Технология намотки катушек - Coil winding technology

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найдите источники: «Технология намотки катушек»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Июль 2016) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В электротехника, обмотка катушки это изготовление электромагнитные катушки. Катушки используются в качестве компонентов цепей и для обеспечения магнитного поля двигателей, трансформаторов и генераторов, а также при производстве музыкальные колонки и микрофоны. Форма и размеры обмотки предназначены для выполнения конкретной задачи. Такие параметры как индуктивность, Добротность, прочность изоляции и сила желаемого магнитного поля сильно влияют на конструкцию обмоток катушки. Катушечная обмотка может быть разделена на несколько групп в зависимости от типа и геометрии намотанной катушки. Массовое производство электромагнитных катушек опирается на автоматизированное оборудование.

Принципы

Эффективные змеевики сводят к минимуму материалы и объем, необходимые для данной цели. Отношение площади электрических проводников к предусмотренному пространству обмотки называется «коэффициентом заполнения». Поскольку у круглых проводов всегда будет некоторый зазор, а также у проводов есть некоторое пространство, необходимое для изоляции между витками и между слоями, коэффициент заполнения всегда меньше единицы. Для достижения более высоких коэффициентов заполнения можно использовать прямоугольную или плоскую проволоку.

Коэффициент заполнения можно рассчитать по формуле:

${ Displaystyle F = { гидроразрыва {d ^ {2} cdot { frac { pi} {4}} cdot n} {b cdot h}}}$

${ displaystyle d}$ - Калибр провода, включая лаковую изоляцию

${ displaystyle n}$ - Количество обмоток

${ displaystyle b cdot h}$ - Поперечное сечение корпуса катушки

Плотная упаковка проводов уменьшает воздушное пространство и, как говорят, имеет высокий коэффициент заполнения. Это увеличивает КПД электрического устройства и улучшает теплопроводность обмотки. Для лучшей укладки круглых проводов на многослойную обмотку провода верхнего слоя должны находиться в канавках нижнего слоя не менее чем на 300 градусов по окружности катушки. Провода занимают плотный пакет, который называется «ортоциклическая намотка». Противоположностью этому будет случайная проволочная структура внутри пространства намотки, которая называется «дикая намотка».

Дикие извилины

Также известный как беспорядочная намотка, с этим типом структуры обмотки могут быть достигнуты только низкие коэффициенты заполнения. Случайное размещение проводов приводит к более широкому распределению результирующей длины провода на корпусе катушки и, следовательно, более широкому диапазону сопротивлений электрической катушки. Несмотря на свои недостатки, он широко распространен в массовом производстве. Он отличается низкими требованиями к оборудованию и оператору и может быть намотан с очень высокой скоростью. Дикие обмотки чаще всего применяются в контактор - и реле катушки, малые трансформаторы, Катушки зажигания, небольшие электродвигатели и, как правило, устройства с относительно небольшими сечениями проводов до 0,05 мм. Достигнутые коэффициенты заполнения при использовании круглой проволоки составляют от 73% до 80% и ниже по сравнению с ортоциклическими обмотками с 90%.

Высоту намотки можно оценить по формуле:

${ displaystyle h = d ^ {2} cdot { frac {n} {b}}}$

${ displaystyle d}$ - Калибр провода, включая изоляцию

${ displaystyle n}$ - Количество обмоток

${ displaystyle b}$ - Ширина намотки

Спиральная намотка

Спиральная намотка

Проволоки укладываются в каждый слой по спирали. Из-за того, что направление движения от слоя к слою меняется с правого на левый, провода пересекаются и оказываются внутри зазора нижележащего слоя. Проводка нижнего слоя отсутствует. Если количество слоев превышает определенный предел, структурированность не может поддерживаться, и возникает буйная намотка. Этого можно избежать, используя изоляцию из отдельных слоев, которая необходима в любом случае, когда разница напряжений между слоями превышает прочность изоляции медного провода.

Ортоциклическая обмотка

Ортоциклическая обмотка прямоугольной катушки двигателя

Такая структура обмотки обеспечивает оптимальный коэффициент заполнения (90,7%) для круглых проводов. Обмотки верхнего слоя нужно поместить в пазы нижнего слоя.

