drahtes wird auf den Wickelkörper aufgewickelt. Bevorzugt ist die Induktionsschleife ein Rohr, welches von einem Fluid, insbesondere Wasser, zur Kühlung durchströmt wird.
  • Vorteilhafterweise wird die in den Draht 1, 1' induzierte Temperatur auf einen Sollwert eingeregelt. Dieser Sollwert wird anwenderseitig vorgegeben, je nach Materialeigenschaften des Drahtes oder Wickelgutes und dem angestrebten Füllfaktor. Die Ist-Temperatur wird über eine Messeinrichtung 104 erfasst. Diese ist im gezeigten Beispiel etwa auf der Höhe der Induktionsschleife 102 vorgesehen, kann aber genauso gut auch etwa am Ausgang der Auslassdüse 103 positioniert sein, um die Ist-Temperatur unmittelbar vor dem Aufwickeln des erwärmten Drahtes 1' auf den Wickelkörper 2 zu erfassen. Durch einen Vergleich der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur wird eine Stellgröße ermittelt, die dann gegebenenfalls die Bestromung der Induktionsschleife 102 bzw. allgemein die durch Erwärmungsmittel übertragene Energiemenge entsprechend anpasst und die Temperatur des Drahtes auf den vorgegebenen Sollwert einregelt.

Claims (13)

  1. Wickelverfahren, bei dem strangförmiges Gut, insbesondere ein Draht (1), und ein Wickelkörper (2) bereitgestellt werden, wobei das strangförmige Gut durch eine Auslassdüse (103) geführt und anschließend auf den Wickelkörper (2) aufgewickelt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das strangförmige Gut (1) vor dem Aufwickeln erwärmt wird.
  2. Wickelverfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das strangförmige Gut (1) so erwärmt wird, dass die Temperatur des strangförmigen Gutes (1) am Auslass der Auslassdüse (103) unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des strangförmigen Gutes (1) liegt und wenigstens 50° C, bevorzugt wenigstens 120°C, beträgt.
  3. Wickelverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das strangförmige Gut (1) induktiv und/oder durch Heißgas und/oder durch Bestromung erwärmt wird.
  4. Wickelverfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wickelkörper (2) Kanten aufweist.
  5. Wickelverfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wickelkörper (2) mit wenigstens abschnittweise etwa rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.
  6. Wickelverfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als strangförmiges Gut (1) ein Metalldraht oder ein strangförmiger metallischer Hohlkörper verwendet wird.
  7. Wickelverfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Auslassdüse (103) erwärmt wird.
  8. Wickelvorrichtung (100) zur Durchführung einer Wickelverfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, aufweisend eine Zuführeinrichtung für strangförmiges Gut (1), insbesondere Draht, mit einer Auslassdüse (103) zum Zuführen eines auf einen Wickelkörper (2) aufzuwickelnden strangförmigen Gutes (1) und eine Wickelkörperaufnahme (101) zur Aufnahme des zu bewickelnden Wickelkörpers, wobei die Aufnahme (101) und die Auslassdüse (103) relativ zueinander beweglich ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wickelvorrichtung (100) ein Erwärmungsmittel (102) aufweist, welches dazu ausgelegt ist, das in die Auslassdüse (103) geführte strangförmige Gut (1) auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen.
  9. Wickelvorrichtung (100) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Erwärmungsmittel (102) so ausgebildet ist, dass die Temperatur am Auslass der Auslassdüse (103) auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des strangförmigen Gutes (1) und wenigstens auf 50° C, bevorzugt wenigstens auf 120°C, eingestellt werden kann.
  10. Wickelvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sie eine Temperatureinstellvorrichtung aufweist, die die Temperatur des strangförmigen Gutes (1) auf einen vorgegebenen Sollwert einstellt oder einregelt.
  11. Wickelvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Erwärmungsmittel (102) eine Induktionsschleife und/oder eine das strangförmige Gut (1) bestromende Bestromungseinrichtung und/oder eine Heißgasvorrichtung ist.
  12. Wickelvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sie eine Temperaturerfassungseinrichtung (104) zur Messung der Temperatur des strangförmiges Gutes (1) aufweist.
  13. Wickelvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Erwärmungsmittel (102) in Zuführrichtung (Z) des strangförmigen Gutes (1) zumindest vor der Auslassdüse (103) angeordnet.
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