EP4298651A1 - Verfahren zur herstellung einer spule - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer spule

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Publication number
EP4298651A1
EP4298651A1 EP22711496.4A EP22711496A EP4298651A1 EP 4298651 A1 EP4298651 A1 EP 4298651A1 EP 22711496 A EP22711496 A EP 22711496A EP 4298651 A1 EP4298651 A1 EP 4298651A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
shank
carrier
coating
shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22711496.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Lessmann
Peter GRÖPPEL
Thomas Gleixner
Martin THUMMET
Markus Wild
Sunil Sreedharan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP4298651A1 publication Critical patent/EP4298651A1/de
Pending 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
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/04—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings prior to their mounting into the machines
    • H02K15/043—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings prior to their mounting into the machines winding flat conductive wires or sheets
    • 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
    • H01F41/12—Insulating of windings
    • H01F41/122—Insulating between turns or between winding layers
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K15/02—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/021—Magnetic cores
    • H02K15/022—Magnetic cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/10—Applying solid insulation to windings, stators or rotors, e.g. applying insulating tapes
    • H02K15/105—Applying solid insulation to windings, stators or rotors, e.g. applying insulating tapes to the windings

Definitions

  • the present disclosure relates to a method of manufacturing a coil.
  • the aim is to continuously improve the target parameters of energy efficiency, power-to-weight ratio, reliability and service life.
  • some of these targets conflict with each other and with other requirements.
  • vehicle construction in addition to energy efficiency, installation space requirements due to a limited amount of space are coming to the fore.
  • a low weight of the drives is also important for low energy consumption in mobile applications (e.g. in the car or on the train).
  • the requirements described apply to a particular degree for use in aircraft, where the future of electrification of aircraft drives in particular depends to a large extent on the power density of the motors or generators to be used.
  • the object of the present invention is to enable improved electrical machines.
  • a method for producing a coil for a machine, in particular an electrical machine, includes winding a wire to produce a wound coil (and optionally thermally post-treating the wound coil, e.g., annealing), expanding the already wound coil from an initial state to an expanded state with an increased spread compared to the initial state; providing the coil in the expanded state with a coating (particularly applying the coating), e.g. insulation, and converting the coil from the expanded state back to a state with a comparatively smaller spread, in particular to the initial state with respect to the spread .
  • the winding takes place under the influence of heat and/or after the winding, the coil is subjected to heat.
  • tensions in the material of the wire can be relieved, so that the coil is particularly dimensionally stable in relation to the initial state and optimal electrical properties are achieved through recrystallization of the material structure.
  • the coating may include or consist of an inorganic material. Materials of this type cannot be used, or can only be used to a limited extent, with conventional winding methods.
  • the coating can include or consist of a ceramic material. This enables a particularly efficient electrical insulation.
  • the coating optionally encloses the wire, in particular completely (e.g. only with the exception of its ends), for example in an electrically insulating manner. In this way, adjacent windings can be electrically isolated from one another.
  • At least one of the following methods can optionally be used to provide the coating: sol-gel method, hard anodizing, plasma-chemical method, anodizing, oxidation or plasma spraying. This enables a particularly efficient coating. Alternatively, e.g. painting is also possible.
  • the coil can be transformed into the initial state with respect to the spreading, e.g. as a result of the spring-elastic properties of the coil.
  • a method of making a segment includes providing a carrier having a shank, a retaining portion abutting the shank on one side of the shank and configured to secure a coil surrounding the shank to the shank, and another portion attached to the other side of the shank Shank protrudes laterally at an angle to the shank.
  • the method also includes sliding a coated coil previously produced according to the method described above over the further section onto the shank of the carrier.
  • the proposed segment thus allows a reduction in weight with simultaneously high performance and a coil that is wound particularly precisely and therefore efficiently and with a high conductor filling factor.
  • This enables light, efficient and durable electric machines.
  • the holding section can protrude laterally from the shank on both sides, while the further section protrudes laterally from the shank on one side, for example.
  • the segment can be assembled with other segments, e.g. to form a stator, e.g. using the pole chain method.
  • the carrier of a segment then forms a stator element.
  • the coil has a shape and/or flexibility so that it can follow the progression of the segment from the further section to the shaft.
  • the further section is designed, for example, to be connected to one or more adjacent segments, for example to be connected to two adjacent segments.
  • the coil can thus first be pushed over the further section, after which the further section is connected to further segments.
  • the spool is additionally secured to the shaft.
  • the holding section forms, for example, a tooth head.
  • the other section serves, for example, as a yoke for magnetic field lines generated by the coil.
  • the holding section is designed to be connected to one or more adjacent segments.
  • a protective paper in particular in the form of slot insulation paper, is optionally arranged between the coil and the carrier.
  • the coil can be pushed over the protective paper.
  • the protective paper is inserted into the spool in advance and then pushed onto the shaft together with the spool over the further section. This can prevent damage to the coil.
  • the shaft transitions into the further section via a curve. This can make it easier to slide the coil from the further section onto the shaft. Accordingly, the coil can be pushed over the curve.
  • the wound coil is pulled apart and/or compressed at least in sections while being pushed over the further section onto the shaft of the carrier.
  • the coil can be guided particularly well around the angle between the further section and the shaft of the carrier.
  • a method for producing a segmented coil support for an electrical machine includes providing a plurality of segments made by the method of any embodiment described herein and, optionally, joining the segments together, e.g., such that the segments are arranged about a common axis.
  • FIGS. 1A-1C show a carrier and a coil in several steps in the manufacture of a segment
  • FIG. 2 shows a segmented coil carrier with several segments according to FIG. 1C;
  • Figure 3A-3C shows a rounded carrier and a coil in several steps in the position of opening a segment with a round
  • FIG. 4 shows a segmented coil carrier with several segments according to FIG. 3C;
  • Figures 5A-5C show the rounded support and coil in several steps in the segment open position of Figures 3A-3C showing further detail of the coil of the segment;
  • FIG. 6 shows a segmented coil carrier with several segments according to FIG. 5C;
  • FIG. 7 shows an electrical machine in the form of an electric motor with a segmented coil carrier with a number of segments according to FIG. 5C;
  • FIG. 8A-8D depict several steps in the assembly of an insulated coil; and FIG. 9 shows an aircraft in the form of a multi-engine airplane.
  • FIG. 1A shows a carrier 10 for a segment and an electrical coil 11.
  • the carrier 10 has a shank 100, a folded section 101 and a further section 102.
  • FIG. 1A shows a carrier 10 for a segment and an electrical coil 11.
  • the carrier 10 has a shank 100, a folded section 101 and a further section 102.
  • the shaft 100 is designed to be surrounded by the coil 11 .
  • the shank 100 has exterior surfaces. If the shaft 100 is surrounded by a coil 11, then the coil 11 extends around the shaft 100 along the outer surfaces.
  • the outer surfaces of the shank 100 extend from a first side of the shank 100 up to a second side of the shaft 100, in this case parallel to a coil axis around which the coil 11 surrounding the shaft 100 is wound.
