AT392708B - Verfahren zur herstellung eines eisenkoerpers mit einer wicklung - Google Patents

Description

AT 392 708 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Eisenkörpers mit einer Wicklung zur Erzeugung elektromagnetischer Felder nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im Elektromaschinenbau ist es bekannt, Wicklungen aus elektrisch isolierten Drähten anzufertigen und diese in Nuten von Eisenkörpem anzuordnen, oder aber auch die Wicklung ohne einen solchen Eisenkörper betriebsmäßig zu nutzen. Für die Herstellung solcher Wicklungen werden Drähte mit einem im wesentlichen kreisrunden Querschnitt verwendet. Zur Herstellung der Wicklung dient entweder eine Vorrichtung als Wickelwerkzeug, und die so gefertigte Wicklung wird dann in den Eisenkörper eingefügt oder aber, der Eisenkörper wird direkt bewickelt, indem in seine Nuten der Draht direkt eingelegt wird. Der Füllfaktor solcher Wicklungen bzw. Nuten liegt in der Größenordnung von ca. 65 %, d. h., bezogen auf die Querschnittsfläche der Nut bzw. der Wicklung sind 65 % von den Querschnitten der die Wicklung bildenden Drähte eingenommen, der Rest (35 %) ist im wesentlichen Luft, die in den Zwickelbereichen eingeschlossen ist, die von den aneinander anliegenden Drähten begrenzt werden.

Aus der FR-PS 1 568 360 ist ein Eisenkörper mit einer elektromagnetischen Wicklung bekannt, wobei der Eisenkörper einen quaderförmigen Eisenkern besitzt sowie paarweise vorgesehene, U-förmige Eisenjoche, zwischen deren Schenkel der Eisenkern eingeschoben ist Zu beiden Seiten des Eisenkernes wird durch die paarweise vorgesehenen Eisenjoche ein umfangsgeschlossener Wickelraum gebildet, in dem die Wicklung liegt Die Wicklung wird auf einem Wickeldom aufgewickelt, anschließend wird sie mit einer Isolierfolie ummantelt und dann wird in die so vorbereitete Wicklung der Eisenkern eingefügt. Auf diese so vorgeformten Teile werden nun die U-förmigen Eisenjoche seitlich aufgeschoben, wobei der Querschnitt des Wickelraumes so bemessen ist, daß er die Wicklung zusammen mit der Isolierfolie aufnehmen kann, ohne daß dadurch die Wicklung bzw. deren Drähte in besonderer Weise mechanisch beansprucht werden. Der Füllfaktor liegt in der oben erwähnten Größenordnung von ca. 65 %.

Es ist auch im Elektromaschinenbau (Motoren, Generatoren, Transformatoren für die Energieversorgung) bekannt, im Querschnitt rechteckige Kupferdrähte oder Kupferbänder zu verwenden. Hier liegen große Kupferquerschnitte und große Wickelbreiten vor. Bei den Drähten mit Rechteckquerschnitten treten große Füllfaktorverluste auf, und zwar vor allem am Anfang und am Ende einer jeder Wickellage. Bei Kupferbändem ist zum Aufbringen großer Windungszahlen einschließlich Isolation eine große Wickelhöhe notwendig, um den Füllfaktor hochzuhalten.

Bei Kupferdrähten, die einen Querschnitt von weniger als 1 mm^ aufweisen, ist das Verlegen von Formdiähten schwierig.