Наилучшее использование объема достигается, когда обмотка параллельна фланцу катушки на большей части ее окружности. Когда обмотка будет размещена вокруг корпуса катушки, она встретится с предыдущим расположенным проводом, и необходимо сделать шаг в соответствии с размером калибра провода. Это движение называется заводным шагом. Шаг намотки может занимать площадь до 60 градусов по окружности катушки для круглых катушек катушки и принимать одну сторону прямоугольных катушек катушек. Площадь шага намотки зависит от калибра проволоки и геометрии катушки.

Если этап намотки не может быть выполнен должным образом, тогда теряется способность проволоки к самонаведению и образуется буйная намотка. В целом, первый входящий провод в основном определяет расположение и качество шага намотки. Следует понимать, что провод должен входить, возможно, под прямым углом в пространство намотки. Таким образом можно избежать ненужного изгиба провода и минимизировать необходимое пространство для второго этапа намотки. Для катушек с ортоциклической намоткой области ступеньки намотки всегда расположены в области входа провода в пространство намотки и продолжаются в спиральной форме против направления намотки. Как следствие, большая ширина намотки катушки приводит к большей площади шага намотки по окружности катушки. Созданное смещение приводит к другому положению шага слоя, от первого ко второму слою, по сравнению с входом провода. Такое поведение повторяется с каждым слоем, что приводит к образованию спирального переходного участка на стороне обмотки. Благодаря тому, что провода пересекаются внутри переходного участка, результирующая высота намотки увеличивается. В результате катушки с ортоциклической намоткой с круглым заземлением катушки никогда не бывают круглыми в поперечном сечении, но радиально движущаяся обмотка и ступенька слоя создают форму горба. Опыт показал, что, в зависимости от ширины намотки, диаметра катушки и провода, поперечное сечение примерно на 5–10 процентов превышает стандартную высоту намотки.

Расположение и размер кроссоверной секции

В связи с тем, что обмотка должна располагаться по большей части параллельно фланцу обмотки, соблюдая условие ортогональности, необходимо регулировать ширину обмотки в соответствии с количеством витков на слой обмотки. В частности, для участков поперечного сечения катушек некруглой формы желательно расположить переходную зону на малой стороне корпуса катушки, также называемой намоточной головкой. Это связано с тем, что некруглые катушки устанавливаются на корпусе из листового металла или в круговом расположении. Катушки должны быть достаточно маленькими, чтобы избежать контакта с соседней катушкой или пакетом из листового металла. Для ортоциклических круглых катушек можно определить три геометрии намотки:

а) Равное количество витков на слой

б) Неравное количество витков на слой, начиная с укороченного слоя

в) Неравное количество витков на слой, начиная с более длинного слоя

Выбор используемой структуры обмотки в основном зависит от конструкции катушки или корпуса катушки. Среди прочего, необходимо учитывать условия доступного пространства для ширины намотки и высоты намотки. Более того, можно повлиять на расположение и конец последней намотки, выбрав грамотную схему намотки. Высота намотки ортоциклической обмотки катушки определяется следующим уравнением:

${ displaystyle h = [1+ (n-1) cdot sin 60 ^ { circ}] cdot d}$

${ displaystyle h}$ -Высота намотки

${ displaystyle n}$ - Количество слоев

${ displaystyle d}$ - Макс. калибр проволоки над лаком (CuL)

Поскольку ортоциклически намотанная катушка с окружностью слоев намотки не менее 300 ° имеет самый плотный круговой пакет поперечных сечений проводов. Этот метод намотки обеспечивает максимальный коэффициент заполнения и является лучшим способом заполнить имеющееся поперечное сечение обмотки круглыми проводами. Квадратные катушки считаются ортоциклически намотанными, когда обмотка и скачок слоя происходят только на одной из сторон поперечного сечения обмотки. Теоретически будет достигнут геометрический коэффициент заполнения 0,91. Однако на практике это значение не может быть достигнуто, поскольку существует область скачка обмотки и слоя, а изоляция провода не учитывается.