  • the shank 100 may have a depth perpendicular to this coil axis (pointing into the image plane of Figure 1A) which is as great as the width illustrated schematically in Figure 1A, or alternatively greater or less than the width, in particular substantially greater.
  • the shank 100 may be elongated in the depth direction perpendicular to the coil axis.
  • the fold section 101 adjoins the shaft 100 on the first side of the shaft 100 and is designed to secure the coil 11 surrounding the shaft 100 on the shaft 100, in particular to hold it, e.g. to fix it.
  • the fold section 101 adjoins the shaft 100 on the first side of the shaft 100 and is designed to secure the coil 11 surrounding the shaft 100 on the shaft 100, in particular to hold it, e.g. to fix it.
  • the folded portion 101 has a greater width than the shank 100. Specifically, the folded portion 101 protrudes from the shank 100 in two opposite directions. In this way, the coil 11 surrounding the shaft 100 can be securely held there in a form-fitting manner.
  • the folded section 101 protrudes beyond the coil 11, in the present case on at least two opposite sides.
  • the fold section 101 has two flanks which adjoin opposite outer surfaces of the shank 100 . These flanks run at an angle to each other and at an angle to the coil axis defined by the shaft 100 . The flanks are aligned in a V-shape.
  • the shaft 100 and the folded section 101 together describe the shape of a T.
  • the folded section 101 protrudes from the shaft 100 in the shape of a mushroom head.
  • the folded section 101 serves as a tooth tip.
  • the folded portion 101 is intended to face a component mounted movably relative to the carrier 10 .
  • the further section 102 protrudes from the shaft 100 on one side on the other, second side of the shaft 100, namely at an angle to the shaft 100, in the present example at a right angle.
  • the shaft 100 and the further section 102 are formed in such a way that the coil 11 can be pushed onto the shaft 100 via the further section 102 for mounting on the carrier 10 .
  • the further section 102 extends straight and in a plane at an angle (namely perpendicular) to the coil axis.
  • the further section 102 has an open end 103 facing away from the shaft 100 .
  • the shank 100 and the further section 102 describe together the shape of an L.
  • the coil 11 is shown here schematically as a block and can comprise a wire wound in a single layer or in a plurality of layers, in particular a flat conductor, or a plurality of wires or strands wound in one or more layers.
  • the coil 11 has already been wound, ie it already has one or more turns.
  • a conductor forming the coil 11 can first be wound onto a dummy core, which can be done particularly easily by machine. The coil 11 is then removed from the dummy core and pushed onto the further section 102 .
  • FIG. 1A The sliding of the coil 11 is illustrated with reference to Figures 1A to 1C.
  • the coil 11 is first pushed over the free end 103 of the further section 102.
  • FIG. 1B The coil 11 then initially surrounds the further section 102, as shown in FIG. 1B.
  • the coil 11 is then pushed further towards the shank 100 and guided around the angle between the further section 102 and the shank 100 for this purpose.
  • the spool 11 is e.g. with a clearance to the further section 102 and/or to the shaft
  • Figure 1C shows the fully assembled segment 1 with the coil 11 on the shaft 100 of the carrier 10.
  • the carrier 10 is formed in one piece.
  • the carrier 10 is not composed of several elements, but is formed from a single piece of material.
  • the carrier 10 thus has no joining surfaces.
  • the carrier 10 is laminated, e.g. consists of several, in particular congruent, sheet metal sections. Each of the sheet metal sections then includes a part of the shaft 100, the holding section
  • the carrier 10 is free of joining surfaces between the shank 100 and the holding section 101 and between the shank 100 and the further section 102.
  • the further section 102 serves as a connecting section for connecting to two adjacent segments 1 of similar design.
  • the open end 103 provides a connecting area which can be connected to a further segment 1 directly or, as shown in FIG. 2, by means of a connecting element 200.
  • Insulating materials can be introduced to the segment 1 , in particular to the coil 11 , before and/or after the coil 11 is assembled.
  • a final fixation of the coil 11 on the carrier 10 and/or the windings of the coil 11 among one another is optionally effected by impregnation or casting.
  • Figure 2 shows a segmented coil carrier 20 with a plurality of segments 1 connected to one another according to Figure 1C.
  • the open end 103 of a segment 1 is connected to a transition area between the shaft 100 and the further section 102 of an adjacent segment 1, in this case by means of a connecting element 200.
  • the segmented bobbin 20 is shown in a linear configuration and may also be used, e.g., for a linear actuator. Alternatively, the segmented bobbin 20 can be configured circular. Either the segments 1 are attached to one another at an angle to one another, or they are inserted into a sleeve, for example.
  • the connecting elements 200 can provide a rigid or a movable connection.
  • the segmented coil carrier 20 can also be referred to as a pile chain.
  • a stator is then produced from the segmented coil carrier 20 using the pole chain method.
  • a plurality of segments 1 are arranged in a chain and then brought into a predetermined arrangement relative to one another and fixed relative to one another, e.g. by means of an outer ring.
  • Figures 3A to 3C show the assembly of the coil 11 on a carrier 10' for the production of a segment T, the carrier 10' being designed in contrast to the carrier 10 of the segment 1 according to Figures 1A to 1C with two curves 104, 105, and is otherwise designed analogously.
  • the carrier 10 ′ has a rounding 104 at the transition between the shaft 100 and the further section 102 .
  • the curve 104 is convex.
  • the rounding 104 is in the form of a circular arc in the example shown.
  • the rounding 104 has a radius of curvature, for example (Exactly, approximately or at least) corresponds to the material thickness of the shaft 100 and/or the further section 102. This rounding 104 makes it easier to slide the coil 11 over the further section 102 onto the shaft 100.
  • FIGS. 3A to 3C correspondingly show the (easier) sliding of the coil 11 onto the carrier 10'.
  • a protective paper 106 in particular in the form of slot insulation paper, is optionally arranged between the coil 11 and the carrier 10'.
  • the coil 11 can be pushed over the protective paper 106.
  • the protective paper 106 is placed in the spool 11 in advance and then pushed together with the spool 11 over the further section 102 onto the shaft 100 . In this way, damage to the coil 11 , in particular to a coating on the coil 11 , can be prevented.
  • the carrier 10 ′ has a further rounding 105 which is presently formed at the open end 103 of the further section 102 .
  • This rounding 105 is concave.
  • This rounding 105 is designed to match the rounding 104 at the transition between the shaft 100 and the further section 102 .
  • the shapes of the two curves 104, 105 fit into one another. In this way, several segments T can be brought into flat contact with one another at the appropriate curves 104, 105 without an air gap.
  • Figure 4 shows a corresponding segmented coil support 20 'with multiple segments 1'.
  • the segmented coil carrier 20' enables the magnetic field lines to be guided particularly efficiently.
  • FIGS. 5A to 5C show the same carrier 10' as FIGS. 3A to 3C, the coil 11 being specifically illustrated as a single-layer winding of a wire 110.
