EP4639740A1 - Elektrische spule eines stators aus litzendraht und herstellungsverfahren einer derartigen elektrischen spule - Google Patents

Elektrische spule eines stators aus litzendraht und herstellungsverfahren einer derartigen elektrischen spule

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Publication number
EP4639740A1
EP4639740A1 EP23834088.9A EP23834088A EP4639740A1 EP 4639740 A1 EP4639740 A1 EP 4639740A1 EP 23834088 A EP23834088 A EP 23834088A EP 4639740 A1 EP4639740 A1 EP 4639740A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
winding
pressed
strand
pressing
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
EP23834088.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter GRÖPPEL
Theo KAFFENBERGER
Markus Wild
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 EP4639740A1 publication Critical patent/EP4639740A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02K15/0431—Concentrated windings
    • 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
    • H01F41/064—Winding non-flat conductive wires, e.g. rods, cables or cords
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
    • H01F5/06—Insulation of windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/325—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for windings on salient poles, such as claw-shaped poles

Definitions

  • the invention relates to an electrical coil according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing an electrical coil.
  • stranded wires which are made from a large number of thin twisted round wires.
  • Coils for electrical machines using stranded wire technology are described, for example, in DE 44 14 527 C1 and WO 2004/059817 A1.
  • stranded conductors have a lower copper fill factor because they are made up of individual wires, with a theoretical maximum copper content of 78% for round individual wires. In reality, this value is significantly lower because the distribution of the individual wires does not correspond to a dense packing and the free volume increases due to the winding, the twisting of the individual wires and the residual stresses of the strand.
  • winding wires made from stranded wire can be pressed into a multi-layer coil after winding in order to increase the copper fill factor.
  • pressing the stranded wires can have a negative effect on the insulation properties, as the individual wires and their insulation can be damaged by high mechanical loads or the compression can make it more difficult to impregnate the coil with a resin.
  • the present invention is based on the object of providing a coil made from a stranded winding wire, which is characterized by a high copper fill factor. Furthermore, a method for producing such a coil is to be provided.
  • a coil which has a winding wire which is wound into a plurality of coil turns.
  • the winding wire has a strand which comprises a plurality of thin, twisted individual wires.
  • the strand is also covered with a winding insulation.
  • the coil windings are wrapped in at least one section with a fixing tape which locally encases and geometrically fixes the coil windings in a pressed state of the coil.
  • the solution according to the invention is based on the idea of fixing the electrical coil in its pressed state and thereby preventing the coil from fanning out again after the pressing pressure is removed. By preventing this, the high copper filling factor that occurs when the coil is pressed is maintained without the The copper fill factor then decreases again when the pressing pressure is removed. This permanently provides a high copper fill factor for the coil based on a stranded winding wire.
  • the invention provides for the use of at least one fixing band that is wound locally around the coil windings in at least one section, whereby the fixing band geometrically fixes the coil windings and in particular prevents the coil windings from fanning out.
  • the coil is dimensional stable and has defined dimensions.
  • the fixing band only surrounds the coil locally or in sections and not completely. Otherwise it would not be possible, or not possible to a sufficient extent, to finally impregnate the coil with a resin.
  • the solution according to the invention thus makes it possible to provide dimensional stability for the coil in conjunction with the possibility of impregnation.
  • the fixing tape consists of a hardened composite material, whereby the fixing tape is flexible before it hardens, so that it can be wound around the coil windings before it hardens.
  • a fixing tape that is non-adhesive at room temperature, melts at elevated temperatures with high viscosity and then hardens after a short time.
  • Such tapes are also referred to as B-stage tape or B-stage epoxy.
  • An example of this is the material "Voltafix 2102" from the Isovolta Group, which is constructed as an epoxy resin/glass fiber composite material.
  • Other pre-impregnated fibers (pregs) can also be considered as material for the fixing tape.
  • the individual wires of the strand can each be provided with insulation in a manner known per se, so that no current flows between the individual wires of the strand. It can also be provided that the individual wires of the strand are each provided with a baked varnish coating.
  • a baked varnish coating represents a meltable and hardenable coating of the individual wires.
  • the baked varnish coating surrounds the individual wire insulation of the individual wires of the strand.
  • the baked varnish hardens together with the fixing tape, as will be explained in connection with the manufacturing process according to the invention.
  • the coil windings are locally fixed by a plurality of fixing bands that are spaced apart from one another, so that free areas without a fixing band are formed between the fixing bands. For example, it is provided that the coil windings are locally covered by a fixing band in the area of a straight leg of the coil, whereby a plurality of fixing bands can also be provided for each leg of the coil.
  • the fixing tape is initially wound around the coil windings and then hardens. It surrounds all the coil windings in a particular section of the coil. In some designs, it lies directly on the coil windings.
  • the strand is provided with a winding insulation, which forms the outer sheath of the winding wire.
  • the winding insulation consists in some designs of a porous, but compressible or compressed material that is electrically insulating.
  • the winding insulation is porous in that it has the ability to absorb resin when the coil is impregnated. This enables subsequent impregnation of the strand, including the individual wires and the winding insulation itself.
  • the winding insulation material is compressible, i.e. it can reduce its volume under pressure. This is advantageous in order to increase the copper fill factor within the winding wire when the coil or winding wire is pressed. Even in the pressed state, when the winding insulation is maximally compressed, it has electrically insulating properties so that the coil turns are safely insulated from one another. The porosity of the winding insulation is also retained in the compressed state of the coil.
  • the winding insulation is wound around the strand as a band-like material, for example.
  • the winding insulation can consist of typical fabric materials with sufficient temperature stability, which are based on polymers such as aramid fibers, PBO fibers, polyester fibers, nylon fibers, PTFE, etc.
  • Inorganic fibers such as glass, quartz, ceramic or basalt fibers or natural fibers can also be used.
  • Such materials can be used in the form of continuous fibers as fabrics or scrims, but also as short fibers in the form of fleeces.
  • porous standard insulation materials for example made of m-aramid fibers, is also possible.
  • the winding insulation is impregnated with a resin when the coil is applied to a winding body such as a stator core, whereby the resin also surrounds the strand including the individual wires of the strand and the coil is thus impregnated with the resin.
  • a further embodiment provides that the winding wire is given a rectangular cross-section during pressing, so that it has a rectangular cross-section in the coil. This enables the provision of a high copper fill factor with regard to the compactness of the coil windings.
  • the present invention relates to an electric machine with a rotor and a stator, wherein the stator has coils according to claim 1, each of which is applied to a winding body of an individual tooth of the stator.
  • the electric motor is, for example, a permanent magnet synchronous motor.
  • the stator is fitted with coils, while surface-mounted permanent magnets are attached to the rotor.
  • the present invention relates to a method for producing an electrical coil, comprising the steps:
  • Winding a winding wire consisting of a strand comprising a plurality of thin twisted individual wires and provided with a winding insulation into a coil with a plurality of coil turns, wherein the winding wire is wound on a dummy winding body,
  • the method according to the invention is based on the idea of arranging a fixing band locally on the outside of the coil and pressing the coil, whereby the fixing band hardens in the pressed or compressed state of the coil and thereby fixes it in the pressed or compressed state.
  • This provides a permanently high copper fill factor of the coil.
  • Pressing the coil involves, on the one hand, compressing the strands of the winding wire, whereby the winding insulation is also pressed together to enable the strands to be compressed. This is done in such a way that the function of the winding insulation is retained and it continues to have sufficient porosity to absorb an impregnating resin in a later step. Pressing the coil also involves pressing the individual coil windings together so that there are no hollow spaces between the individual windings.
  • the pressing of the coil in the direction of the coil axis takes place, for example, in a vertical direction if the coil is aligned vertically.
