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EP3244427A1 - Verfahren zum fixieren einer spulenwicklung - Google Patents

Verfahren zum fixieren einer spulenwicklung Download PDF

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Publication number
EP3244427A1
EP3244427A1 EP16169559.8A EP16169559A EP3244427A1 EP 3244427 A1 EP3244427 A1 EP 3244427A1 EP 16169559 A EP16169559 A EP 16169559A EP 3244427 A1 EP3244427 A1 EP 3244427A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
coil wire
polymer material
bobbin
fixing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16169559.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schaefer
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.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
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 Hilti AG filed Critical Hilti AG
Priority to EP16169559.8A priority Critical patent/EP3244427A1/de
Priority to PCT/EP2017/060876 priority patent/WO2017194444A1/de
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    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H01F27/325—Coil bobbins

Definitions

  • the present invention relates to methods of fixing an electrically conductive coil wire to a coil carrier.
  • Electromagnetic machines or components such as electric motors, electromagnets, relays, transformers, measuring coils, loudspeakers or the like, have coils, i. wound wire, to generate or detect magnetic fields.
  • the coils or the wire of the coil is for this purpose acted upon by an electric current.
  • thermally conductive substances are sometimes applied or introduced in upstream and / or downstream working steps and in the winding process.
  • only superficially heat is dissipated, as for example in the German patent application DE 102010064072 A1 described, or very costly introduced thermally conductive materials, for example, by applying in the winding process, casting, dipping, trickling, pressing or the like.
  • a method for fixing an electrically conductive coil wire on a bobbin is to provide, with which eliminates the above problems, a coil wire mounted as effectively as possible on a bobbin and the largest possible heat dissipation can be achieved from a coil out.
  • a method for fixing an electrically conductive coil wire on a coil carrier is provided for this purpose.
  • Coils produced in this way improve the thermal conductivity (> 0.3 Wm / K) and facilitate the fixation of the coil wire on the coil carrier.
  • the heat loss of the coil winding can be increasingly dissipated to the outer surface of the coil, whereby a longer life with a higher resistance to temperature, vibration and erosion can be achieved.
  • coils with more compact dimensions, ie with a higher power density are possible.
  • the cost can be achieved by choosing a cheaper coil wire quality.
  • the simplified dosage of the fixing or thermally conductive material the cost can be further reduced.
  • the curing of the polymer material takes place by polymerization, polyaddition or polycondensation.
  • the curing can also be referred to as solidification.
  • the polymer material is both a thermoset material and a thermoplastic material or elastomer material.
  • a particularly good thermal conductivity can be achieved.
  • the thermoset material a Thermal conductivity of greater than 0.3 Wm / K (> 0.3 Wm / K) has. It has been shown that a particularly good heat removal from the coil can be achieved by using a thermosetting material having a thermal conductivity of greater than 0.3 Wm / K (> 0.3 Wm / K).
  • thermoplastic e.g., applying a hot melt adhesive
  • elastomer e.g., applying a silicone
  • the polymer material may also be an adhesive.
  • the winding wires can be fixed in a particularly fast and efficient manner.
  • the polymer material may also be a thermoplastic or an elastomer.
  • the thermoplastic may be a hot-melt adhesive.
  • the elastomer may be silicone.
  • Fig. 1 and 2 show a schematic representation of a bobbin 1 with a coil wire 2 during the winding process.
  • the bobbin 1 essentially comprises a carrier element 3 and a first limiting element 4 and a second limiting element 5.
  • the carrier element 3 has a substantially cylindrical shape.
  • the coil wire 2 consists of at least one metal.
  • the coil wire 2 has a circular diameter cross-section. However, it is also possible that the average cross section of the coil wire 2 has any other possible shape.
  • the first limiting element 4 is configured substantially as a first circular disk 4a
  • the second limiting element 5 is designed essentially as a second circular disk 4b.
  • the second disc 4b has a slightly larger diameter than the first disc 4a.