  • FIG. The coil 11 is illustrated here with a helical geometry.
  • the coil 11 has, for example, the structure of a spiral spring. It can be elastically deformed by a force and elastically returns to its previous configuration after the force is removed.
  • the wire 110 has a flexibility that allows the distances between individual turns of the coil 11 to change elastically. This makes it particularly easy to push the coil 11 onto the shaft 100 via the rounded portion 104 .
  • the individual turns of the coil 11 are not fixed to one another, for example glued.
  • a flat piece of material in particular an insulating paper, is arranged between the carrier 10 ′ and the coil 11 in order to make it easier to slide the coil 11 on and, if necessary, to prevent damage to an insulating layer of the coil 11 .
  • FIG. 6 again shows the segmented coil carrier 20′ with the plurality of segments T.
  • the coil 11 adjoins the holding section 101 on the first side of the shaft 100 and adjoins the further section 102 on the second side of the shaft 100.
  • FIG. 6 While the segmented bobbin 20' is shown in Figure 6 in a linear configuration, Figure 7 shows the segmented bobbin 20' in an annular configuration.
  • the individual segments T are arranged concentrically around an axis of rotation R.
  • the segments T are fixed to one another and/or fixed relative to one another by means of a holding device, e.g.
  • the segmented coil carrier 20' forms a stator of an electrical machine 2 in the form of an electric motor.
  • the electrical machine 2 also includes a rotor 21 arranged within the segmented coil carrier 20'.
  • the rotor 21 can be rotated about the axis of rotation R relative to the segmented coil carrier 20'.
  • the rotor 21 includes a plurality of permanent magnets.
  • the rotor 21 can be rotated about the axis of rotation R relative to the stator by an electric current flowing through the coils 11 .
  • Tooth tips of the segmented coil carrier 20' are optionally designed asymmetrically, as illustrated in FIG. 7 at the top segment T by means of a dashed line.
  • FIGS. 8A to 8D illustrate a method for coating a coil 11, in particular the coil 11 for the segments 1 described herein; T
  • a bare, non-insulated wire 110 is first wound into the coil 11 .
  • the winding can be simplified and the wire 110 can be wound with more force and more precisely.
  • the winding is not limited by maximum bending radii or yield points of a coating, so that the wire 110 can be brought very precisely into a predetermined shape, for example into a rectangular or polygonal shape.
  • the wire 110 has a rectangular cross-sectional profile, but can also assume any form of cross-sectional profile.
  • the wire 110 can also be designed as a flat conductor.
  • the coil 11 is then initially in an initial state.
  • This initial state is shown in Figure 8A.
  • the winding is done using heat and/or the wound coil 11 is given a final anneal.
  • stresses in the material can be reduced, so that the coil 11 retains its wound form according to the initial state and the electrical properties are optimized by recrystallization of the material structure.
  • a heater 5 for applying heat to the wire 110 and/or the coil 11 is illustrated schematically in Figure 8A.
  • the wound coil 11 is then (reversibly) pulled apart and thus converted into an expanded state which has a greater spread than the initial state, ie a greater distance between adjacent turns.
  • the expanded state is shown in Figure 8B.
  • the coil 11 is then provided with a coating 111, in particular in the form of electrical insulation, see FIG. 8C.
  • the coating 11 can be applied to all surfaces of the wire 110 as a result of the spreading.
  • the coating may include a ceramic.
  • the coating 110 electrically insulates adjacent turns of the coil 11 from one another.
  • the wire 110 of the coil 11 is also freely accessible from all sides, so that the applied coating 111 can be checked particularly well without the need for complex methods. This also enables particularly high quality standards.
  • the coated coil 11 is transformed from the stretched state to a state with a comparatively smaller spread, optionally to the initial state with respect to the spread.
  • This transfer can take place, for example, through the inherent flexibility of the coil 11 (which retains its shape in the initial state), for example by releasing the ends of the coil 11 that are pulled apart for spreading.
  • This final state of the finished, coated coil 11 is illustrated in FIG. 8D.
  • each length of wire 110 is deformed significantly less between the extended state and the initial state than when the coil 11 is wound, the mechanical stresses on the coating 111 when it returns to the initial state are relatively low. This allows for improved coil 11 life, as well as the use of particularly efficient coatings that would not normally have been usable due to brittleness, wrinkling, or other material properties. This is particularly important because coatings with particularly good electrical properties can only be subjected to very limited mechanical loads, e.g. ceramics. It is also possible to dispense with steps that may otherwise be necessary to heal defects in the coating, since the coating is only slightly mechanically stressed.
  • the coating 111 includes in particular an inorganic material or consists of it.
  • sol-gel method hard anodizing
  • plasma-chemical method anodizing
  • oxidation or plasma spraying anodizing
  • the coil 11 is composed of a plurality of individual conductors, which are coated spread out as described and are then welded together will.
  • the finished coil 11 according to FIG. 8D can then be placed on the carrier 10; 10', see in particular Figures 5A to 5C.
  • this coil 11 has an elasticity that makes it easier to slide the coil 11 (e.g. turn by turn) over the further section 102 of the carrier onto the shaft 100.
  • FIG. 9 shows an aircraft 4 in the form of an airplane.
  • the aircraft 4 includes wings and multiple engines 3.
  • Each of the engines 3 includes an electric motor according to Figure 7.
  • the coil 11 in advance, separately from the carrier 10; 10' is wound, this can be produced particularly efficiently and true to shape. Since the holding portion 101 does not have to be dispensed with, good performance in terms of torque and cogging torque can be achieved. Since the holding element does not have to be fixed afterwards, there are no relevant cutting edge effects and complex geometries for fixing the holding element, e.g. dovetail form closures, are not necessary. The manufacturing tolerances can also be improved as a result. Furthermore, it is possible to reduce waste during manufacture.
  • the one-piece design allows a particularly robust design and a long service life. Due to the simple geometry, the production can also be significantly simplified.

Landscapes

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Spule (11) umfasst: Wickeln eines Drahts (110) zur Herstellung einer gewickelten Spule (11); Auseinanderziehen der Spule (11) aus einem Ausgangszustand in einen auseinandergezogenen Zustand mit einer vergrößerten Spreizung; Versehen der Spule (11) im auseinandergezogenen Zustand mit einer Beschichtung (111); und Überführen der Spule (11) vom auseinandergezogenen Zustand zurück in einen Zustand geringerer Spreizung.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Spule
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer Spule.
Bei Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen wird eine immer weitere Verbesserung der Zielgrößen Energieeffizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer angestrebt. Diese Zielgrößen stehen jedoch zum Teil miteinander und mit anderen Anforderungen in Konflikt. Beispielsweise im Fahrzeugbau rücken neben der Energieeffizienz insbesondere auch Bauraumanforderungen aufgrund eines beschränkten Platzangebotes in den Vordergrund. Für einen niedrigen Energieverbrauch in mobilen Anwendungen (z.B. im Auto oder in der Bahn) ist zudem ein geringes Gewicht der Antriebe von Bedeutung. In besonderem Maße gelten die beschriebenen Anforderungen für die Anwendung in Luftfahrzeugen, wo insbesondere die Zukunft der Elektrifizierung von Flugzeugantrieben maßgeblich von der Leistungsdichte der einzusetzenden Motoren bzw. Generatoren abhängt.