  • the pressing takes place, for example, by reducing the distance between parallel plates in a vertical direction, thereby pressing the coil turns together.
  • the pressing of the coil can also take place perpendicular to the coil axis, for example in a horizontal direction. This can also be done, for example, by shortening the distance between parallel plates, whereby the coil turns are pressed together in a horizontal direction, for example against a winding body.
  • the coil can be removed from the dummy winding body and applied to a winding body of a single tooth, whereby the winding body of the single tooth comprises, for example, a laminated core and the coil is inserted into a groove of the laminated core.
  • the coil is designed in the form of a tooth coil winding (also referred to as a concentrated winding).
  • a plurality of such tooth coils or single teeth can be assembled to form a ring-shaped stator of an electrical machine.
  • the winding of at least one curable fixing tape around the coil windings can take place before or after pressing. If the fixing tape is wound around the coil windings before pressing, pressing takes place in one step. If the fixing tape is wound around the coil windings after pressing, pressing takes place in two steps. The second case is considered first below.
  • the pressing of the coil in two steps provides that in a first pressing step the coil is pre-pressed in the direction of the coil axis, whereby the strands of the winding wire are compressed and the individual coil turns are pressed together, after the first step, the pre-pressed coil is removed from the dummy winding body, then the at least one fixing band is wound in a flexible, not yet cured state around the coil removed from the dummy winding body, then the coil provided with the at least one fixing band is placed back into the dummy winding body, in a second pressing step the coil is pressed again in the direction of the coil axis, whereby the individual coil turns are pressed together and the coil assumes a final compacted state, the fixing band hardens or is caused to harden when the coil is in the final compacted state, and the compacted coil fixed with the hardened fixing band is removed from the dummy winding body.
  • the pressing in two steps is due to the fact that when the pre-pressed coil is removed from the dummy winding body in order to attach the at least one fixing band, the coil already fans out again to a small degree. After attaching the at least one fixing band, it is therefore necessary to compress or press the coil again, this time with the attached fixing band.
  • the fixing band hardens or is caused to harden, for example by increasing the temperature.
  • the finally compressed coil is fixed by the hardened fixing band and is given dimensional stability. It can then be removed from the dummy winding body.
  • pressing takes place in just one step. It is provided that after winding the winding wire and before pressing, the at least one fixing band is wound in a flexible, not yet hardened state around the not yet compressed coil (in this case, it can be provided that the wound winding wire is removed from the dummy winding body, provided with the fixing band and then placed back on the dummy winding body), then the coil is pressed with the at least one fixing band in the direction of the coil axis, whereby on the one hand the strands of the winding wire are compressed and on the other hand the individual coil turns are pressed against each other so that the coil assumes a compressed state, the fixing band only hardens or is caused to harden (for example by increasing the temperature and then cooling) when the coil is in the compressed state, and the compacted coil, fixed with the hardened fixing tape, is removed from the dummy winding body.
  • the fixing band is already attached to the coil windings before pressing. Pressing and compacting the coil results in the fixing band being arranged relatively loosely on the coil windings. Nevertheless, the coil windings or the coil are fixed in the compacted state because the fixing band hardens and can therefore fulfill the function of fixing the coil despite the possible formation of loops or the like.
  • a further embodiment of the method provides that the individual wires of the strand are each coated with a baked varnish coating, whereby the baked varnish coating hardens or is caused to harden together with the insulating tape.
  • the hardening takes place, for example, by increasing the temperature and then cooling it down.
  • the hardening of the baked varnish together with the insulating tape ensures that the coil winding in the compacted state also achieves strength and dimensional stability inside the strand area.
  • Embodiments of the invention provide that the winding wire is pressed to a rectangular cross-section.
  • Another embodiment provides that after the coil is applied to the winding body of the tooth coil, the coil is impregnated, whereby the winding insulation and the strand of the winding wire are impregnated with a resin.
  • the resin is absorbed by the porous winding insulation and also fills the remaining gaps between the individual strands.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a winding wire comprising a strand with a plurality of individual wires and a winding insulation
  • Figure 2 shows a perspective view of an embodiment of an electrical coil having a plurality of coil windings, wherein the coil windings are each wound in four sections with a fixing band which encases the coil windings and fixes them geometrically;
  • Figure 3 shows the coil of Figure 2 in a rear view;
  • Figure 4 schematically shows a dummy winding body which is used in a method for producing a coil according to Figures 2 and 3, wherein a winding wire consisting of a strand is wound on the dummy winding body to provide a coil with a plurality of coil turns;
  • Figure 5 is a perspective view of an example of a single tooth of a stator of a permanent magnet synchronous motor comprising a coil
  • Figure 6 is a flow chart of a method for producing an electrical coil according to Figures 2 and 3.
  • Figure 5 shows a perspective view of an example of a coil in the form of a single-tooth coil 1 wound on a coil body, the single-tooth coil 1 and the coil body forming a single tooth 100.
  • the coil body comprises a sheet metal front plate 101, a sheet metal rear plate 102 and a winding body (not visible in Figure 5) which extends between the sheet metal front plate 101 and the sheet metal rear plate 102 and around which a winding wire 10 is wound, which forms the coil 1.
  • the coil body forms a groove between the sheet metal front plate 101 and the sheet metal rear plate 102.
  • An insulating paper 104 can be arranged between the winding body and the winding wire 10.
  • the winding body typically has a cuboid-shaped main body which consists of a stack of rectangular, lacquer-insulated electrical sheets.
  • a winding head carrier made of plastic (not visible in Figure 5) is placed on each end of the cuboid-shaped sheet-metal winding body, which provides the required rounding for the winding wire 10.
  • the winding wire 10 forms a plurality of turns 11, each of which forms straight longitudinal sections or legs 12 and further sections 13 at their ends, which in the embodiment shown are rounded and folded around a winding head carrier by 180°.
  • the winding wire 10 is guided in the rounded sections 13 without kinks.
  • the winding wire 10 is formed by a flat copper conductor that is wound onto the winding body. Two contact ends 14, 15 of the winding wire 10 protrude to one side. They serve to electrically contact the winding wire 10.
  • the winding wire 10 can be formed by a stranded wire.
  • the sheet metal front plate 101 has a smaller width than the sheet metal rear plate 102. This allows a plurality of individual teeth 100 to be assembled to form a ring-shaped stator of an electrical machine, for example a permanent magnet synchronous motor, wherein the interconnected sheet metal rear plates 102 form an outer stator ring of such a stator.
  • the aim is to increase the copper fill factor of the winding wire 10 and thus of the coil.
  • the winding wire according to the invention is not wound directly onto the winding body of the individual tooth 100, but rather is first wound onto a dummy winding body.
  • the resulting coil is compressed and fixed and then placed as an air coil on the individual tooth 100, the geometry of the individual tooth 100 being adapted accordingly for this purpose and it having, for example, removable elements.
  • the sheet metal front plate 101 is designed to be removable in order to be able to place the wound coil 1 onto the winding body of the individual tooth 100.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a winding wire 10 used in the invention, which is wound into a plurality of coil turns that form a coil.
  • the winding wire consists of a strand 160 that comprises a plurality of thin, twisted individual wires 110.
  • the individual wires 110 have a circular cross-section. Between the individual individual wires 110 there is a cavity or a free volume 140.
  • the strand 160 consisting of the individual wires 110 is surrounded by a winding insulation 150.
  • the winding insulation 150 consists of a porous, compressible material that is electrically insulating.
  • the material is designed in such a way that the electrical insulation property is retained even after compression of the material.
  • the winding insulation 150 consists, for example, of a fabric, a scrim or a fleece based on polymers or organic fibers.
