DE2751980A1

DE2751980A1 - Verfahren zur herstellung einer elektromagnetischen vorrichtung

Info

Publication number: DE2751980A1
Application number: DE19772751980
Authority: DE
Inventors: John Workman
Original assignee: S B W ENGINEERS Ltd
Current assignee: WORKMAN, JOHN, GREYABBEY, COUNTY DOWN, NORDIRLAND,
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1977-11-22
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB1501371A

Description

Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Vor-
richtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einem eine doppellagige Wickluna enthaltenden Lamellenkern, welcher aus zwei Lamellenpaketen besteht, von denen das eine die erste Wicklungslage und das andere die zweite Wicklungslage aufnimmt, bei welchem die Leiter der beiden Wicklungslagen durch Stirnverbinder an den Stirnseiten des Lamellenkernes miteinander verbunden werden, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Vorrichtung.
Bei der Herstellung bestimmter elektromagnetischer Vorrichtungen werden die Leiter der elektrischen Wicklung in dem elektromagnetischen Kern selbst untergebracht und durch Stirnverbinder an den Stirnseiten des Kernes miteinander verbunden. Wegen der erforderlichen Anschlußfolge der Leiter haben die Stirnverbinder, die sich in Umfangsrichtung über einen erheblichen Winkelbereich erstrecken müssen, einen relativ komplizierten Aufbau und eine komplizierte Verlegung. Es ist bekannt, die Stirnverbinder zu vereinfachen (DE-PS 590 949), indem sie als bogenförmige Streifen ausgebildet sind, die an die Leiter angeschlossene, im wesentlichen radialverlaufende Verbindungsstücke miteinander verbinden. Die Verwendung dieser Konstruktion ist auf eine Einlagenwicklung für eine Drei-Phasen-Wechselstrom- maschine beschränkt, und die Anzahl der Leiter in dem Kern ist in bezug auf die Stirnverbinder begrenzt, die erfolgreich lediglich in Gruppen untergebracht werden können.
Ferner sind bogenförmige Stirnverbinder bekannt (FR-PS 1 405 924), die mehrere Kernschlitze überspannen, wobei die Wicklung aus zwei Lagen besteht, von denen jede elektrisch von der anderen getrennt ist.
Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung (US-PS 3 761 752) sind die Leiter der Wicklung schraubenförmig auf einem Haltekörper angebracht und die Stirnverbinder verbinden benachbarte Leiter in der Wickellage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung zu schaffen, um die Bildung der Stirnverbinder zu vereinfachen und hinsichtlich der Ausbildung der Wicklung ein Höchstmaß an Flexibilität zu erreichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in jedem Lamellenpaket benachbarte Lamellen mit gegenseitigem Versatz angeordnet werden, damit die miteinander zu verbindenden Leiterenden an den Stirnseiten der Lamellenpakete benachbart sind, und daß nach dem Einbringen der Leiter in die Schlitze der Lamellenpakete die Stirnverbinder in situ gegossen werden.
Nach der Erfindung wird ein aus zwei Lamellenpaketen bestehender Kern verwandt, bei dem die einzelnen Lamellen zum Teil stufenförmig gegeneinander versetzt sind, so daß die Doppellagenwicklung eine spezielle Form erhält.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenkern aus einem ersten Lamellenpaket und einem zweiten Lamellenpaket besteht, von denen jedes die Leiter einer Wickellage enthält, daß die Leiter der einen Wickellage mit den Leitern cer anderen Wickellage durch in situ gegossene Stirnverbindungen an den Stirnseiten des Lamellenkerns verbunden sind, und daß jedes Lamellenpaket Lamellen enthält, die mit ihren Öffnungen stufenweise derart gegeneinander versetzt sind, daß die Enden der betreffenden Leiter an mindestens einer Stirnseite der Vorrichtung zusammenliegen.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Mittelbereichs eines Lamellenkernes in Form eines Läufers für eine elektrische Gleichstrommaschine, Fig. 2 zeigt eine Teilansicht der Stirnseite des Läufers nach Fig. 1, teilweise geschnitten, wobei der andere Stirnseitenbereich in gleicher Weise ausgebildet ist, Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit und verdeutlicht die Verbindung der stirnseitigen Windungsenden bei dem Läufer nach Fig. 2, Fig. 4 zeigt eine schematische Stirnansicht eines Lamellenkernes zum besseren Verständnis alternativer Leiteranordnungen, Fig. 5 zeigt eine Abwicklung entlang der Linie I-I von Fig. 4 zur Verdeutlichung eines Teiles einer ersten Schleifenwicklung, Fig. 6 zeigt eine Abwicklung entlang der Linie I-I der Fig. 4 zur Verdeutlichung eines Teiles einer ersten Wellenwicklung, Fig. 7 zeigt eine Abwicklung entlang der Linie I-I von Fig. 4 zur Verdeutlichung eines Teiles einer zweiten Schleifenwicklung, Fig. 8 zeigt eine Abwicklung entlang der Linie I-I von Fig. 4 zur Verdeutlichung eines Teiles einer zweiten Wellenwicklung, Fig. 9 zeigt eine Abwicklung entlang der Linie I-I von Fig. 4 zur Verdeutlichung eines Teiles einer dritten Wellenwicklung, Fig. 10 zeigt einen Läufer mit dem Lamellenkern von Fig. 9, wobei der Lamellenkern entlang eines Schnittes nach der Linie ABCDE von Fig. 9 geschnitten ist, Fig. 11 zeigt einen Detailschnitt zur Verdeutlichung einer Ausführungsform eines Kommutators für einen Läufer, Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Einzelheit nach Fig. 11, und Fig. 13 zeigt eine bevorzugte Form der Lamellenöffnungen des Kernes.