Es liegt im steten Bemühen eines Elektromaschinenbauers, in einem vorgegebenen Raum, sei es eine Nut, sei es ein Wicklungsraum, möglichst viel Windungskupfer anzubringen, denn je größer der Kupferquerschnitt pro Flächeneinheit, umso geringer ist die Verlustleitung, umso kleiner kann das Gerät gebaut werden, umso leichter und rascher und mit geringerem Aufwand ist die Verlustwärme abzuleiten, umso geringer wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Kupfer der Wicklung und dem Mantel des Gerätes, wodurch wiederum die Einrichtungen zur Kühlung des Gerätes vereinfacht werden können und das Gerät selbst kann aus diesen Gründen auch kleiner gebaut werden, was andererseits wieder zu Materialeinsparungen führt. So ist in der DE-OS 17 89 162 eine elektrische Spule mit großer Dichte und guter thermischer Leitfähigkeit erläutert, bei welcher die Wicklung in eine Preßform eingelegt und dann über ihre ganze Oberfläche oder zumindest über einen Abschnitt ihrer Länge so stark verpreßt wird, daß sich die einzelnen Drähte der Wicklung verformen. Diese Druckschrift läßt jedoch offen, wie in der Folge diese Wicklung bzw. Spule in den Eisenkörper eingesetzt werden soll. Es ist nur sozusagen am Rande erwähnt, daß solche Spulen für Motoren mit ausgeprägten Polen vorgesehen sind, deren Polschuhe zerlegt werden können, um die Wicklung einzusetzen. Bei elektrischen Maschinen mit Eisenkörpem, die keine ausgeprägten und zerlegbaren Pole aufweisen, ist es wohl schwierig, wenn nicht gar unmöglich, solche gepreßten Spulen zu verwenden. Auch in der JP-OS 65-161631 ist eine Preßform gezeigt und beschrieben, in welcher eine Drahtwicklung so weit verpreßt werden kann, daß sich die Querschnitte der einzelnen Drähte der Wicklung plastisch verformen, wodurch die räumliche Dichte der Wicklung erhöht werden kann.

Die DE-PS 33 47 195 zeigt und beschreibt hingegen verpreßte Wicklungen in Verbindung mit innengenuteten Eisenkörpem (Stator und Rotor von elektrischen Maschinen), wobei, um hier einen ausreichenden Füllfaktor zu erreichen, aufwendige Hilfseinrichtungen notwendig sind. In der Beschreibung ist zwar vermerkt, daß diese Hilfseinrichtung durch die "Finger" der die Spule einsetzenden Person ersetzt werden könnten. Dies scheint wohl eine zweifelhafte Methode zu sein, da nicht feststellbar ist, wie über eine lange Nutenstrecke mit den Fingern der für das Verpressen solcher metallischer Drähte notwendige Druck aufgenommen werden kann.

Schlußendlich ist in diesem Zusammenhang noch die JP-OS 60-242609 zu erwähnen, die einen Eisenkörper mit einer Spule zeigt und beschreibt. Hier wird eine zylindrische Drahtspule, deren Außendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Aufnahmeraumes im Eisenkörper, in diesen Aufnahmeraum so eingesetzt, daß die Spule vorerst etwas aus diesem Aufnahmeraum des Eisenkörpers heraus ragt. Dann wird mit einem balkenartigen Teil des Eisenkörpers auf diesen vorstehenden Teil der Spule gedrückt, und zwar in Achsrichtung der Spule, wodurch sich die Spule aufweitet, ihr Durchmesser vergrößert werden soll, so daß sie mit ihrer Außenseite an der Innenwandung des Aufnahmeraumes des Eisenkörpers anliegt, wodurch die Wärmeableitung der Spule verbessert werden kann. Diese zylindrische Spule liegt dabei mit ihrem unteren Ende auf einem polsterartigen, nachgiebigem Stützteil im Aufnahmeraum des Eisenkörpers auf, wobei dieser nachgiebige Stützteil die Aufgabe -2-

AT 392 708 B hat, die Drücke auszugleichen und zu verhindern, daß die einzelnen Windungen der zylindrischen Spule zu hoch beansprucht werden. Der hier in Achsrichtung der Spule ausgeübte Druck ist nur so groß, um die Windungen der Spule etwas aufzuweiten. Ein von der Spule umschlossener Eisenkern ist hier nicht vorgesehen.