  • each individual wire 110 is provided with an insulation 120 that electrically insulates the individual wire 110.
  • the insulation 120 is followed by a coating of baked enamel 130.
  • the coating of baked enamel 130 is suitable and intended to melt at elevated temperatures and then harden.
  • FIG. 2 shows an electrical coil 1 according to the present invention in the finished state.
  • the coil 1 comprises a plurality of coil turns 11, which are formed by a winding wire 10.
  • Each coil turn 11 comprises two straight legs 12 and two further sections 13 at its ends, which are rounded in the illustrated embodiment, but can alternatively be formed in a straight line, for example.
  • a voltage is applied to the coil 1 via the contact ends 14, 15 of the winding wire 10, which protrude on one side of the coil 1.
  • the coil 1 further comprises four fixing bands 21-24, each of which wraps around the coil turns 11 in a section 16.
  • the fixing bands 21-24 consist of a hardened composite material. They were hardened in a state in which the coil 1 was in a pressed state, so that they geometrically fix the pressed state of the coil and provide dimensional stability for the coil 1.
  • each straight leg 12 two fixing bands 21-24 are provided in the area of each straight leg 12, which are arranged at opposite ends of the legs 12 and in each case locally wrap around the coil windings 11 in the sections 16 and geometrically fix them.
  • This arrangement of the fixing bands is to be understood as an example only.
  • Figure 3 shows the coil 1 of Figure 2 in a front view and rear view. A coil axis 4 is also shown.
  • the coil 1 of Figures 2 and 3 consists of a winding wire 10, which is constructed according to Figure 1 and accordingly comprises a strand 160 with individual wires 110 and a winding insulation 150.
  • a manufacturing process is required in which, on the one hand, the strands 160 of the winding wire 10 are compacted. This takes place under pressure, whereby the winding insulation 150 is also compressed, so that the internal volume of the winding wire 10 during The pressing process is reduced overall and the copper filling factor of the winding wire 10 is increased accordingly.
  • the individual coil turns 11 are pressed together so that there are no hollow spaces between them.
  • the winding wire 10 also receives its final shape during the pressing process, which in the embodiment shown is not necessarily rectangular.
  • a winding wire consisting of a strand of a large number of thin, twisted individual wires and a winding insulation is wound into a coil with a large number of coil turns.
  • the winding wire is wound onto a dummy winding body.
  • a dummy winding body is shown as an example in Figure 4.
  • the dummy winding body 30 is located on a platform 31 and is delimited by side walls 32.
  • step 62 the coil consisting of the individual coil turns is pressed in the direction of the coil axis (see coil axis 4 in Figure 3). This is done by moving parallel pressing plates (not shown in Figure 4) towards each other. For example, an upper pressing plate is moved in the direction of the platform 31, which in the process forms a lower pressing plate.
  • step 63 at least one hardenable fixing tape (corresponding to the fixing tapes 21-24 in Figures 2 and 3) is wound around all the coil turns.
  • the fixing tape is not yet hardened, but is flexible so that it can be wound around the coil turns without any problem.
  • the fixing tape is, for example, a hardenable tape that is not adhesive at room temperature, but melts with high viscosity at elevated temperatures and then hardens.
  • Such a hardenable tape is also called a 'B-stage tape'.
  • the winding of the at least one curable fixing tape around the coil turns can be carried out before or after pressing, as will be explained below.
  • the fixing tape is hardened, whereby the hardened fixing tape fixes the coil in the compressed state.
  • the hardening of the fixing tape thus takes place at a time when the coil is in the compressed or pressed state. This makes it possible to maintain the pressed state of the coil using the hardened fixing tape and to prevent the coil turns from fanning out after the pressing pressure has ended.
  • the temperature is increased, for example, so that the fixing tape melts.
  • Such an increase in temperature also causes the baked varnish 130, which surrounds the individual wires 110 of the strand 160 ( Figure 1), to melt.
  • the fixing tape hardens and the baked varnish hardens as well.
  • the hardened baked varnish ensures that the increased copper content of the strand achieved by the pressing process is fixed.
  • the strand can no longer increase in volume.
  • the coil is removed from the dummy winding body 30 and applied to a winding body of a single tooth 100 according to Figure 5.
  • the prefabricated air coil is inserted into a groove of the winding body.
  • the coil is impregnated with an impregnating resin, whereby the impregnating resin fills the porous winding insulation 150 and, via this, also the free volume 140 ( Figure 1) of the strand 160.
  • the fixing band is wound around the coil windings after a first pressing process, with the pressing taking place in a total of two steps.
  • the coil is pre-pressed onto the dummy winding body 30.
  • the pressed coil is then removed from the dummy winding body 30 in order to attach the at least one fixing band.
  • the coil already fans out to a certain extent, so that it loses part of its compression. Therefore, it is provided that after the at least one fixing band has been attached, the coil is placed again on the dummy winding body 30 and in in a second pressing step, it is pressed again. The coil then assumes a final compacted state.
  • the fixing tape harden or is it hardened by increasing the temperature.
  • the fixing tape hardens, it ensures the final compacted state of the coil.
  • the compacted coil, fixed with the hardened fixing tape, can then be removed from the dummy winding body.
  • the coil is pressed in one step.
  • the fixing tape is wound around the coil windings before pressing.
  • the coil can be removed from the dummy winding body after the winding process, the fixing tape is attached, and the coil is then fed back into the dummy winding body.
  • the coil is then pressed with the at least one fixing tape so that the coil assumes a compacted or pressed state.
  • the fixing tape then hardens or is caused to melt and then harden by applying heat, for example.
  • the coil with the hardened fixing tape can be removed from the dummy winding body.
  • the fixing tape Since the height of the coil is reduced during the pressing process (the height reduction can be up to 50%), the fixing tape does not sit firmly on the coil windings after pressing and before hardening and may wrinkle. However, this is cured by the subsequent heating and hardening of the fixing tape.

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Abstract

Eine elektrische Spule (1), die einen Wickeldraht (10) aufweist, der zu einer Mehrzahl von Spulenwindungen (11) gewickelt ist. Dabei weist der Wickeldraht (10) eine Litze (160) auf, die eine Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte (110) umfasst, und die Litze (160) ist mit einer Windungsisolierung (150) umhüllt. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die Spulenwindungen (11) in mindestens einem Abschnitt (16) mit einem Fixierband (21-24) umwickelt sind, das die Spulenwindungen (11) lokal in einem verpressten Zustand der Spule (1) ummantelt und geometrisch fixiert. Das dazugehörige Herstellungsverfahren der Spule (1) für einen Einzelzahn (100) eines Stators wird im weiteren beansprucht, wobei die Spule auf einem Dummy-Wickelköper hergestellt wird und nachher auf den Zahn (100) aufgebracht wird.

Description

ELEKTRISCHE SPULE EINES STATORS AUS LITZENDRAHT UND
HERSTELLUNGSVERFAHREN EINER DERARTIGEN ELEKTRISCHEN SPULE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule.
Es besteht ein Bedarf, Elektromotoren im Hinblick auf die Zielgrößen Effizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu verbessern, wobei die Zielgrößen teilweise miteinander in Konflikt stehen. In besonderem Maße besteht ein solcher Bedarf bei Anwendungen in der Luftfahrtindustrie, in der die Zukunft der Elektrifizierung von Flugzeugen maßgeblich von der Leistungsdichte der einzusetzenden Motoren und Generatoren abhängt. Die Erhöhung der Dauerleistungsdichte von Elektromotoren ist dabei maßgeblich durch den Strom, mit dem der Elektromotor betrieben werden kann, limitiert. Dieser wird unter anderem durch die Leiterdichte und den damit verbundenen Kupferfüllfaktor beeinflusst.