Eine Erhöhung der Dauerleistungsdichte von Elektromotoren ist maßgeblich durch den Leiteranteil der Spulenwicklung limitiert. Viele elektrische Maschinen, z.B. Elektromotoren, umfassen eine oder mehrere Spulen, die jeweils an einem Träger montiert sind. Ein solcher Träger samt Spule wird hier zur vereinfachten Bezugnahme als Segment bezeichnet. Die Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Komplexität der Herstellung werden regelmäßig maßgeblich durch die Ausgestaltung solcher Segmente bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte elektrische Maschinen zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Spule (insbesondere in Form einer elektrischen Spule und/oder in Form einer mechanischen Spirale) für eine Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Wickeln eines Drahts zur Herstellung einer gewickelten Spule (und optional das thermische Nachbehandeln der gewickelten Spule, z.B. ein Tempern), das Auseinanderziehen der bereits gewickelten Spule aus einem Ausgangszustand in einen auseinandergezogenen Zustand mit einer gegenüber dem Ausgangszustand vergrößerten Spreizung; das Versehen der Spule im auseinandergezogenen Zustand mit einer Beschichtung (insbesondere das Aufträgen der Beschichtung), z.B. einer Isolation, und das Überführen der Spule vom auseinandergezogenen Zustand zurück in einen Zustand mit im Vergleich dazu geringerer Spreizung, insbesondere in den Ausgangszustand in Bezug auf die Spreizung.
Das basiert auf der Erkenntnis, dass einige Beschichtungen, insbesondere elektrische Isolationen mit besonders guten Isolationseigenschaften, z.B. spröde sind und sich nicht oder nicht zufriedenstellend mitsamt einem Draht zu einer Spule biegen lassen, jedenfalls nicht zu einer Spule mit einer beliebigen Form. Daher besteht bei typischen Spulen, die für gewöhnlich aus isoliertem Draht hergestellt werden, Verbesserungspotential hinsichtlich der Isolation (allgemein der Beschichtung). Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können somit Beschichtungen mit besonders guten Isolationseigenschaften eingesetzt werden, sodass die Beschichtung verhältnismäßig dünner ausgeführt werden und der Leiteranteil erhöht werden kann. Würde die Spule lediglich auseinandergezogen und dann mit einer Isolation umgossen, sodass ein fest vergossenes Spulenstück entsteht, dann würde die Spule demgegenüber eine mitunter nicht optimale Bauraumnutzung aufweisen. Indem die Spule nach dem Beschichten wieder gestaucht wird, kann dies überwunden werden. Zudem bleibt die Spule hierbei flexibel, sodass sie besonders gut auf den Schaft des Trägers aufgeschoben werden kann. Die Beschichtung verbindet benachbarte Windungen nicht miteinander.
Optional erfolgt das Wickeln unter Hitzeeinwirkung und/oder nach dem Wickeln wird die Spule mit Wärme beaufschlagt. Hierdurch können Spannungen in dem Material des Drahts gelöst werden, sodass die Spule besonders formstabil in Bezug auf den Ausgangszustand ist und sich durch Rekristallisation des Materialgefüges optimale elektrische Eigenschaften einstellen.
Die Beschichtung kann ein anorganisches Material umfassen oder daraus bestehen. Derartige Materialien sind mit herkömmlichen Wicklungsverfahren regelmäßig nicht oder nur eingeschränkt einsetzbar.
Ferner kann die Beschichtung ein Keramikmaterial umfassen oder daraus bestehen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente elektrische Isolation.
Optional umschließt die Beschichtung den Draht, insbesondere vollständig (z.B. lediglich mit Ausnahme von dessen Enden), beispielsweise elektrisch isolierend. So können benachbarte Wicklungen elektrisch voneinander isoliert werden.
Zum Versehen mit der Beschichtung kann optional zumindest eines der folgenden Verfahren eingesetzt werden: Sol-Gel-Verfahren, Hartanodisieren, plasmachemische Verfahren, Anodisieren, Oxidation oder Plasmaspritzen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Beschichtung. Alternativ ist auch z.B. ein Lackieren möglich.
Wie bereits erwähnt kann bei dem Überführen der Spule vom auseinandergezogenen Zustand zurück in den Zustand geringerer Spreizung die Spule in Bezug auf die Spreizung in den Ausgangszustand überführt werden, z.B. infolge der federelastischen Eigenschaften der Spule.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Segments bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Trägers mit einem Schaft, einem Halteabschnitt, der an einer Seite des Schafts an den Schaft angrenzt und dazu ausgebildet ist, eine den Schaft umgebende Spule am Schaft zu sichern, und einem weiteren Abschnitt, der an der anderen Seite des Schafts in einem Winkel zum Schaft seitlich davon absteht. Ferner umfasst das Verfahren das Aufschieben einer vorab gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten, beschichteten Spule über den weiteren Abschnitt auf den Schaft des Trägers.
Das basiert auf der Erkenntnis, dass eine über den abstehenden weiteren Abschnitt aufgeschobene Spule vorab mit hoher Formgenauigkeit herstellbar ist, während der insbesondere einseitig abstehende weitere Abschnitt für eine ausreichend sichere Halterung der Spule sorgen kann. Hierdurch ist es z.B. nicht mehr nötig, nach dem Aufschieben der Spule ein zunächst separates Halteelement, z.B. in Form eines Zahnkopfes, mit dem Träger zu verbinden, z.B. zu verschweißen. Eine derartige nachträgliche Anbringung eines Halteelements kann zu unerwünschten Schnittkanteneffekten führen und macht regelmäßig zusätzliche Werkzeuge und Herstellungsschritte nötig. Zudem besteht bei derartigen, nachträglich angebrachten Halteelementen die Schwierigkeit der ausreichend sicheren Anbringung. Ein Verzicht auf das Halteelement hätte in der Regel ein verringertes erreichbares Drehmoment zur Folge. Somit erlaubt das vorgeschlagene Segment eine Gewichtsreduzierung bei einer gleichzeitig hohen Leistung und einer besonders präzise und damit effizient und mit hohem Leiter-Füllfaktor gewickelten Spule. Das ermöglicht leichte, effiziente und langlebige elektrische Maschinen. Der Halteabschnitt kann beidseitig seitlich vom Schaft abstehen, während der weitere Abschnitt z.B. einseitig seitlich vom Schaft absteht. Das Segment kann mit weiteren Segmenten z.B. zu einem Stator zusammengesetzt werden, z.B. im Polkettenverfahren. Der Träger eines Segments bildet dann ein Statorelement. Die Spule weist eine Form und/oder Flexibilität auf, sodass sie dem Verlauf des Segments vom weiteren Abschnitt bis zum Schaft folgen kann.