  • the first disc 4a has a through hole 6, through which the coil wire 2 can be guided.
  • the bobbin 1 or the coil wound from the coil wire 2 can also have any other possible design.
  • a most uniform layer of thermally conductive and curable polymer material 7 is applied to the cylindrical surface 8 of the carrier element 3.
  • the polymer material 7 has the function of an adhesive.
  • the coil wire 2 is wound onto the carrier element 3 of the coil carrier 1 to form a coil or coil winding.
  • the coil wire 2 completely immersed in the still soft polymer material 7, so that the coil wire 2 is completely covered by the polymer material 7.
  • the free end of the coil wire 9 is guided through the through hole 6 in the first disc 4a (see. Fig. 1b ).
  • the amount or the height H of the polymer material 7 on the bobbin 1 is chosen so that the wound to the coil coil wire 2 is still covered exactly by the polymer material 7.
  • polymer material 7 may serve to provide additional components, such as e.g. e.g. Cooling elements, bearing shells, components for fixing the coil or bobbin 1 or the like to connect to the bobbin 1.
  • additional components are not shown in the figures.
  • first limiting element 4 and / or second limiting element 4 different through-holes, e.g. Channels, be provided. Additional polymer material 7 can flow through these through-holes or channels for attaching further components or components.
  • connection between bobbin 1 and other components and components e.g. Laminated core or its base insulation, can be further improved by a previous filling of existing holes or channels. The improvement relates in particular to mechanical and thermal connection. Neither the different through holes nor the other components or components are shown in the figures.
  • the polymer material 7 can harden or solidify.
  • the curing or solidification can be carried out for example by polymerization, polyaddition or polycondensation.
  • a hardener eg 2-component polymer / adhesive
  • a trigger eg UV, visible light and / or heat radiation , Humidity, etc.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Insulating Of Coils (AREA)

Abstract

Das Verfahren enthält die Verfahrensschritte: Auftragen eines wärmeleitfähigen und aushärtbaren Polymerwerkstoff auf wenigstens einen Teilbereich des Spulenträgers; Anbringen des elektrisch leitfähigen Spulendrahts auf den Spulenträger, sodass der Spulendraht wenigstens teilweise von dem Polymerwerkstoff bedeckt ist; und Aushärten des Polymerwerkstoffs zum Fixieren des Spulendrahts mittels der Kohäsion und/oder Adhäsion des Polymerwerkstoffs.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Fixieren eines elektrisch leitfähigen Spulendrahts auf einem Spulenträger.
  • Elektromagnetische Maschinen oder Komponenten, wie beispielsweise Elektromotoren, Elektromagnete, Relais, Transformatoren (Trafos), Messspulen, Lautsprecher oder dergleichen, verfügen über Spulen, d.h. gewickelter Draht, zu erzeugen oder detektieren von Magnetfeldern. Die Spulen bzw. der Draht der Spule wird hierzu mit einem elektrischem Strom beaufschlagt.
  • Strombeaufschlagte Spulen haben energetische Verluste, die zu einer unerwünschten Erwärmung der Spulen führen.
  • Diese Wärme kann nur schlecht nach außen, d.h. an die äußere Oberfläche der Spule, abgeleitet werden, da die Drahtwindungen zueinander keinen großflächigen Kontakt haben. Zusätzlich verbleiben mit den bisher vorhandenen Wicklungsverfahren stets zwischen den Drähten nach dem Wickelvorgang unerwünschte Luftspalte. Zur Beseitigung dieser Probleme können bisher nur Wickeldrähte mit hochwertigeren Qualitäten bzw. deutlich besseren Eigenschaften eingesetzt werden. Dies führt jedoch zu erhöhten Erstellungskosten.
    Des Weiteren wäre es möglich, dass größere Bauvolumen für die Wicklungen vorgesehen werden. Größere Bauvolumen sind jedoch aus ökonomischen sowie aus ergonomischen Gesichtspunkten zu vermeiden.