Zur Bereitstellung kompakter Spulen, die in Elektromotoren eingesetzt werden, ist die Verwendung von Litzen bekannt, welche aus einer Vielzahl dünner verdrillter Runddrähte hergestellt sind. Spulen für elektrische Maschinen in Litzentechnik sind beispielsweise in der DE 44 14 527 C1 und der WO 2004/059817 A1 beschrieben. Im Gegensatz zu Kupfer-Flachleitern weisen Litzenleiter einen geringeren Kupferfüllfaktor auf, da sie aus Einzeldrähten aufgebaut sind, wobei sich für runde Einzeldrähte ein theoretischer, maximaler Kupferanteil von 78 % ergibt. Dieser Wert wird in der Realität deutlich unterschritten, da die Verteilung der Einzeldrähte nicht einer dichtesten Packung entspricht und durch die Wicklung, die Verdrillung der Einzeldrähte und die Eigenspannungen der Litze das freie Volumen steigt.
Es ist bekannt, aus Litze hergestellte Wickeldrähte nach der Wicklung zu einer Mehrlagenspule zu verpressen, um den Kupferfüllfaktor zu erhöhen. Allerdings kann sich ein Verpressen der Litzen negativ auf die Isolationseigenschaften auswirken, da die Einzeldrähte und deren Isolierung durch hohe mechanische Lasten beschädigt werden können oder eine Imprägnierung der Spule mit einem Harz durch die Komprimierung erschwert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus einem Wickeldraht aus Litze hergestellte Spule bereitzustellen, die sich durch einen hohen Kupferfüllfaktor auszeichnet. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spule bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt eine Spule, die einen Wickeldraht aufweist, der zu einer Mehrzahl von Spulenwindungen gewickelt ist. Der Wickeldraht weist dabei eine Litze auf, die eine Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte umfasst. Weiter ist die Litze mit einer Windungsisolierung umhüllt.
Es ist vorgesehen, dass die Spulenwindungen in mindestens einem Abschnitt mit einem Fixierband umwickelt sind, das die Spulenwindungen lokal in einem verpressten Zustand der Spule ummantelt und geometrisch fixiert.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die elektrische Spule in ihrem verpressten Zustand zu fixieren und dadurch zu verhindern, dass die Spule nach einem Wegfall des Verpressdrucks wieder auffächert. Indem dies verhindert wird, bleibt der hohe Kupferfüllfaktor, der sich beim Verpressen der Spule einstellt, erhalten, ohne dass der Kupferfüllfaktor anschließend beim Wegfall des Verpressdrucks wieder abnimmt. Damit wird dauerhaft ein hoher Kupferfüllfaktor der auf einem Wickeldraht aus Litze basierenden Spule bereitgestellt.
Zur Fixierung der elektrischen Spule in ihrem verpressten Zustand sieht die Erfindung dabei den Einsatz mindestens eines Fixierbandes vor, dass lokal in mindestens einem Abschnitt um die Spulenwindungen gewickelt ist, wobei das Fixierband die Spulenwicklungen geometrisch fixiert und insbesondere ein Auffächern der Spulenwindungen verhindert. Durch den Einsatz des mindestens einen Fixierbandes werden eine Formstabilität der Spule und definierte Abmessungen erreicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Fixierband die Spule nur lokal bzw. abschnittsweise umgibt und nicht vollständig. Anderenfalls wäre es nicht oder nicht in ausreichendem Maße möglich, die Spule abschließend mit einem Harz zu imprägnieren. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit die Bereitstellung einer Formstabilität der Spule in Verbindung mit der Möglichkeit einer Imprägnierung.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fixierband aus einem ausgehärteten Verbundwerkstoff besteht, wobei das Fixierband vor seiner Aushärtung flexibel ist, so dass es vor seiner Aushärtung um die Spulenwindungen gewickelt werden kann. Ein Beispiel hierfür ist ein Fixierband, das bei Raumtemperatur nicht klebend ist, bei erhöhter Temperatur mit hoher Viskosität aufschmilzt und anschließend nach kurzer Zeit aushärtet. Solche Bänder werden auch als B-Stage-Band oder B-Stage-Epoxy bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist das Material „Voltafix 2102“ der Isovolta Group, das als Epoxidharz/Glasfaser-Verbundwerkstoff aufgebaut ist. Auch andere vorimprägnierte Fasern (prepregs) kommen als Material für das Fixierband in Betracht.
Die Einzeldrähte der Litze können in an sich bekannter Weise jeweils mit einer Isolierung versehen sein, so dass ein Stromfluss zwischen den Einzeldrähten der Litze nicht stattfindet. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Einzeldrähte der Litze jeweils mit einer Backlackbeschichtung versehen sind. Eine Backlackbeschichtung stellt eine aufschmelzbare und härtbare Beschichtung der Einzeldrähte dar. Die Beschichtung aus Backlack umgibt dabei die Einzeldrahtisolierung der Einzeldrähte der Litze. Der Backlack härtet in Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit dem Fixierband aus, wie in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren noch erläutert wird. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spulenwindungen durch mehrere Fixierbänder lokal fixiert sind, die zueinander beabstandet sind, so dass zwischen den Fixierbänder freie Bereiche ohne Fixierband ausgebildet sind. Dabei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Spulenwindungen im Bereich eines geradlinigen Schenkels der Spule durch ein Fixierband lokal ummantelt sind, wobei je Schenkel der Spule auch mehrere Fixierbänder vorgesehen sein können.
Das Fixierband wird initial um die Spulenwindungen gewickelt und härtet anschließend aus. Es umgibt dabei in einem betrachteten Abschnitt der Spule jeweils sämtliche Spulenwindungen der Spule. Es liegt in Ausgestaltungen unmittelbar auf den Spulenwindungen auf.
Die Litze ist mit einer Windungsisolierung versehen, die die Außenhülle des Wickeldrahts darstellt. Die Windungsisolierung besteht in Ausgestaltungen aus einem porösen, dabei jedoch komprimierbaren bzw. komprimierten Material, das elektrisch isolierend ist. Die Windungsisolierung ist dabei insofern porös ausgebildet, als sie die Fähigkeit besitzt, bei einer Imprägnierung der Spule ein Harz aufzunehmen. Dies ermöglicht eine spätere Durchimprägnierung der Litze einschließlich der Einzeldrähte und der Windungsisolierung selbst.
Gleichzeitig ist das Material der Windungsisolierung komprimierbar, d. h. es kann unter einem Pressdruck sein Volumen reduzieren. Dies ist vorteilhaft, um bei einem Verpressen der Spule bzw. des Wickeldrahts den Kupferfüllfaktor innerhalb des Wickeldrahtes zu erhöhen. Auch im verpressten Zustand, wenn die Windungsisolierung maximal komprimiert ist, besitzt sie jedoch elektrisch isolierende Eigenschaften, so dass die Spulenwindungen zueinander sicher isoliert sind. Auch bleibt die Porosität der Windungsisolierung im komprimierten Zustand der Spule erhalten. Die Windungsisolierung wird beispielsweise als bandartiges Material um die Litze gewickelt.