Der weitere Abschnitt ist z.B. zur Anbindung an einen oder mehrere benachbarte Segmente ausgebildet, beispielsweise zur Anbindung an zwei benachbarte Segmente. So kann zunächst die Spule über den weiteren Abschnitt aufgeschoben werden, wonach der weitere Abschnitt mit weiteren Segmenten verbunden wird. Hierdurch wird die Spule zusätzlich am Schaft gesichert. Der Halteabschnitt bildet insbesondere in diesem Fall z.B. einen Zahnkopf. Der weitere Abschnitt dient z.B. als Joch für durch die Spule erzeugte magnetische Feldlinien. Alternativ oder zusätzlich ist der Halteabschnitt zur Anbindung an einen oder mehrere benachbarte Segmente ausgebildet.
Optional wird zwischen die Spule und den Träger ein Schutzpapier, insbesondere in Form eines Nutisolationspapiers, angeordnet. Die Spule kann über das Schutzpapier geschoben werden. Alternativ wird das Schutzpapier vorab in die Spule eingelegt und dann mitsamt der Spule über den weiteren Abschnitt auf den Schaft geschoben. So können Beschädigungen der Spule verhindert werden.
Optional geht der Schaft über eine Rundung in den weiteren Abschnitt über. Dies kann das Aufschieben der Spule vom weiteren Abschnitt auf den Schaft erleichtern. Entsprechend kann die Spule über die Rundung geschoben werden.
Optional wird die gewickelte Spule während dem Aufschieben über den weiteren Abschnitt auf den Schaft des Trägers zumindest abschnittsweise auseinandergezogen und/oder gestaucht. Hierdurch kann die Spule insbesondere gut um den Winkel zwischen dem weiteren Abschnitt und dem Schaft des Trägers geführt werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines segmentierten Spulenträgers für eine elektrische Maschine angegeben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen mehrerer Segmente, hergestellt nach dem Verfahren nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, und, optional, das Verbinden der Segmente, z.B. derart, dass die Segmente um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
Figur 1A-1 C einen Träger und eine Spule in mehreren Schritten in der Herstellung eines Segments; Figur 2 einen segmentierten Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß Figur 1 C;
Figur 3A-3C einen abgerundeten Träger und eine Spule in mehreren Schritten in der Fierstellung eines Segments mit einer Rundung;
Figur 4 einen segmentierten Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß Figur 3C;
Figur 5A-5C den abgerundeten Träger und die Spule in mehreren Schritten in der Fierstellung des Segments gemäß Figuren 3A-3C, wobei weitere Details der Spule des Segments gezeigt sind;
Figur 6 einen segmentierten Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß Figur 5C;
Figur 7 eine elektrische Maschine in Form eines Elektromotors mit eines segmentierten Spulenträgers mit mehreren Segmenten gemäß Figur 5C;
Figur 8A-8D mehrere Schritte bei der Fierstellung einer isolierten Spule; und Figur 9 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit mehreren Triebwerken.
Bevor mit Bezug auf die Figuren 8A bis 8D und 5A-5C ein Verfahren zur Fierstellung einer Spule 11 erläutert werden wird, werden zunächst Segmente 1 ; T beschrieben, bei denen eine solche Spule 11 Anwendung finden kann.
Figur 1A zeigt einen Träger 10 für ein Segment und eine elektrische Spule 11. Der Träger 10 weist einen Schaft 100, einen Flalteabschnitt 101 und einen weiteren Abschnitt 102 auf.
Der Schaft 100 ist dazu ausgebildet, von der Spule 11 umschlossen zu werden. Der Schaft 100 weist Außenflächen auf. Wird der Schaft 100 von einer Spule 11 umgeben, dann erstreckt sich die Spule 11 entlang der Außenflächen um den Schaft 100 herum. Die Außenflächen des Schafts 100 erstrecken sich von einer ersten Seite des Schafts 100 bis zu einer zweiten Seite des Schafts 100, vorliegend parallel zu einer Spulenachse, um welche die den Schaft 100 umgebende Spule 11 gewunden ist. Der Schaft 100 kann senkrecht zu dieser Spulenachse eine (in die Bildebene der Figur 1A zeigende) Tiefe aufweisen, die so groß ist wie die in Figur 1A schematisch veranschaulichte Breite, oder die alternativ größer oder kleiner als die Breite ist, insbesondere wesentlich größer. Der Schaft 100 kann also länglich in Richtung der Tiefe senkrecht zur Spulenachse ausgebildet sein.
Der Flalteabschnitt 101 grenzt an der ersten Seite des Schafts 100 an den Schaft 100 an und ist dazu ausgebildet, die den Schaft 100 umgebende Spule 11 am Schaft 100 zu sichern, insbesondere daran zu halten, z.B. daran zu fixieren. Der Flalteabschnitt
101 weist eine größere Breite auf als der Schaft 100. Konkret steht der Flalteabschnitt 101 in zwei entgegengesetzte Richtungen vom Schaft 100 ab. So kann die den Schaft 100 umgebende Spule 11 daran sicher formschlüssig gehalten werden. Der Flalteabschnitt 101 überragt die Spule 11 , vorliegend an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten. Der Flalteabschnitt 101 weist zwei Flanken auf, die an gegenüberliegenden Außenflächen des Schafts 100 angrenzen. Diese Flanken verlaufen in einem Winkel zueinander und in einem Winkel zur vom Schaft 100 definierten Spulenachse. Die Flanken sind V-förmig zueinander ausgerichtet. Der Schaft 100 und der Flalteabschnitt 101 beschreiben gemeinsam die Form eines T. Der Flalteabschnitt 101 steht pilzkopfförmig vom Schaft 100 ab.
Vorliegend dient der Flalteabschnitt 101 als Zahnkopf. Der Flalteabschnitt 101 ist dazu vorgesehen, einem relativ zum Träger 10 beweglich montierten Bauteil zugewandt zu werden.
Der weitere Abschnitt 102 steht an der anderen, zweiten Seite des Schafts 100 einseitig vom Schaft 100 ab, und zwar in einem Winkel zum Schaft 100, vorliegend beispielhaft im rechten Winkel. Der Schaft 100 und der weitere Abschnitt 102 sind derart ausgeformt, dass die Spule 11 zur Montage am Träger 10 über den weiteren Abschnitt 102 auf den Schaft 100 aufschiebbar ist. Vorliegend erstreckt sich der weitere Abschnitt 102 gerade und in einer Ebene in einem Winkel (nämlich senkrecht) zur Spulenachse. Vom Schaft 100 abgewandt weist der weitere Abschnitt 102 ein offenes Ende 103 auf. Der Schaft 100 und der weitere Abschnitt 102 beschreiben gemeinsam die Form eines L.