Von diesem Stand der Technik geht nun die Erfindung aus, wobei jedoch hier vorteilhafterweise die S entsprechende elektrische Einrichtung (Eisenkern mit Spule) als solche bzw. deren Teile unmittelbar zum Verprassen der Wicklung verwendet werden, um die gewünschte hohe Wicklungsdichte zu erzielen. Diese Aufgabe löst die Erfindung nun mit jenen Merkmalen und Maßnahmen, die Inhalt und Gegenstand des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 sind. Dank dieses Vorschlages ist es möglich, den Füllfakta: des Wicklungsraumes bzw. der Wicklung nun auf 90 % und sogar mehr zu erhöhen. Da erfindungsgemäß die Windungen der Spule 10 durch jene Teile verpießt und verformt werden, die unmittelbar Teile des heizustellenden elektrischen Gerätes sind, ist gewährleistet, daß die in der Windung bei der betriebsmäßigen Verwendung des Gerätes anfallende Verlustwärme allseitig optimal abgeleitet wird. Außerdem wird vor allem bei der Verwendung von backlackisolierten Drähten erreicht, daß die Wicklung gegenüber der Atmosphäre dicht abgeschlossen ist, so daß darauf verzichtet werden kann, die Wicklung zusätzlich gegen solche atmosphärische Einflüsse zu tränken. IS Um die zur Verformung der Drahtquerschnitte notwendigen Kräfte gering halten zu können, ist nach einem weiteren Verfahrensmerkmal vorgesehen, daß die Wicklung vor bzw. während da äußeren Druckeinwirkung zur Verformung der Drahtquerschnitte auf ca. 150 - 300 °C erhitzt wird.

Die Zeichnung und die nachfolgende Beschreibung veranschaulichen die Erfindung. Die Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch die Arbeitsschritte beim Verfahren zur Herstellung einer Drosselspule mit einem umfangsge-20 schlossenen Eisenkern und einer Wicklung.

Vorerst wird aus einem Backlackdraht mit rundem Drahtquerschnitt und mit Hilfe eines geeigneten Wickelwerkzeuges eine Drahtspule (3) gewickelt, die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt ist Backlackisolierte Drähte werden von einschlägigen Drahterzeugem für den Elektromaschinenbau im Handel angeboten (Backlack-Symposium - Innovation und Technologie im Elektromotorenbau Berlin - Oktober 1979). Die Längserstreckung 25 dieser Drahtspule (rechtwinkelig zur Zeichenebene) ist größer als ihre Quererstreckung (in da Zeichenebene, wie dargestellt). Die Drosselspule, die hier beschrieben wird, besitzt einen quaderförmigen Eisenkern (6) sowie zwei U-förmige, im wesentlichen deckungsgleiche Joche, die den äußaen, umfangsgeschlossenen Mantel bilden. Drosselspulen mit einem solchen Kernquerschnitt sind bekannt In die gewickelte Spule nach Fig. 1 wird vorerst eine Isolierfolie (8) eingelegt und dann wird der erwähnte, quaderförmige Eisenkern (6) eingefügt (Fig. 2), die 30 einzelnen, hier vereinigten Bauteile sind so bemessen, daß dieses Zusammenfügen der Teile ohne weitere Schwierigkeit möglich ist. Der Eisenkern kann aus lamellierten Blechen bestehen oder α kann z. B. auch ein Ferritbauteil sein oder ein Preßteil.

Nachdem die gegenüber der Wicklung oder Spule (3) vorstehenden Streifen da Isolierfolie (8) umgeschlagen worden sind (siehe strichlierte Linie in Fig. 2), werden anschließend die beiden U-förmigen Joche (7) an einanda 35 diametral liegenden Stellen am Eisenkern (6) angesetzt (Fig. 3) und in der Folge in Richtung der Pfeile (9) gegeneinander gedrückt. Der Querschnitt des Wickelraumes der fertigen Drosselspule (Fig. 4), ist kleiner bemessen als der Querschnitt der vorerst unverformten Wicklung (3) (Fig. 1 oder 2), so daß durch das Gegeneinanderpressen (Pfeile (9) in Fig. 3) der Bauteile (6) und (7) die Wicklung bzw. die Drähte der Wicklung so stark belastet werden, daß sie sich plastisch verformen und einen sechskantigen Quaschnitt annehmen und den 40 Wickelraum dabei fast zur Gänze füllen, so daß der Wickelraum der Drossel einen Füllfaktor von 90 % oder sogar mehr erreicht (Fig. 4). Für diese plastische Verformung der Drähte bzw. der Drahtquerschnitte sind erhebliche Drücke aufzubringen. Diese Drücke können etwas verringert und kleiner gehalten werden, wenn die Wicklung (3) vor bzw. während dieser Druckeinwirkung erhitzt wird, beispielsweise auf 200 - 300 °C. Dadurch erweicht die Backlackisolierung, 45 die dann die Funktion eines Schmiermittels übernimmt, und auch der Kupferdraht ist bei diesen Temperaturoi leichter zu verformen.