Die Windungsisolierung kann aus typischen Gewebematerialien mit ausreichender Temperaturstabilität bestehen, die zum Beispiel auf der Basis von Polymeren wie Aramidfasern, PBO-Fasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, PTFE, etc. aufgebaut sind. Infrage kommen auch anorganische Fasern wie zum Beispiel Glas-, Quarz-, Keramik- oder Basaltfasern oder Naturfasern. Solche Materialien können in Form von Endlosfasern als Gewebe oder Gelege aber auch als Kurzfasern in Form von Vliesen zum Einsatz kommen. Auch der Einsatz von porösen Standardisolationsmaterialien zum Beispiel aus m- Aramidfasern ist möglich. Die Windungsisolierung ist mit einem Harz imprägniert, wenn die Spule auf einen Wickelkörper wie beispielsweise ein Statorblechpaket aufgebracht ist, wobei das Harz auch die Litze einschließlich der Einzeldrähte der Litze umgibt und die Spule somit mit dem Harz durchimprägniert ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Wickeldraht beim Verpressen einen rechteckigen Querschnitt erhält, so dass er in der Spule einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines hohen Kupferfüllfaktors im Hinblick auf die Kompaktheit der Spulenwindungen.
In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator Spulen gemäß Anspruch 1 aufweist, die jeweils auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns des Stators aufgebracht sind. Bei dem Elektromotor handelt es sich beispielsweise um einen Permanentmagnet- Synchronmotor. Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor oberflächenmontierte Permanentmagnete angebracht sind.
In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule, das die Schritte umfasst:
Wickeln eines Wickeldrahts, der aus einer Litze besteht, die eine Vielzahl dünner verdrillter Einzeldrähte umfasst und mit einer Windungsisolierung versehen ist, zu einer Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen, wobei der Wickeldraht auf einen Dummy- Wickelkörper gewickelt wird,
Verpressen der Spule zumindest in Richtung der Spulenachse, wobei zum einen die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, so dass die Spule einen verdichteten Zustand annimmt,
Wickeln mindestens eines aushärtbaren Fixierbandes um die Spulenwindungen vor oder nach dem Verpressen; und
Aushärten des Fixierband, wobei das ausgehärtete Fixierband die Spule im verdichteten Zustand fixiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Gedanken, ein Fixierband lokal an der Außenseite der Spule anzuordnen und die Spule zu verpressen, wobei das Fixierband im verpressten bzw. verdichteten Zustand der Spule aushärtet und diese dadurch im verpressten bzw. verdichteten Zustand fixiert. Hierdurch wird ein dauerhaft hoher Kupferfüllfaktor der Spule bereitgestellt. Dabei umfasst das Verpressen der Spule zum einen, dass die Litzen des Wickeldrahts verdichtet werden, wobei auch die Windungsisolierung zusammengedrückt wird, um eine Verdichtung der Litzen zu ermöglichen. Dies erfolgt derart, dass die Funktion der Windungsisolierung erhalten bleibt und diese auch weiterhin ausreichend Porosität aufweist, um in einem späteren Schritt ein Imprägnierharz aufzunehmen. Das Verpressen der Spule umfasst zum anderen, dass die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, so dass keine Hohlräume zwischen den einzelnen Windungen existieren.
Das Verpressen der Spule in Richtung der Spulenachse erfolgt beispielsweise in vertikaler Richtung, wenn die Spule senkrecht ausgerichtet ist. Das Verpressen erfolgt beispielsweise dadurch, dass parallele Platten in vertikaler Richtung in ihrem Abstand verringert werden und dabei die Spulenwindungen zusammen pressen. Zusätzlich kann das Verpressen der Spule auch senkrecht zur Spulenachse, zum Beispiel in horizontaler Richtung erfolgen. Auch dies kann beispielsweise durch eine Verkürzung des Abstandes paralleler Platten erfolgen, wobei die Spulenwindungen in horizontaler Richtung zusammengepresst, beispielsweise gegen einen Wickelkörper gepresst werden.
Die Spule kann nach Aushärten des Fixierbands dem Dummy-Wickelkörper entnommen und auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns aufgebracht werden, wobei der Wickel körper des Einzelzahns beispielsweise ein Blechpaket umfasst und die Spule in eine Nut des Blechpakets eingelegt wird. Die Spule ist dabei in Form einer Zahnspulenwicklung ausgebildet (auch als konzentrierte Wicklung bezeichnet). Eine Mehrzahl derartiger Zahnspulen bzw. Einzelzähne kann zu einem ringförmig ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine zusammengesetzt werden.
Das Wickeln des mindestens eines aushärtbaren Fixierbandes um die Spulenwindungen kann vor oder nach dem Verpressen erfolgen. Sofern das Fixierband vor dem Verpressen um die Spulenwindungen gewickelt wird, erfolgt das Verpressen in einem Schritt. Sofern das Fixierband nach dem Verpressen um die Spulenwindungen gewickelt wird, erfolgt das Verpressen in zwei Schritten. Im Folgenden wird zunächst der zweite Fall betrachtet.
Das Verpressen der Spule in zwei Schritten sieht vor, dass in einem ersten Verpressschritt die Spule in Richtung der Spulenachse vorgepresst wird, wobei die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, nach dem ersten Schritt die vorgepresste Spule aus dem Dummy-Wickelkörper entnommen wird, anschließend das mindestens eine Fixierband in flexiblem, noch nicht ausgehärteten Zustand um die aus dem Dummy-Wickelkörper entnommene Spule gewickelt wird, anschließend die mit dem mindestens einen Fixierband versehene Spule erneut in den Dummy-Wickelkörper gesetzt wird, in einem zweiten Verpressschritt die Spule erneut in Richtung der Spulenachse verpresst wird, wobei die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden und die Spule einen finalen verdichteten Zustand einnimmt, das Fixierband aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird, wenn sich die Spule im finalen verdichteten Zustand befindet, und die verdichtete, mit dem ausgehärtete Fixierband fixierte Spule vom Dummy- Wickelkörper entnommen wird.
Das Verpressen in zwei Schritten ist dem Umstand geschuldet, dass, wenn die vorgepresste Spule dem Dummy- Wickelkörper entnommen wird, um das mindestens eine Fixierband anzubringen, die Spule bereits zu einem geringen Grad wieder auffächert. Nach Anbringen des mindestens einen Fixierbandes ist es daher erforderlich, die Spule erneut zu Verdichten bzw. Verpressen, diesmal mit dem angebrachten Fixierband. Wenn die Spule sich dann in dem finalen verdichteten Zustand befindet, härtet das Fixierband aus oder wird zum Aushärten gebracht, beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung. Die final verdichtete Spule wird durch das ausgehärtete Fixierband fixiert und erhält eine Formstabilität. Sie kann dann von dem Dummy-Wickelkörper entnommen werden.
Alternativ erfolgt das Verpressen in nur einem Schritt. Dabei ist vorgesehen, dass nach dem Wickeln des Wickeldrahts und vor dem Verpressen das mindestens eine Fixierband in flexiblem, noch nicht ausgehärteten Zustand um die noch nicht komprimierte Spule gewickelt wird (hierbei kann vorgesehen sein, dass der gewickelte Wickeldraht vom Dummy-Wickelkörper entnommen, mit dem Fixierband versehen und anschließend wieder auf den Dummy-Wickelkörper aufgesetzt wird), anschließend die Spule mit dem mindestens einen Fixierband in Richtung der Spulenachse verpresst wird, wobei zum einen die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen aneinander gepresst werden, so dass die Spule einen verdichteten Zustand annimmt, das Fixierband erst aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird (beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung und anschließende Abkühlung), wenn sich die Spule im verdichteten Zustand befindet, und die verdichtete, mit dem ausgehärtete Fixierband fixierte Spule vom Dummy- Wickelkörper entnommen wird.