Der Läufer eines elektrischen Gleichstrommotors enthält einen mit einer Rotorwelle verbundenen Lamellenkern, der, wie Fig. 1 zeigt, einen Mittelbereich 10 aufweist, dessen Länge ungefähr gleich der Pollänge des Motors ist. Der Lamellenkern besteht aus koaxial angeordneten Paketen innerer Lamellen 11 und äußerer Lamellen 12. Diese Pakete sind durch eine Schicht aus isolierendem Material 14, vorzugsweise aus Tonerde (alumina) gegeneinander isoliert. Das innere Lamellenpaket 11 weist eine Mittelöffnung 13 zur Befestigung dieses Lamellenpaketes an der (nicht dargestellten) Rotorwelle auf. Das innere und das äußere Lamellenpaket 11 und 12 sind ringförmig ausgebildet und die beiden Lamellenpakete haben Öffnungen 15, 16, die umfangsmäßig verteilt angeordnet sind. Die Öffnungen 15, 16 sind wie noch erläutert wird, so angeordnet, daß sie bei zusammengebautem Kern Schlitze zur Aufnahme einer Doppellagenwicklung bilden. Dabei wird eine Wicklungslage von dem Lamellenpaket 11 und die andere Wicklungslage von dem Lamellenpaket 12 aufgenommen.
Wie Fig. 1 zeigt, sind sowohl die Lamellen des inneren Paketes 11 als auch diejenigen des äußeren Paketes 12 jeweils mit Fluchtungselementen in Form von Nuten 17, 18 versehen, die beim Zusammenbau des Lamellenkerns die richtige Positionierung der Öffnungen 15 und 16 ermöglichen. In dem Mittelbereich 10 des Lamellenkerns befinden sich die Offnungen 15, 16 in gegenseitiger Ausrichtung und sie haben eine annähernd gleiche Querschnittsfläche.
In Fig. 2 bestehen die Stirnbereiche 20 (von denen nur einer dargestellt ist) des Kernes aus derselben Art von Lamellen 11 und 12 wie in Fig. 1. Sie können jedoch auch aus Lamellen bestehen, die bei 15 und 16 größere Öffnungen haben als im Mittelbereich 10, da eventuell keine Notwendigkeit besteht, den magnetischen Fluß durch die Lamellen der Endbereiche zu führen. In dem Endbereich 20 des Lamellenkernes sind die Öffnungen 15, 16 nicht zueinander ausgerichtet, sondern gegenüber den Lamellen des Mittelbereichs 10 des Kernes versetzt oder verdreht, und die Lamellen 11 sind in der einen Umfangsrichtung versetzt, während die Lamellen 12 in der entgegengesetzten Umfangsrichtung versetzt sind.
Der Versatz- oder Verschiebungswinkel hängt von der Art der für den Läufer benötigten Wicklung und der Polteilung des Stators ab, jedoch sind die Versatzpositionen der Leiterschlitze für die oberen und die unteren Leiter, die miteinander verbunden werden müssen, einander benachbart. Der Versatz erfolgt durch Führungsmittel, die in die Nuten 17, 18 eingreifen. Nachdem die Lamellen der Lamellenpakete 11 und 12 in die gewünschte Position gebracht worden sind, werden sie auf bekannte Weise zur Bildung eines festen Kernes miteinander verbunden. Alternativ können die Lamellen auch in einer Halterung festgehalten werden, die nach dem Einsetzen der Leiter in die Schlitze entfernt wird. Nachdem die Lamellen positioniert worden und zu einem Kern miteinander verbunden sind, werden die Innenflächen der von den Öffnungen 15 und 16 gebildeten Leiterschlitze mit Isoliermaterial beschichtet und anschließend die Leiter in die Schlitze eingepaßt. In die Schlitze kann zur Bildung der Leiter Aluminium oder ein anderes Leitermaterial eingegossen werden. Während des Gießvorganges werden an die stirnseitigen Enden des Kernes (nicht dargestellte) abnehmbare Formen angesetzt, so daß die Enden benachbarter oberer und unterer Leiter durch Wicklungsenden 19 verbunden werden, die in den Formen hergestellt werden. Alternativ kann auch ein geeignetes Material, wie Kupfer, in fester Form durch die Leiterschlitze hindurchgetrieben werden, wobei die Stirnverbindungen anschließend in der oben beschriebenen Weise im Gießverfahren erzeugt werden. Die Stirnverbindungen 19 an einer Seite des Kernes können anschließend bearbeitet werden, um einen Kommutator oder einen Kommutatoranschluß für den Gleichstrommotor zu erzeugen. Anschließend wird die Baugruppe aus dem Lamellenkern mit der fertiggestellten Wicklung in bekannter Weise an der Welle montiert, wobei zusätzlich durch eine Isolationsschicht 40 (Fig. 10) eine Isolierung gegenüber der Welle erfolgen kann.