Die Spule 11 ist hier schematisch blockförmig dargestellt und kann einen in einer einzelnen Lage oder in mehreren Lagen gewundenen Draht, insbesondere einen Flachleiter, oder mehrere in einer oder mehreren Lagen gewundene Drähte oder Litzen umfassen. Die Spule 11 ist bereits gewickelt, umfasst also bereits eine oder mehrere Windungen. Hierzu kann ein die Spule 11 bildender Leiter zunächst auf einen Dummykern aufgewickelt werden, was besonders leicht maschinell machbar ist. Daraufhin wird die Spule 11 vom Dummykern abgenommen und auf den weiteren Abschnitt 102 aufgeschoben.
Das Aufschieben der Spule 11 ist anhand der Figuren 1A bis 1C veranschaulicht. Ausgehend vom nicht montierten Zustand gemäß Figur 1A wird die Spule 11 zunächst über das freie Ende 103 des weiteren Abschnitts 102 geschoben. Daraufhin umgibt die Spule 11 zunächst den weiteren Abschnitt 102, wie in Fig. 1 B gezeigt.
Daraufhin wird die Spule 11 weiter zum Schaft 100 hin geschoben und dafür um den Winkel zwischen dem weiteren Abschnitt 102 und dem Schaft 100 geführt. Hierfür ist die Spule 11 z.B. mit einem Spiel zum weiteren Abschnitt 102 und/oder zum Schaft
100 ausgebildet, oder sie ist in entsprechendem Maß flexibel, wie weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 5A bis 5C noch näher erläutert werden wird.
Figur 1 C zeigt das fertig montierte Segment 1 mit der Spule 11 am Schaft 100 des Trägers 10.
Der Träger 10 ist einstückig ausgebildet. Der Träger 10 ist nicht aus mehreren Elementen zusammengesetzt, sondern aus einem einzigen Materialstück geformt. Der Träger 10 weist somit keine Fügeflächen auf. Alternativ ist der Träger 10 geblecht, besteht also z.B. aus mehreren, insbesondere deckungsgleichen Blechschnitten. Jeder der Blechschnitte umfasst dann einen Teil des Schafts 100, des Halteabschnitts
101 und des weiteren Abschnitts 102, d.h. diese sind auch bei einer geblechten Ausführung stets einstückig miteinander verbunden. In beiden Alternativen ist der Träger 10 frei von Fügeflächen zwischen dem Schaft 100 und dem Halteabschnitt 101 und zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102. Der weitere Abschnitt 102 dient als Verbindungsabschnitt zur Anbindung an zwei benachbarte, analog ausgebildete Segmente 1. Hierbei stellt das offene Ende 103 einen Verbindungsbereich bereit, der direkt oder wie in Figur 2 gezeigt mittels eines Verbindungselements 200 mit einem weiteren Segment 1 verbunden werden kann.
Eine Einbringung von Isolierstoffen am Segment 1 , insbesondere an die Spule 11 , kann vor und/oder nach der Montage der Spule 11 erfolgen. Eine abschließende Fixierung der Spule 11 am Träger 10 und/oder der Windungen der Spule 11 untereinander erfolgt optional durch Imprägnierung oder Verguss.
Figur 2 zeigt einen segmentierten Spulenträger 20 mit mehreren miteinander verbundenen Segmenten 1 gemäß Figur 1 C. Dabei ist jeweils das offene Ende 103 eines Segments 1 mit einem Übergangsbereich zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102 eines benachbarten Segments 1 verbunden, vorliegend mittels eines Verbindungselements 200. Der segmentierte Spulenträger 20 ist in einer linearen Konfiguration gezeigt und kann auch so verwendet werden, z.B. für einen Linearantrieb. Alternativ kann der segmentierte Spulenträger 20 kreisförmig konfiguriert werden. Entweder werden die Segmente 1 dafür gleich in einem Winkel zueinander aneinander befestigt, oder sie werden z.B. in eine Hülse eingesetzt. Die Verbindungselemente 200 können eine starre oder eine bewegbare Verbindung bereitstellen. Der segmentierte Spulenträger 20 kann auch als Polkette bezeichnet werden. Beispielsweise wird daraufhin ein Stator im Polkettenverfahren aus dem segmentierten Spulenträger 20 hergestellt. Hierzu werden mehrere Segmente 1 in einer Kette angeordnet und dann in eine vorbestimmte Anordnung zueinander gebracht und relativ zueinander fixiert, z.B. mittels eines äußeren Rings.
Die Figuren 3A bis 3C zeigen die Montage der Spule 11 an einem Träger 10' zur Herstellung eines Segments T, wobei der Träger 10' im Unterschied zum Träger 10 des Segments 1 gemäß Figuren 1A bis 1 C mit zwei Rundungen 104, 105 ausgebildet ist, und im Übrigen analog dazu ausgebildet ist. Konkret weist der Träger 10' eine Rundung 104 am Übergang zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102 auf. Die Rundung 104 ist konvex. Die Rundung 104 ist im gezeigten Beispiel kreisbogenförmig. Die Rundung 104 weist einen Krümmungsradius auf, der z.B. (genau, in etwa oder zumindest) der Materialstärke des Schafts 100 und/oder des weiteren Abschnitts 102 entspricht. Diese Rundung 104 erleichtert das Aufschieben der Spule 11 über den weiteren Abschnitt 102 auf den Schaft 100.
Die Figuren 3A bis 3C zeigen entsprechend das (erleichterte) Aufschieben der Spule 11 auf den Träger 10‘.
Optional wird zwischen die Spule 11 und den Träger 10' ein Schutzpapier 106, insbesondere in Form eines Nutisolationspapiers, angeordnet. Die Spule 11 kann über das Schutzpapier 106 geschoben werden. Alternativ wird das Schutzpapier 106 vorab in die Spule 11 eingelegt und dann mitsamt der Spule 11 über den weiteren Abschnitt 102 auf den Schaft 100 geschoben. So können Beschädigungen der Spule 11 verhindert werden, insbesondere einer Beschichtung der Spule 11 .
Der Träger 10' weist eine weitere Rundung 105 auf, welche vorliegend am offenen Ende 103 des weiteren Abschnitts 102 ausgebildet ist. Diese Rundung 105 ist konkav. Diese Rundung 105 ist passend zur Rundung 104 am Übergang zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102 ausgebildet. Die Formen der beiden Rundungen 104, 105 passen ineinander. Flierdurch können mehrere Segmente T ohne Luftspalt in flächige Anlage an den passenden Rundungen 104, 105 miteinander gebracht werden.
Figur 4 zeigt einen entsprechenden segmentierten Spulenträger 20' mit mehreren Segmenten 1 '. Der segmentierte Spulenträger 20' ermöglicht eine besonders effiziente Führung der magnetischen Feldlinien.