Bei dieser Ausgestaltung ist das Fixierband somit bereits vor dem Verpressen an den Spulenwindungen angebracht. Das Verpressen und Verdichten der Spule führt dazu, dass das Fixierband relativ lose an den Spulenwindungen angeordnet ist. Gleichwohl wird eine Fixierung der Spulenwindungen bzw. der Spule im verdichteten Zustand erreicht, da das Fixierband aushärtet und dadurch trotz einer eventuellen Bildung von Schlaufen oder dergleichen die Funktion einer Spulenfixierung erfüllen kann.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Einzeldrähte der Litze jeweils mit einer Backlackbeschichtung beschichtet sind, wobei die Backlackbeschichtung zusammen mit dem Isolierband aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird. Das Aushärten erfolgt dabei wiederum beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung und anschließendes Abkühlen. Das Aushärten des Backlacks zusammen mit dem Isolierband stellt sicher, dass Spulenwindung im verdichteten Zustand auch innen im Bereich der Litze eine Festigkeit und Formstabilität erreicht.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Wickeldraht auf einen rechteckigen Querschnitt gepresst wird.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass nach dem Aufbringen der Spule auf den Wickelkörper der Zahnspule die Spule imprägniert wird, wobei die Windungsisolierung und die Litze des Wickeldrahts mit einem Harz imprägniert werden. Das Harz wird dabei von der porösen Windungsisolierung aufgenommen und füllt zusätzlich die verbleibenden Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch den Aufbau eines Wickeldrahts, der eine Litze mit einer Vielzahl von Einzeldrähten und eine Windungsisolierung umfasst;
Figur 2 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Spule, die eine Mehrzahl von Spulenwindungen aufweist, wobei die Spulenwindungen in vier Abschnitten jeweils mit einem Fixierband umwickelt sind, das die Spulenwindungen ummantelt und geometrisch fixiert; Figur 3 die Spule der Figur 2 in einer Ansicht von hinten;
Figur 4 schematisch einen Dummy-Wickelkörper, der bei einem Verfahren zur Herstellung einer Spule gemäß den Figuren 2 und 3 eingesetzt wird, wobei ein Wickeldraht, der aus einer Litze besteht, auf den Dummy-Wickelkörper zur Bereitstellung einer Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen gewickelt wird;
Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer Einzelzahns eines Stators eines Permanentmagnet-Synchronmotors, der eine Spule umfasst; und
Figur 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Spule gemäß den Figuren 2 und 3.
Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Spule gemäß dem Stand der Technik anhand der Figur 5 beschrieben.
Die Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel einer Spule in Form einer Einzelzahnspule 1 , die auf einen Spulenkörper gewickelt ist, wobei die Einzelzahnspule 1 und der Spulenkörper einen Einzelzahn 100 bilden. Der Spulenkörper umfasst eine Blech- Vorderplatte 101 , eine Blech-Hinterplatte 102 sowie einen Wickelkörper (in der Figur 5 nicht erkennbar), der sich zwischen der Blech-Vorderplatte 101 und der Blech-Hinterplatte 102 erstreckt und um den ein Wickeldraht 10 gewickelt ist, der die Spule 1 bildet. Dabei bildet der Spulenkörper zwischen der Blech-Vorderplatte 101 und der Blech-Hinterplatte 102 eine Nut aus. Zwischen dem Wickelkörper und dem Wickeldraht 10 kann ein Isolierpapier 104 angeordnet sein. Der Wickelkörper weist typischerweise einen quaderförmigen Hauptkörper auf, der aus einem Stapel von rechteckigen, lackisolierten Elektroblechen besteht. Auf die Enden des quaderförmigen geblechten Wickelkörpers ist jeweils ein aus einem Kunststoff bestehender Wickelkopfträger (in der Figur 5 nicht erkennbar) aufgesetzt, der die erforderliche Rundung für den Wickeldraht 10 bereitstellt.
Wie in der Figur 5 erkennbar, bildet der Wickeldraht 10 eine Vielzahl von Windungen 11 , die jeweils geradlinig verlaufende Längsabschnitte oder Schenkel 12 sowie an ihren Enden weitere Abschnitte 13 bilden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel abgerundet und um 180° jeweils um einen Wickelkopfträger umgelegt sind. In den abgerundeten Abschnitten 13 ist der Wickeldraht 10 dabei knickfrei geführt. Der Wickeldraht 10 ist im dargestellten Beispiel durch einen Kupferflachleiter gebildet, der auf den Wickelkörper gewickelt ist. Zwei Kontaktenden 14, 15 des Wickeldrahts 10 stehen zu einer Seite ab. Sie dienen der elektrischen Kontaktierung des Wickeldrahts 10. Alternativ kann der Wickeldraht 10 durch eine Litze gebildet sein.
Wie in der Figur 5 dargestellt, weist die Blech-Vorderplatte 101 eine geringere Breite als die Blech-Hinterplatte 102 auf. Dies erlaubt es, eine Mehrzahl von Einzelzähnen 100 zu einem ringförmig ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Permanentmagnet-Synchronmotors zusammenzusetzen, wobei die miteinander verbundenen Blech-Hinterplatten 102 einen äußeren Statorring eines solchen Stators bilden.
Insbesondere für den Fall, dass der Wickeldraht 10 durch eine Litze gebildet ist, ist es anzustreben, den Kupferfüllfaktor des Wickeldrahts 10 und damit der Spule zu erhöhen. Dabei wird der Wickeldraht gemäß der Erfindung nicht auf den Wickelkörper des Einzelzahns 100 unmittelbar aufgewickelt, sondern vielmehr zunächst auf einen Dummy- Wickelkörper gewickelt. Die dabei entstehende Spule wird verdichtet und fixiert und anschließend als Luftspule insgesamt auf den Einzelzahn 100 aufgesetzt, wobei hierzu die Geometrie des Einzelzahns 100 entsprechend angepasst ist und dieser beispielsweise abnehmbare Elemente aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Blech- Vorderplatte 101 abnehmbar ausgebildet ist, um die gewickelte Spule 1 auf den Wickelkörper des Einzelzahns 100 aufsetzen zu können.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines bei der Erfindung verwendeten Wickeldrahts 10, der zu einer Mehrzahl von Spulenwindungen gewickelt wird, die eine Spule bilden. Der Wickeldraht besteht aus einer Litze 160, die eine Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte 110 umfasst. Die Einzeldrähte 110 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Zwischen den einzelnen Einzeldrähten 110 besteht ein Hohlraum bzw. ein freies Volumen 140. Die aus den Einzeldrähten 110 bestehende Litze 160 ist mit einer Windungsisolierung 150 umgeben.
Die Windungsisolierung 150 besteht aus einem porösen, komprimierbaren Material, das elektrisch isolierend ist. Das Material ist derart ausgestaltet, dass die Eigenschaft der elektrischen Isolation auch nach einer Komprimierung des Materials erhalten bleibt. Die Windungsisolierung 150 besteht beispielsweise aus einem Gewebe, einem Gelege oder einem Vlies auf der Basis von Polymeren oder organischen Fasern. Wie in der vergrößerten Darstellung links der Figur 1 dargestellt, ist jeder Einzeldraht 110 mit einer Isolierung 120 versehen, die den Einzeldraht 110 elektrisch isoliert. An die Isolierung 120 schließt sich eine Beschichtung aus Backlack 130 an. Die Beschichtung aus Backlack 130 ist dazu geeignet und vorgesehen, bei erhöhter Temperatur aufzuschmelzen und anschließend zu erhärten.
Die Figur 2 zeigt eine elektrische Spule 1 gemäß der vorliegenden Erfindung im fertig hergestellten Zustand. Die Spule 1 umfasst eine Vielzahl von Spulenwindungen 11 , die durch einen Wickeldraht 10 gebildet sind. Jede Spulenwindung 11 umfasst zwei geradlinig verlaufende Schenkel 12 sowie an ihren Enden zwei weitere Abschnitte 13, die im dargestellten Ausführungsbeispiel abgerundet sind, alternativ jedoch beispielsweise geradlinig ausgebildet sein können. Das Anlegen einer Spannung an die Spule 1 erfolgt über die Kontaktenden 14, 15 des Wickeldrahts 10, die an einer Seite der Spule 1 abstehen.