  • Als bisherige aufwändige und kostenintensive Maßnahmen werden bisweilen in vorgelagerten und/oder nachgelagerten Arbeitsschritten, und im Wickelprozess integrierten Verfahren, wärmeleitende Stoffe aufgetragen bzw. eingebracht. Dabei wird entweder nur oberflächlich Wärme abgeführt, wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 102010064072 A1 beschrieben, oder sehr aufwändig wärmeleitende Materialien eingebracht z.B. durch Auftragen im Wickelprozess, Vergießen, Tauchen, Träufeln, Pressen oder dergleichen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen sowie insbesondere eine Verfahren zum Erzeugen einer verbesserten Spule bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Gegenstands finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
  • Hierzu wird ein Verfahren zum Fixieren eines elektrisch leitfähigen Spulendrahts auf einem Spulenträger zur Verfügung zu stellen, mit dem die vorstehend genannten Probleme beseitigt, ein Spulendraht möglichst effektiv auf einem Spulenträger befestigt und eine möglichst große Wärmeabfuhr aus einer Spule heraus erreicht werden kann.
  • Ein Verfahren zum Fixieren eines elektrisch leitfähigen Spulendrahts auf einem Spulenträger wird hierzu bereitgestellt.
  • Erfindungsgemäss enthält das Verfahren die Verfahrensschritten,
    • Auftragen eines wärmeleitfähigen und aushärtbaren Polymerwerkstoff auf wenigstens einen Teilbereich des Spulenträgers;
    • Anbringen des elektrisch leitfähigen Spulendrahts auf den Spulenträger, sodass der Spulendraht wenigstens teilweise von dem Polymerwerkstoff bedeckt ist; und
    • Aushärten des Polymerwerkstoffs zum Fixieren des Spulendrahts mittels der Kohäsion und/oder Adhäsion des Polymerwerkstoffs.
  • Derart hergestellte Spulen verbessern die Wärmeleitfähigkeit (>0,3Wm/K) und erleichtern die Fixierung des Spulendrahts auf dem Spulenträger. Die Verlustwärme der Spulenwicklung kann verstärkt an die äußere Oberfläche der Spule abführen werden, wodurch eine höhere Lebensdauer mit einer höheren Resistenz gegen Temperatur, Vibration und Erosion erreicht werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Spulen mit kompakteren Abmessungen, d.h. mit einer höheren Leistungsdichte möglich. Gleichzeitig können die Kosten durch die Auswahl einer günstigeren Spulendrahtqualität erzielt werden. Durch die vereinfachte Dosierung des fixierenden bzw. wärmeleitenden Materials können die Kosten noch weiter gesenkt werden.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann es möglich sein, dass das Aushärten des Polymerwerkstoffs durch Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation erfolgt. Das Aushärten kann auch als Verfestigen bezeichnet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Polymerwerkstoff sowohl ein Duroplaste- Werkstoff als auch ein Thermoplaste-Werkstoff oder Elastomer-Werkstoff ist. Hierdurch kann eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Es kann dabei vorteilhaft sein, dass der Duroplastewerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 0,3 Wm/K (> 0,3 Wm/K) aufweist. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung eines Duroplastewerkstoffs mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 0,3 Wm/K (> 0,3 Wm/K) eine besonders gute Wärmeabfuhr aus der Spule erreicht werden kann.
  • Könnte doch auch ein Thermoplast (z.B. auftragen eines Heissklebstoffes) oder Elastomer (z.B. auftragen eines Silikon) sein, je nach Anforderung (z.B. wenn nur die Spule fixiert/gedämpft werden soll).