Daß für die plastische Verformung der Querschnitte der Drahtwicklung hohe Kräfte erforderlich sind, wurde schon oben erwähnt. Dazu im einzelnen konkrete Größenwerte anzugeben, ist nicht ohne weiteres möglich, da die Größe dieser Kräfte abhängig ist von der Größe der zu verformenden Wicklung und auch von der Höhe der jeweils 50 eingesetzten Arbeitstemperatur.

Daß für die Herstellung solcher Wicklungen backlackisolierte Drähte verwendet werden, wurde schon gesagt. In Hinblick darauf, daß solche Backlackdrähte seit langem im Handel sind und über die Verwendung solcher backlackisolierten Drähte im Elektromotorenbau bereits Symposien abgehalten worden sind (Berlin, Oktober 1979), erscheint es hier nicht erforderlich zu sein, die Eigenschaften dieser Backlackisolierungen für 55 Drähte hier im einzelnen zu erörtern. Es kann hier auf die Referate verwiesen werden, die anläßlich des Backlack-Symposiums in der Kongreßhalle Berlin im Oktober 1979 gehalten und in der Folge veröffentlicht worden sind. Die Erfindung bezieht sich vor allem auf Wicklungen mit Drähten, die einen kleinen Querschnitt haben, Λ beispielsweise im Bereich von ca. 1 mm·6 oder weniger. -3- 60

Claims (3)

1. AT 392 708 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines Eisenkörpers mit einer Wicklung zur Erzeugung elektromagnetischer Felder für Transformatoren, Drosseln oder Relais, wobei der Eisenkörper einen im wesentlichen quaderförmigen Eisenkern aufweist und paarweise vorgesehene, einen Abschnitt der Wicklung aufnehmende, U-förmige Eisenjoche, zwischen deren Schenkel der Eisenkern eingeschoben ist und die Wicklung aus einer Vielzahl neben-und übereinander liegender Windungen aus einem elektrisch isolierten Draht von im wesentlichen kreisrunden Querschnitt gefertigt wird und anschließend auf die so gefertigte Wicklung bzw. auf Abschnitte derselben mit einer so großen Kraft quer zur Längserstreckung der die Wicklung bildenden Drähte eingewirkt wird, daß sich diese plastisch verformen und sich ein Querschnitt durch einen solchen Windungsabschnitt als wabenartiges Muster darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß in die vorerst unverformte Drähte aufweisende Wicklung der Eisenkern eingelegt und anschließend die U-förmigen Eisenjoche aufgeschoben und mit dem Kern verbunden werden, und dabei Kem und Joche so weit gegeneinander geschoben werden, daß die Querschnittsfläche der von Kern und den Jochen begrenzten Nut bzw. des Wicklungsraumes kleiner wird als die Querschnittsfläche des vorerst unverformten, von der Nut bzw. dem Wickelraum des aus Kem und Joch gebildeten Eisenkörpers aufgenommenen Abschnittes der Wicklung, wobei der Kem und die Joche mit einer so großen Kraft gegeneinander gedrückt werden, daß die ursprünglich kreisrunden Querschnitte der die Wicklung bildenden Drähte über die Länge der sie aufnehmenden Nut bzw. des sie aufnehmenden Wicklungsraumes sich wabenartig und bleibend verformen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung der Wicklung ein Draht mit einer Backlackbeschichtung verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung vor bzw. während der Druckeinwirkung auf ca. 150 bis 300 °C erwärmt wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-