Die Spule 1 umfasst des Weiteren vier Fixierbänder 21-24, die jeweils in einem Abschnitt 16 die Spulenwindungen 11 umwickeln. Die Fixierbänder 21-24 bestehen aus einem gehärteten Verbundwerkstoff. Sie wurden in einem Zustand, in dem sich die Spule 1 in einem verpressten Zustand befand, ausgehärtet, so dass sie den verpressten Zustand der Spule geometrisch fixieren und eine Formstabilität der Spule 1 bereitstellen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich jedes geradlinig verlaufenden Schenkels 12 zwei Fixierbänder 21-24 vorgesehen, die an einander gegenüberliegenden Enden der Schenkel 12 angeordnet sind und dabei jeweils die Spulenwindungen 11 lokal in den Abschnitten 16 umwickeln und geometrisch fixieren. Diese Anordnung der Fixierbänder ist nur beispielhaft zu verstehen.
Die Figur 3 zeigt die Spule 1 der Figur 2 in einer Vorderansicht bzw. Hinteransicht. Dabei ist zusätzlich eine Spulenachse 4 dargestellt.
Die Spule 1 der Figuren 2 und 3 besteht aus einem Wickeldraht 10, der gemäß der Figur 1 aufgebaut ist und dementsprechend eine Litze 160 mit Einzeldrähten 110 und einer Windungsisolierung 150 umfasst. Zur Bereitstellung einer verdichteten Spule 1 ist ein Herstellungsverfahren erforderlich, bei dem zum einen die Litzen 160 des Wickeldrahts 10 verdichtet werden. Dies erfolgt unter Druck, wobei auch die Windungsisolierung 150 zusammengedrückt wird, so dass das Innenvolumen des Wickeldrahts 10 beim Pressvorgang insgesamt reduziert und dementsprechend der Kupferfüllfaktor des Wickeldrahts 10 erhöht wird. Beim Herstellungsverfahren der Spule 1 ist es des Weiteren vorgesehen, dass die einzelnen Spulenwindungen 11 aneinandergepresst werden, so dass zwischen ihnen keine Hohlräume bestehen. Auch erhält der Wickeldraht 10 beim Pressvorgang seine endgültige Form, die im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise rechteckig ist.
Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 6 beispielhaft erläutert.
Gemäß Schritt 61 der Figur 6 wird ein Wickeldraht, der aus einer Litze aus einer Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte und einer Windungsisolierung besteht, zu einer Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen gewickelt. Dabei wird der Wickeldraht auf einen Dummy-Wickelkörper aufgewickelt. Ein solcher Dummy-Wickelkörper ist beispielhaft in der Figur 4 dargestellt. Diese zeigt einen Dummy-Wickelkörper 30, der quaderförmig ausgebildet ist und im dargestellten Ausführungsbeispiel eine geringe Tiefe besitzt. Der Dummy-Wickelkörper 30 befindet sich auf einer Plattform 31 und ist durch Seitenwände 32 begrenzt.
Gemäß Schritt 62 wird die aus den einzelnen Spulenwindungen bestehende Spule in Richtung der Spulenachse (siehe Spulenachse 4 der Figur 3) verpresst. Dies erfolgt, indem in der Figur 4 nicht dargestellte parallele Pressplatten aufeinander zu bewegt werden. Beispielsweise wird eine obere Pressplatte in Richtung der Plattform 31 bewegt, die dabei eine untere Pressplatte bildet.
Beim Verpressen der Spule werden wie erläutert zum einen die Litzen des Wickeldrahts verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen aneinandergepresst. Neben einer Verpressung in Richtung der Spulenachse bzw. in vertikaler Richtung kann auch eine Verpressung in horizontaler Richtung mittels geeigneter Pressplatten erfolgen.
Gemäß Schritt 63 wird mindestens ein härtbares Fixierband (entsprechend den Fixierbändern 21-24 der Figuren 2 und 3) um sämtliche Spulenwindungen gewickelt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Fixierband noch nicht gehärtet, sondern flexibel ausgebildet, so dass es um die Spulenwindungen problemlos gewickelt werden kann. Es handelt sich bei dem Fixierband beispielsweise um ein härtbares Band, das bei Raumtemperatur nicht klebend ist, bei erhöhter Temperatur jedoch mit hoher Viskosität aufschmilzt und anschließend aushärtet. Ein solches härtbares Band wird auch als ,,B-Stage-Band' bezeichnet.
Das Wickeln des mindestens einen härtbaren Fixierbandes um die Spulenwindungen kann vor oder nach dem Verpressen erfolgen, wie noch ausgeführt wird.
Gemäß Schritt 64 wird das Fixierband ausgehärtet, wobei das ausgehärtete Fixierband die Spule im verdichteten Zustand fixiert. Das Aushärten des Fixierbandes erfolgt somit zu einem Zeitpunkt, in dem die Spule sich im verdichteten bzw. verpressten Zustand befindet. Hierdurch ist es möglich, durch das ausgehärtete Fixierband den verpressten Zustand der Spule zu bewahren und ein Auffächern der Spulenwindungen nach Beendigung des Pressdruck zu vermeiden.
Um ein Aushärten des Fixierbandes zu erreichen, wird beispielsweise die Temperatur erhöht, so dass das Fixierband aufschmilzt. Eine solche Temperaturerhöhung führt auch dazu, dass der Backlack 130, der die Einzeldrähte 110 der Litze 160 umgibt (Figur 1) aufschmilzt. Beim Abkühlen härtet das Fixierband aus und härtet auch der Backlack aus. Der ausgehärtete Backlack bewirkt, dass der durch den Pressvorgang erreichte, erhöhte Kupferanteil der Litze festgeschrieben wird. Die Litze kann sich nicht mehr in ihrem Volumen vergrößern.
Nach Aushärten des Fixierbandes wird die Spule dem Dummy-Wickelkörper 30 entnommen und auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns 100 gemäß der Figur 5 aufgebracht. Dabei wird die vorgefertigte Luftspule in eine Nut des Wickelkörpers eingelegt. Abschließend erfolgt eine Imprägnierung der Spule mit einem imprägnieren Harz, wobei das Imprägnierharz die poröse Windungsisolierung 150 und über diese auch das freie Volumen 140 (Figur 1) der Litze 160 füllt.
Das Wickeln des Fixierbandes um die Spulenwindungen erfolgt in einer Ausgestaltung nach einem ersten Verpressvorgang, wobei das Verpressen in insgesamt zwei Schritten erfolgt. Dabei erfolgt zunächst ein Vorverpressen der Spule auf dem Dummy-Wickelkörper 30. Anschließend wird die verpresste Spule vom Dummy- Wickelkörper 30 entnommen, um das mindestens eine Fixierband anzubringen. Nach dem Entfernen der verpressten Spule aus dem Dummy-Wickelkörper 30 und vor dem Anbringen des mindestens einen Fixierbands fächert die Spule in gewissem Maße jedoch bereits auf, so dass sie einen Teil ihrer Verdichtung verliert. Daher ist vorgesehen, dass nach Anbringen des mindestens einen Fixierbands die Spule erneut auf den Dummy-Wickelkörper 30 gelegt wird und in einem zweiten Verpressschritt erneut gepresst wird. Die Spule nimmt dann einen finalen verdichteten Zustand ein. Erst nach Erreichen dieses Zustands härtet das Fixierband aus bzw. wird dieses durch Temperaturerhöhung zum Aushärten gebracht. Mit Erhärten des Fixierbandes sichert dieses den final verdichteten Zustand der Spule. Die verdichtete, mit dem ausgehärteten Fixierband fixierte Spule kann dann vom Dummy-Wickelkörper entnommen werden.