In Fig. 3 sind die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Stirnverbinder dargestellt. Die Stirnverbinder 19 können eine gewisse axiale Länge haben, um als Kühl- flügel für den Motor zu wirken.
Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Stirnansicht des Lamellenkerns, wobei die Öffnungen 15 und 16 in ausgezogenen Linien in der an der Linie A-B in Fig. 10 eingenommenen Position, d.h. im Mittelbereich 10 des Kerns, dargestellt sind, wogegen die Öffnungen in dem Endbereich 20 die gestrichelt eingezeichneten Positionen einnehmen. In dem Endbereich ist also der Winkelabstand der Öffnungen durch den oben erläuterten Versatzeffekt der Lamellen auf Null reduziert worden.
In den Fig. 5 und 7 sind die Lamellen über die gesamte Kernlänge so gegeneinander versetzt, daß sie Schlitze bilden, die für Schleifenwicklungen geeignet sind. Die rechtsseitig dargestellten Stirnverbinder sind an einen Kommutator angeschlossen.
In den Fig. 6 und 8 sind die Lamellen ebenfalls über die gesamte Kernlänge versetzt, jedoch so, daß die von den Offnungen gebildeten Schlitze zur Bildung von Wellenwicklungen geeignet sind.
In Fig. 9 verlaufen der obere und der untere Schlitz im Mittelbereich 10 parallel und nur in den End- oder Stirnbereichen 20 sind die Lamellen zur Bildung einer Wellenwicklung gestaffelt gegeneinander versetzt.
In Fig. 10 ist ein konventioneller Kommutator 21 bei 24 axial an die Stirnverbinder 19 des Kernes nach Fig. 9 angeschlossen.
In Fig. 11 ist ein Flächenkommutator 22 an den Stirnverbindern 19 befestigt, so daß er sich für Bürsten eignet, die axial gegen die Stirnfläche drücken.
In Fig. 12 ist ein Kommutator 22 an dem Stirnbereich 20 des Lamellenkerns im Anschluß an eine Bearbeitung befestigt, bei der der Leiter unter Entfernung eines Teiles der Lamellenstruktur entfernt wurde. Bei diesem Kommutator können daher die Segmente in bezug auf die Läuferachse abgeschrägt sein.
In den Fig. 10, 11 und 12 sind die Kommutatoren entweder durch mechanischen Druck oder durch andere bekannte Mittel, wie Elektronenstrahlschweißung, mit dem Läufer verbunden, und die Kommutatoren bestehen aus einem anderen Material als dem Metall des Leiters. Es können auch mehr als ein Kommutator an derselben Wicklung befestigt werden.
In Fig. 13 ist eine Form der Öffnungen 15 und 16 in den Lamellenpaketen 11 und 12 dargestellt. Die Öffnungen haben im wesentlichen gleichgroße Querschnittsflächen, jedoch unterschiedliche Querschnittsformen. Die Öffnungen 15 sind in radialer Richtung länglich und durch Stege des Lamellenmaterials mit im wesentlichen konstanter Breite voneinander getrennt.
In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, einen Teil der Außenfläche an allen Abschnitten des Läufers bis hin zur Linie 30 abzutragen, um die Läufereigenschaften zu verbessern. In solchen Fällen sind die Öffnungen 16 profiliert, um die Leiter in ihnen radial festzuhalten. Eine mögliche Ausführungsform einer solchen Profilgebung ist mit den Nuten 31 in Fig. 13 angegeben.
Das Gießen der Wicklung kann im Schleudergußverfahren, im Schwerkraft-Spritzgußverfahren, im Druckgußverfahren oder durch porenfreies Spritzgießen (bei dem die Form vor dem Ausgießen mit einem reaktiven Gas, wie Sauerstoff, gefüllt wird), erfolgen.