  • Des Weiteren kann es sich bei dem Polymerwerkstoff auch um einen Klebstoff handeln. Hierdurch können auf besonders schnelle und effiziente Art und Weise die Wickeldrähte fixiert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Polymerwerkstoff auch ein Thermoplast oder ein Elastomer sein. Bei dem Thermoplast kann es sich um einen Heissklebstoff handeln. Bei dem Elastomer kann es sich um Silikon handeln.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmässigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1a
    eine schematische Vorderansicht auf einen Spulenträger mit einem Spulendraht während des Wickelverfahrens;
    Fig. 1b
    eine schematische Seitenansicht auf den Spulenträger mit dem Spulendraht während des Wickelverfahrens;
    Fig. 2a
    eine erste Detailansicht auf einen Teilbereich des Spulenträgers mit dem Spulendraht; und
    Fig. 2b
    eine zweite Detailansicht auf einen Teilbereich des Spulenträgers mit dem Spulendraht.
    Ausführungsbeispiel:
  • Fig. 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines Spulenträgers 1 mit einem Spulendraht 2 während des Wickelverfahrens.
  • Der Spulenträger 1 enthält im Wesentlichen ein Trägerelement 3 sowie ein erstes Begrenzungselement 4 und ein zweites Begrenzungselement 5.
  • Das Trägerelement 3 weist im Wesentlichen eine zylindrische Form auf.
  • Der Spulendraht 2 besteht wenigstens aus einem Metall. Der Spulendraht 2 weist einen kreisrunden Durchmesserquerschnitt auf. Es ist jedoch auch möglich, dass der Durchschnittsquerschnitt des Spulendrahts 2 jede andere mögliche Form aufweist.
  • Das erste Begrenzungselement 4 im Wesentlichen als eine erste kreisrunde Scheibe 4a ausgestaltet und das zweite Begrenzungselement 5 ist im Wesentlichen als eine zweite kreisrunde Scheibe 4b ausgestaltet. Wie in den Figuren dargestellt, weist die zweite Scheibe 4b einen etwas größeren Durchmesser auf als die erste Scheibe 4a. Wie in den Figuren angedeutet, weist die erste Scheibe 4a eine Durchbohrung 6 auf, durch die der Spulendraht 2 geführt werden kann.
  • Der Spulenträger 1 bzw. die aus dem Spulendraht 2 fertig gewickelte Spule können jedoch auch jede andere mögliche Bauform haben.
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fixieren eines elektrisch leitfähigen Spulendrahts auf einem Spulenträger 1 wird in einem ersten Verfahrensschritt eine möglichst gleichmäßige Schicht eines wärmeleitfähigen und aushärtbaren Polymerwerkstoffs 7 auf die zylindrische Oberfläche 8 des Trägerelements 3 aufgetragen. Der Polymerwerkstoff 7 weist dabei die Funktion eines Klebestoffs auf.
  • Noch bevor dieser wärmeleitfähige und aushärtbare Polymerwerkstoff 7 aushärten bzw. verfestigen kann, wird der Spulendraht 2 zum Bilden einer Spule bzw. Spulenwicklung auf das Trägerelement 3 des Spulenträgers 1 gewickelt.
  • Wie in den Figuren dargestellt, taucht der Spulendraht 2 dabei vollständig in den noch weichen Polymerwerkstoff 7 ein, sodass der Spulendraht 2 komplett von dem Polymerwerkstoff 7 bedeckt ist. Das freie Ende des Spulendrahts 9 wird durch die Durchbohrung 6 in der ersten Scheibe 4a geführt (vgl. Fig. 1b). Die Menge an bzw. die Höhe H der Polymerwerkstoff 7 auf dem Spulenträger 1 wird dabei so gewählt, dass der zu der Spule gewickelte Spulendraht 2 noch genau von dem Polymerwerkstoff 7 bedeckt ist.
  • Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann es jedoch auch möglich sein, dass deutlich weniger Polymerwerkstoff 7 auf den Spulenträger 1 aufgetragen wurde als zum Bedecken des zur Spule gewickelten Spulendrahts 2 notwendig wäre und einem weiteren Bearbeitungsschritt (z.B. Spritzpressen, Spritzgießen oder dergleichen) zuzuführen.
  • Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann es jedoch auch möglich sein, dass deutlich mehr Polymerwerkstoff 7 auf den Spulenträger 1 aufgetragen wurde als zum Bedecken des zur Spule gewickelten Spulendrahts 2 notwendig wäre. Der überschüssige Polymerwerkstoff 7 kann dazu dienen, zusätzliche Komponenten, wie z.B. z.B. Kühlelemente, Lagerschalen, Bauteile zur Befestigung der Spule bzw. Spulenträgers 1 oder dergleichen, mit dem Spulenträger 1 zu verbinden. Die zusätzlichen Komponenten sind in den Figuren nicht dargestellt.
  • Des Weiteren können in dem ersten Begrenzungselement 4 und/oder zweiten Begrenzungselement 4 verschiedene Durchbohrungen, z.B. Kanäle, vorgesehen sein. Zusätzlicher Polymerwerkstoff 7 kann durch diese Durchbohrungen bzw. Kanäle fliessen zur Anbringung weiterer Bauteile oder Komponenten. Zusätzlich kann die Verbindung zwischen Spulenträger 1 und weiteren Komponenten und Bauteile, z.B. Blechpaket oder deren Basisisolation, durch ein vorangegangenes Auffüllen von vorhandenen Durchbohrungen oder Kanälen weiter verbessert werden. Die Verbesserung betrifft insbesondere mechanische und thermische Anbindung. Weder die verschiedenen Durchbohrungen noch die weiteren Bauteile oder Komponenten sind in den Figuren dargestellt.
  • Vor, während oder nachdem der Spulendraht 2 und/oder weitere Komponenten bzw. Bauteile mit dem Spulenträger 1 verbunden sind, kann der Polymerwerkstoff 7 aushärten bzw. verfestigen. Das Aushärten bzw. Verfestigen kann beispielsweise durch Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation erfolgen.
  • Des Weiteren kann der Härteprozess durch Zugabe eines Härters (z.B. 2-Komponenten Polymer/Klebstoff) vor, während oder nach dem Auftragen als auch vor, während oder nach dem Auftragen durch Einsatz eines Auslösers (z.B. UV-, sichtbare Licht- und/oder Wärmestrahlung, Feuchtigkeit usw.) gestartet werden.
  • Es ist auch möglich, den Polymerwerkstoff 7 in einem vorhergehenden Arbeitsschritt zu fixieren, um ihn im Anschluss an diesen Arbeitsschritt auszuhärten zu lassen (z.B. bei Dual härtenden Polymerwerkstoffen/Klebstoffe). Hierdurch wird eine dauerhafte, fixierende sowie schützende Verbindung hergestellt.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Fixieren eines elektrisch leitfähigen Spulendrahts 2 auf einem Spulenträger (1),
    gekennzeichnet durch die Verfahrensschritten,
    - Auftragen eines wärmeleitfähigen und aushärtbaren Polymerwerkstoff (7) auf wenigstens einen Teilbereich des Spulenträgers (1);
    - Anbringen des elektrisch leitfähigen Spulendrahts (2) auf den Spulenträger (1), sodass der Spulendraht (2) wenigstens teilweise von dem Polymerwerkstoff (7) bedeckt ist; und
    - Aushärten des Polymerwerkstoffs (7) zum Fixieren des Spulendrahts (2) mittels der Kohäsion und/oder Adhäsion des Polymerwerkstoffs (7).
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten des Polymerwerkstoffs (7) durch Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation erfolgen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerwerkstoff (7) sowohl ein DuroplasteWerkstoff als auch ein Thermoplaste- Werkstoff oder Elastomer-Werkstoff ist.
EP16169559.8A 2016-05-13 2016-05-13 Verfahren zum fixieren einer spulenwicklung Withdrawn EP3244427A1 (de)

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PCT/EP2017/060876 WO2017194444A1 (de) 2016-05-13 2017-05-08 Verfahren zum Fixieren einer Spulenwickung

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