Alternativ erfolgt das Verpressen der Spule in einem Schritt. Dabei ist vorgesehen, dass das Fixierband vor dem Verpressen um die Spulenwindungen gewickelt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Spule nach dem Wickelvorgang aus dem Dummy-Wickelkörper entfernt, das Fixierband angebracht, und die Spule anschließend dem Dummy- Wickelkörper wieder zugeführt wird. Anschließend wird die Spule mit dem mindestens einen Fixierband verpresst, so das die Spule einen verdichteten bzw. verpressten Zustand einnimmt. Im verpressten Zustand härtet das Fixierband dann aus oder wird dieses beispielsweise durch Temperaturzufuhr zum Aufschmelzen und anschließendem Aushärten gebracht. Nach Aushärten des Fixierbandes kann die Spule mit dem ausgehärteten Fixierband vom Dummy-Wickelkörper entnommen werden. Da die Höhe der Spule beim Pressvorgang reduziert wird (die Höhenreduktion kann bei bis zu 50 % liegen), sitzt das Fixierband nach dem Verpressen und vor dem Aushärten nicht fest an den Spulenwindungen und wirft möglicherweise Falten. Dies wird durch das anschließende Erhitzen und Aushärten des Fixierbandes jedoch geheilt.
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. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Spule (1), die aufweist: einen Wickeldraht (10), der zu einer Mehrzahl von Spulenwindungen (11) gewickelt ist,
- wobei der Wickeldraht (10) eine Litze (160) aufweist, die eine Vielzahl dünner, verdrillter Einzeldrähte (110) umfasst, und die Litze (160) mit einer Windungsisolierung (150) umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungen (11) in mindestens einem Abschnitt (16) mit einem Fixierband (21-24) umwickelt sind, das die Spulenwindungen (11) lokal in einem verpressten Zustand der Spule (1) ummantelt und geometrisch fixiert.
2. Spule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierband (21-24) aus einem ausgehärteten Verbundwerkstoff besteht.
3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeldrähte (110) der Litze (160) jeweils mit einer Isolierung (120) versehen sind.
4. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeldrähte (110) der Litze (160) jeweils mit einer Backlackbeschichtung (130) beschichtet sind.
5. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungen (11) durch mehrere Fixierbänder (21-24) lokal fixiert sind, die zueinander beabstandet sind.
6. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungen (11) im Bereich eines Schenkels (12) der Spule durch das Fixierband (21-24) lokal ummantelt sind.
7. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsisolierung (150) aus einem porösen, komprimierten Material besteht, das elektrisch isolierend ist.
8. Spule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsisolierung (150) durch ein Gewebe, ein Gelege oder ein Vlies gebildet ist.
9. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsisolierung (150) und die Litze (160) mit einem Harz imprägniert sind.
10. Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (10) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
11. Elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator Spulen (1) gemäß Anspruch 1 aufweist, die jeweils auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns (100) des Stators aufgebracht sind.
12. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule (1) gemäß Anspruch 1 mit den Schritten:
- Wickeln (61) eines Wickeldrahts (10), der eine Litze (160) aufweist, die eine Vielzahl dünner verdrillter Einzeldrähte (110) umfasst und mit einer Windungsisolierung (150) versehen ist, zu einer Spule (1) mit einer Vielzahl von Spulenwindungen (11), wobei der Wickeldraht (10) auf einen Dummy-Wickelkörper (30) gewickelt wird,
- Verpressen (62) der Spule (1) zumindest in Richtung der Spulenachse (4), wobei zum einen die Litzen (160) des Wickeldrahts (10) verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen (11) aneinander gepresst werden, so dass die Spule (1) einen verdichteten Zustand annimmt,
- Wickeln (63) mindestens eines aushärtbaren Fixierbandes (21-24) um die Spulenwindungen (11) vor oder nach dem Verspressen, und
- Aushärten (64) des Fixierbandes (21-24), wobei das ausgehärtete Fixierband (21- 24) die Spule (1) im verdichteten Zustand fixiert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) nach Aushärten des Fixierbands (21-24) dem Dummy-Wickelkörper (30) entnommen und auf einen Wickelkörper eines Einzelzahns (100) aufgebracht wird, wobei der Wickelkörper des Einzelzahns (100) ein Blechpaket umfasst und die Spule (1) in eine Nut des Blechpakets eingelegt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen der Spule (1) in Richtung der Spulenachse (4) in zwei Schritten erfolgt, wobei in einem ersten Verpressschritt die Spule in Richtung der Spulenachse (4) vorgepresst wird, wobei die Litzen (160) des Wickeldrahts (10) verdichtet und die einzelnen Spulenwindungen (11) aneinander gepresst werden, nach dem ersten Schritt die vorgepresste Spule aus dem Dummy-Wickelkörper (30) entnommen wird, anschließend das mindestens eine Fixierband (21-24) in flexiblem, noch nicht ausgehärteten Zustand um die aus dem Dummy-Wickelkörper (30) entnommene Spule gewickelt wird, anschließend die mit dem mindestens einen Fixierband (21-24) versehene Spule erneut in den Dummy-Wickelkörper (30) eingesetzt wird, in einem zweiten Verpressschritt die Spule erneut in Richtung der Spulenachse (4) verpresst wird, wobei die einzelnen Spulenwindungen (11) aneinander gepresst werden und die Spule (1) einen finalen verdichteten Zustand einnimmt, das Fixierband (21-24) aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird, wenn sich die Spule (1) im finalen verdichteten Zustand befindet, und die verdichtete, mit dem ausgehärtete Fixierband (21-24) fixierte Spule (1) vom Dummy- Wickelkörper (30) entnommen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen der Spule (1) in Richtung der Spulenachse (4) in einem Schritt erfolgt, wobei nach dem Wickeln des Wickeldrahts (10) und vor dem Verpressen das mindestens eine Fixierband (21-24) in flexiblem, noch nicht ausgehärteten Zustand um die noch nicht komprimierte Spule gewickelt wird, anschließend die Spule mit dem mindestens einen Fixierband (21-24) in Richtung der Spulenachse (4) verpresst wird, wobei zum einen die Litzen (160) des Wickeldrahts (10) verdichtet und zum anderen die einzelnen Spulenwindungen (11) aneinander gepresst werden, so dass die Spule einen verdichteten Zustand annimmt, das Fixierband (21-24) erst aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird, wenn sich die Spule im verdichteten Zustand befindet, und die verdichtete, mit dem ausgehärtete Fixierband (21-24) fixierte Spule vom Dummy- Wickelkörper (30) entnommen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeldrähte (110) der Litze (160) jeweils mit einer Backlackbeschichtung (130) beschichtet sind, wobei die Backlackbeschichtung (130) zusammen mit dem Isolierband (21-24) aushärtet oder zum Aushärten gebracht wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickeldraht (10) auf einen rechteckigen Querschnitt gepresst wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, soweit rückbezogen auf Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen der Spule (1) auf den Wickelkörper des Einzelzahns (100) die Spule imprägniert wird, wobei die Windungsisolierung (150) und die Litze (160) des Wickeldrahts (10) mit einem Harz imprägniert werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim
Verpressen die Spule (1) auch senkrecht zur Spulenachse (4) verpresst wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) zwei geradlinige Schenkel (12) aufweist und jeder Schenkel (12) mit zwei zueinander beabstandete Fixierbändern (21-24) umwickelt wird.
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