Die Stirnbereiche des Kernes können aus Lamellen aus feuerfestem Material bestehen, in das geeignete Öffnungen eingeformt sind.
Obwohl in der obigen Beschreibung Kerne erläutert worden sind, die für Gleichstrommotoren mit Wellenwicklungen und mit Schleifenwicklungen geeignet sind, ist die Erfindung gleichermaßen auch für Gleichstromgeneratoren mit Wellenwicklungen oder Schleifenwicklungen, für Kerne mit magnetischen Gleichstromspulen, Wechselstrom-Synchronmotoren mit ausgeprägten Polen sowie für Kerne für Gleitring-Induktionsmotore anwendbar. Ferner können Wicklungen in Schlitzen von Kernen gegossen werden, deren Form geradlinig oder radial ist, im Gegensatz zur oben beschriebenen Zylinderform des Läufers. Auf diese Weise ist die Herstellung von Radial- oder Linearmotoren oder entsprechenden Generatoren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
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Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einem eine doppellagige WEkluna enthaltenden Lamellenkern, welcher aus zwei Lamellenpaketen besteht, von denen das eine die erste Wicklungslage und das andere die zweite Wicklungslage aufnimmt, bei welchem die Leiter der beiden Wicklungslagen durch Stirnverbinder an den Stirnseiten des Lamellenkernes miteinander verbunden werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in jedem Lamellenpaket benachbarte Lamellen mit gegenseitigem Versatz angeordnet werden, damit die miteinander zu verbindenden Leiterenden an den Stirnseiten der Lamellenpakete benachbart sind, und daß nach dem Einbringen der Leiter in die Schlitze der Lamellenpakete die Stirnverbinder in situ gegossen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lamelle der beiden Lamellenpakete eine Fluchtungsmarkierung aufweist, daß der Versatz benachbarter Lamellen eines jeden Lamellenpaketes dadurch erfolgt, daß in die Fluchtungsmarkierungen Führungsmittel eingreifen, und daß die Lamellen des ersten und des zweiten Lamellenpaketes nach dem gegeneinander versetzten Anordnen der Lamellen und vor dem Einbringen der Leiter miteinander verbunden werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Wicklung in situ in die Öffnungen der Lamellenpakete eingegossen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Wicklung dadurch gebildet werden, daß Kupfer in fester Form in die Lamellenöffnungen eingetrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Gießen der Leiter die von den Lamellenöffnungen gebildeten Schlitze mit einem Isoliermaterial beschichtet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gießen der Stirnverbinder abnehmbare Formen verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Gießen der Stirnverbinder ein Teil der Randfläche des Kernes an einem Ende abgetragen wird, um die Leiter zur Bildung eines Kommutators freizulegen.
8. Elektromagnetische Vorrichtung mit einem eine Doppellagenwindung enthaltenden Lamellenkern, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Lamellenkern (10) aus einem ersten Lamellenpaket (11) und einem zweiten Lamellenpaket (12) besteht, von denen jedes die Leiter einer Wickellage enthält, daß die Leiter der einen Wickellage mit den Leitern der anderen Wickellage durch in situ gegossene Stirnverbindungen (19) an den Stirnseiten des Lamellenkerns (10) verbunden sind, und daß jedes Lamellenpaket Lamellen enthält, die mit ihren Öffnungen stufenweise derart gegeneinander versetzt sind, daß die Enden der betreffenden Leiter an mindestens einer Stirnseite der Vorrichtung zusammenliegen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Lamellenpaket Lamellen enthält, deren Öffnungen passend aufeinanderliegen (B-C in Fig. 9).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Tonerde (alumina) (14) das erste Lamellenpaket (11) von dem zweiten Lamellenpaket (12) trennt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterenden der ersten Wicklungslage an den Stirnverbindern (19) die gleiche Querschnittsfläche haben wie die Leiterenden der anderen Wickellage, daß jedoch die Formen der Leiterflächen in den beiden Wickellagen voneinander abweichen (Fig. 13).
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenkern im wesentlichen zylindrisch ist, und daß die Lamellenpakete (11, 12) ringförmig ausgebildet sind und koaxial ineinanderliegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Lamellen des ersten Lamellenkerns in einer Umfangsrichtung stufenförmig gegeneinander versetzt sind, und daß Lamellen des anderen Lamellenpaketes der entgegengesetzten Umfangsrichtung stufenförmig gegeneinander versetzt sind (Fig. 9).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellenöffnungen in der Nähe der Stirnseiten des Lamellenkernes eine größere Querschnittsfläche haben als die Lamellenöffnungen im Mittelbereich des Lamellenkernes.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen des koaxialen inneren Lamellenpaketes in radialer Richtung länglich ausgebildet und voneinander durch Streifen aus Lamellenmaterial mit im wesentlichen konstanter Breite getrennt sind (Fig. 13).