Die Figuren 5A bis 5C zeigen denselben Träger 10' wie die Figuren 3A bis 3C, wobei die Spule 11 konkret als einlagige Wicklung eines Drahtes 110 veranschaulicht ist. Die Spule 11 ist hier mit einer spiralförmigen Geometrie veranschaulicht. Die Spule 11 weist beispielhaft den Aufbau einer Spiralfeder auf. Sie kann durch eine Krafteinwirkung elastisch verformt werden und kehrt nach Beendigung der Krafteinwirkung elastisch in ihre vorherige Konfiguration zurück.
Der Draht 110 weist eine Flexibilität auf, die es erlaubt, die Abstände zwischen einzelnen Windungen der Spule 11 elastisch zu verändern. Hierdurch ist es besonders leicht, die Spule 11 über die Rundung 104 auf den Schaft 100 zu schieben. Insbesondere sind die einzelnen Windungen der Spule 11 nicht miteinander fixiert, z.B. verklebt.
Optional wird ein Flachmaterialstück, insbesondere ein Isolationspapier zwischen dem Träger 10' und der Spule 11 angeordnet, um das Aufschieben der Spule 11 zu erleichtern und ggf. eine Beschädigung einer Isolationsschicht der Spule 11 zu verhindern.
Figur 6 zeigt wiederum den segmentierten Spulenträger 20' mit den mehreren Segmenten T. Die Spule 11 grenzt an der ersten Seite des Schafts 100 an den Halteabschnitt 101 an und grenzt an der zweiten Seite des Schafts 100 an den weiteren Abschnitt 102 an.
Während der segmentierte Spulenträger 20' in Figur 6 in einer linearen Anordnung gezeigt ist, zeigt Figur 7 den segmentierte Spulenträger 20' in einer ringförmigen Anordnung. Die einzelnen Segmente T sind dabei konzentrisch um eine Rotationsachse R herum angeordnet. Die Segmente T sind aneinander fixiert und/oder mittels einer Haltevorrichtung, z.B. einer Hülse, relativ zueinander fixiert. Der segmentierte Spulenträger 20' bildet einen Stator einer elektrischen Maschine 2 in Form eines Elektromotors. Die elektrische Maschine 2 umfasst ferner einen innerhalb des segmentierten Spulenträgers 20' angeordneten Rotor 21. Der Rotor 21 ist relativ zum segmentierten Spulenträger 20' um die Rotationsachse R drehbar. Der Rotor 21 umfasst eine Vielzahl an Permanentmagneten. Der Rotor 21 ist durch einen elektrischen Stromfluss durch die Spulen 11 um die Rotationsachse R relativ zum Stator drehbar.
Optional sind Zahnköpfe des segmentierten Spulenträgers 20' asymmetrisch ausgebildet, wie in Figur 7 am obersten Segment T mittels einer gestrichelten Linie veranschaulicht.
Die Figuren 8A bis 8D veranschaulichen ein Verfahren zur Beschichtung einer Spule 11 , insbesondere der Spule 11 für die hierin beschriebenen Segmente 1 ; T. Hierbei wird zunächst (zumindest) ein blanker, nicht isolierter Draht 110 zur Spule 11 gewickelt. Da nicht auf eine schon vor dem Wickeln vorhandene Beschichtung geachtet werden muss, kann die Wickelung vereinfacht werden und der Draht 110 kann mit mehr Kraft, präziser gewickelt werden. Zudem wird die Wickelung nicht durch maximale Biegeradien oder Streckgrenzen einer Beschichtung limitiert, sodass der Draht 110 sehr genau in eine vorgegebene Form gebracht werden kann, z.B. in eine rechteckige oder vieleckige Form. Diese Vorteile gelten für alle Arten von Drähten oder Litzen, sie gelten aber in besonderem Maße bei massiven Einzeldrahtwicklungen. Optional weist der Draht 110 ein rechteckiges Querschnittsprofil auf kann aber auch jegliche Form von Querschnittsprofilen annehmen. Der Draht 110 kann auch als Flachleiter ausgeführt sein.
Die Spule 11 liegt dann zunächst in einem Ausgangszustand vor. Dieser Ausgangszustand ist in Figur 8A gezeigt. Optional erfolgt das Wickeln unter Anwendung von Wärme und/oder die gewickelte Spule 11 wird einem Schlussglühen unterzogen. Hierdurch können Spannungen im Material reduziert werden, sodass die Spule 11 ihre gewickelte Form gemäß dem Ausgangszustand beibehält und durch Rekristallisation des Materialgefüges die elektrischen Eigenschaften optimiert werden. Eine Heizung 5 zur Beaufschlagung des Drahts 110 und/oder der Spule 11 mit Wärme ist schematisch in Figur 8A veranschaulicht.
Ausgehend vom Ausgangszustand gemäß Figur 8A wird die gewickelte Spule 11 dann (reversibel) auseinandergezogen und damit in einen auseinandergezogenen Zustand überführt, der im Vergleich mit dem Ausgangszustand eine größere Spreizung aufweist, also einen größeren Abstand benachbarter Windungen zueinander. Der auseinandergezogene Zustand ist in Figur 8B gezeigt.
Im auseinandergezogenen Zustand wird die Spule 11 sodann mit einer Beschichtung 111 versehen, insbesondere in Form einer elektrischen Isolation, siehe Figur 8C. Durch die Spreizung kann die Beschichtung 11 an allen Oberflächen des Drahts 110 aufgebracht werden. Die Beschichtung kann eine Keramik umfassen. Zum Beispiel isoliert die Beschichtung 110 benachbarte Windungen der Spule 11 elektrisch voneinander. In diesem Zustand ist der Draht 110 der Spule 11 zudem von allen Seiten frei zugänglich, sodass die aufgebrachte Beschichtung 111 besonders gut kontrolliert werden kann, ohne dass aufwändige Verfahren dafür eingesetzt werden müssen. Das ermöglicht auch besonders hohe Qualitätsstandards.
Daraufhin wird die beschichtete Spule 11 vom auseinandergezogenen Zustand in einen Zustand mit vergleichsweise dazu geringerer Spreizung überführt, optional in den Ausgangszustand in Bezug auf die Spreizung. Diese Überführung kann z.B. durch die eigene Flexibilität der (im Ausgangszustand formtreuen) Spule 11 erfolgen, z.B. indem die zum Spreizen auseinandergezogenen Enden der Spule 11 losgelassen werden. Dieser Endzustand der fertigen, beschichteten Spule 11 ist in Figur 8D veranschaulicht.
Da zwischen dem auseinandergezogenen Zustand und dem Ausgangszustand jedes Stück des Drahts 110 wesentlich weniger verformt wird als bei der Wicklung der Spule 11 , sind die mechanischen Belastungen der Beschichtung 111 bei der Rückkehr in den Ausgangszustand verhältnismäßig gering. Dies ermöglicht eine verbesserte Lebensdauer der Spule 11 , sowie den Einsatz von besonders effizienten Beschichtungen, die normalerweise aufgrund ihrer Sprödigkeit, einer Faltenbildung oder anderer Materialeigenschaften nicht verwendbar gewesen wären. Das kommt besonders zum Tragen, weil regelmäßig Beschichtungen mit besonders guten elektrischen Eigenschaften nur sehr eingeschränkt mechanisch belastbar sind, z.B. Keramiken. Auch kann auf ansonsten ggf. notwendige Schritte zur Heilung von Fehlstellen in der Beschichtung verzichtet werden, da die Beschichtung nur noch geringfügig mechanisch beansprucht wird.
Die Beschichtung 111 umfasst insbesondere ein anorganisches Material oder besteht daraus. Beispielsweise kann zur Beschichtung eines der folgenden Verfahren eingesetzt werden: Sol-Gel-Verfahren, Hartanodisieren, plasmachemische Verfahren, Anodisieren, Oxidation oder Plasmaspritzen.
Optional wird die Spule 11 aus mehreren einzelnen, wie beschrieben gespreizt beschichteten Leitern zusammengesetzt, die anschließend miteinander verschweißt werden.
Die fertiggestellte Spule 11 gemäß Figur 8D kann dann auf den Träger 10; 10' aufgeschoben werden, siehe insbesondere die Figuren 5A bis 5C. Insbesondere weist diese Spule 11 eine Elastizität auf, die es erleichtert, die Spule 11 (z.B. Windung für Windung) über den weiteren Abschnitt 102 des Trägers auf den Schaft 100 zu schieben.
Figur 9 zeigt ein Luftfahrzeug 4 in Form eines Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 4 umfasst Tragflächen und mehrere Triebwerke 3. Jedes der Triebwerke 3 umfasst einen Elektromotor gemäß Figur 7.
Da die Spule 11 vorab, separat vom Träger 10; 10' gewickelt wird, ist diese besonders effizient und formtreu herstellbar. Da nicht auf den Halteabschnitt 101 verzichtet werden muss, kann eine gute Performance in Bezug auf ein Drehmoment und auf ein Rastmoment erzielt werden. Da das Halteelement nicht nachträglich fixiert werden muss, ergeben sich keine diesbezüglichen Schnittkanteneffekte und komplexe Geometrien zur Fixierung des Halteelements, z.B. Schwalbenschwanz-Formschlüsse sind nicht nötig. Auch die Herstellungstoleranzen können dadurch verbessert werden. Ferner ist es möglich, einen Verschnitt bei der Herstellung zu reduzieren. Die einstückige Ausgestaltung erlaubt eine besonders robuste Ausführung und lange Lebensdauer. Durch die einfache Geometrie kann auch die Herstellung deutlich vereinfacht werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Bezugszeichenliste
1; r Segment 10; 10‘ Träger 100 Schaft
101 Halteabschnitt 102 weiterer Abschnitt
103 offenes Ende
104 Rundung 105 Rundung
106 Schutzpapier
11 Spule
110 Draht
111 Beschichtung 2 elektrische Maschine
20 20 segmentierter Spulenträger 200 Verbindungselement 21 Rotor 3 Triebwerk 4 Luftfahrzeug
5 Heizung R Rotationsachse

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Spule (11 ) für eine Maschine (2), umfassend:
Wickeln eines Drahts (110) zur Herstellung einer gewickelten Spule (11 ); Auseinanderziehen der Spule (11) aus einem Ausgangszustand in einen auseinandergezogenen Zustand mit einer vergrößerten Spreizung;
Versehen der Spule (11) im auseinandergezogenen Zustand mit einer Beschichtung (111); und
Überführen der Spule (11) vom auseinandergezogenen Zustand zurück in einen Zustand geringerer Spreizung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (110) ein Keramikmaterial umfasst oder daraus besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wickeln unter Hitzeeinwirkung erfolgt und/oder nach dem Wickeln die Spule (11 ) mit Wärme beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung (110) ein anorganisches Material umfasst oder daraus besteht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (111) den Draht (110) elektrisch isolierend umschließt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Versehen mit der Beschichtung (110) eines der folgenden Verfahren eingesetzt wird: Sol-Gel- Verfahren, Hartanodisieren, plasmachemische Verfahren, Anodisieren, Oxidation oder Plasmaspritzen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Überführen der Spule (11) vom auseinandergezogenen Zustand zurück in den Zustand geringerer Spreizung die Spule (11) in Bezug auf die Spreizung in den Ausgangszustand überführt wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Segments (1; 1‘) für eine elektrische Maschine (2), umfassend:
Bereitstellen eines Trägers (10; 10‘) mit einem Schaft (100), einem Halteabschnitt (101), der an einer Seite des Schafts (100) an den Schaft (100) angrenzt und dazu ausgebildet ist, eine den Schaft (100) umgebende Spule (11) am Schaft (100) zu sichern, und einem weiteren Abschnitt (102), der an der anderen Seite des Schafts (100) in einem Winkel zum Schaft (100) davon absteht; und
Aufschieben einer gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten Spule (11) über den weiteren Abschnitt (102) auf den Schaft (100) des Trägers (10; 10‘).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schaft (100) über eine Rundung (104) in den weiteren Abschnitt (102) übergeht und die Spule (11 ) über die Rundung (104) geschoben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die gewickelte Spule (11) während dem Aufschieben über den weiteren Abschnitt (102) auf den Schaft (100) des Trägers (10; 10‘) zumindest abschnittsweise auseinandergezogen wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines segmentierte Spulenträgers (20; 20‘) für eine elektrische Maschine (2), umfassend:
Bereitstellen mehrerer Segmente (1; T), hergestellt nach einem der Ansprüche 7 bis 9, und;
Verbinden der Segmente (1; T) derart, dass die Segmente (1; T) um eine gemeinsame Achse (R) herum angeordnet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3802066A (en) 1972-04-06 1974-04-09 Zenner W Assembly method for stator or dynamo-electric machine
US4376904A (en) * 1981-07-16 1983-03-15 General Electric Company Insulated electromagnetic coil
US6137202A (en) * 1999-04-27 2000-10-24 General Electric Company Insulated coil and coiled frame and method for making same
JP2004194404A (ja) 2002-12-10 2004-07-08 Asmo Co Ltd ブラシレスモータのステータ及びブラシレスモータ
JP4658487B2 (ja) 2004-02-20 2011-03-23 満男 海老澤 コイル、コイルの製造方法及び製造装置
DE102011083128A1 (de) * 2011-09-21 2013-03-21 Matuschek Meßtechnik GmbH Elektromotor
US8927630B2 (en) 2011-12-20 2015-01-06 Sejong University Industry Academy Cooperation Foundation Inorganic nanofiller, partial discharge resistant enameled wire including the same, and preparing method of the enameled wire
DE102013106529A1 (de) 2013-06-21 2015-01-08 Schwering & Hasse Elektrodraht Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers
JP6162650B2 (ja) 2014-06-12 2017-07-12 ファナック株式会社 分割コアを有するコアを備えた固定子および電動機、ならびに固定子の製造方法
DE102014222468A1 (de) 2014-11-04 2016-05-04 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Fließpressverfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule und Spule nach diesem Verfahren hergestellt

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