${ displaystyle A Delta = { frac {d ^ {2}} {4}} cdot { sqrt {3}}}$

${ displaystyle Sigma A Delta = { frac {d ^ {2} cdot pi} {4}} cdot { frac {60} {360}} cdot 3 = { frac {d ^ { 2} cdot pi} {8}}}$

коэффициент заполнения = ${ displaystyle { frac { Sigma A Delta} {A Delta}}}$ = ${ displaystyle { frac { frac {d ^ {2} cdot pi} {8}} {{ frac {d ^ {2}} {4}} cdot { sqrt {3}}}} }$ = ${ displaystyle { frac {d ^ {2} cdot pi} {8}} { frac {1} {{ frac {d ^ {2}} {4}} cdot { sqrt {3 }}}}}$

${ displaystyle = { frac { pi} {2 cdot { sqrt {3}}}}}$ = 0,907

В целом можно констатировать, что требования, которые должны выполняться для ортоциклических обмоток, очень высоки. Сумма всех допусков должна быть очень низкой. Следовательно, следующие значения можно назвать ориентировочными: а) Допуск ширины намотки.

${ displaystyle Delta b = 0,2 cdot d}$

${ displaystyle Delta b}$ - допуск пространства намотки

${ displaystyle d}$ - Макс. калибр проволоки, включая лаковое покрытие (CuL)

б) Допуск проволоки Макс. допуск диаметра проволоки не должен превышать

${ displaystyle Delta d = 0,4 cdot { frac {d} {n}}}$

${ displaystyle Delta d}$ - калибр - допуск проволоки

${ displaystyle n}$ - количество витков на слой

${ displaystyle d}$ - номинальный калибр проволоки, включая лаковое покрытие (CuL)

Это соответствует примерно половине допуска на проволоку согласно спецификации немецкого стандарта DIN46435.

Изготовление ортоциклических обмоток

Даже если бы требования к низким допускам на провод и пространство намотки должны были соблюдаться с соответствующими высокими техническими усилиями, все равно осталась бы проблема, заключающаяся в том, что проводка провода на стороне машины должна соответствовать ранее описанной конструкции обмотки также при большой намотке. скорости. На практике это вряд ли возможно при высоких скоростях намотки, поскольку, например, при 18000 витков в минуту направляющая для проволоки толщиной 0,3 мм должна будет выполнить шаг намотки всего за 0,7 мс. Проблема усугубляется тем фактом, что на практике идеальный провод никогда не бывает абсолютно прямым. Эти неровности и изгибы, возникающие в результате наматывания проволоки на подающие ролики, приводят к тому, что проволока никогда не оказывается полностью близко друг к другу в соответствии с их фактическим диаметром, а находится на расстоянии в соответствии с их неравномерностью.

На образование зазора во время наматывания провода дополнительно влияет качество поверхности его покрытия, например скольжением, а также расширением или жесткостью меди. Удлинение проволоки может составлять от 6% до 3% в зависимости от диаметра проволоки и поставщика. Практика показала, что ортоциклическая обмотка может быть изготовлена ​​приемлемым способом только при выборе вначале очень высокого уровня удлинения проволоки (растяжение приводит к прямой или ровной проволоке). Поэтому по причинам, описанным выше, на практике направляющая для проволоки не может определить точный уклон в соответствии с диаметром проволоки.

Эти непредсказуемые обстоятельства можно предотвратить или противодействовать в начале намотки, прижимая провод, то есть каждую отдельную намотку первого слоя на внутреннем диаметре катушки, в заранее определенное положение. Проволока помещается в заранее изготовленную канавку корпуса катушки, и направляющая для проволоки не должна точно следовать за ней, а лишь приблизительно. Поскольку проволока всегда теряет площадь поперечного сечения из-за используемого волочения проволоки и необходимых прогибов (механических напряжений под растягивающей нагрузкой) во время намотки, расстояние между канавками рассчитано только на макс. возможный диаметр проволоки. Таким образом можно избежать влияния изгибов и допусков проволоки и корпуса катушки, а также изменения качества поверхности. В частности, изгибы проволоки, которые возникают из-за прогибов проволоки, вызванных, например, шкивами, проушинами для проволоки или даже самим направляющим соплом для проволоки в механизме подачи проволоки намоточного устройства, могут привести к деформациям, которые остаются на обмотке катушки. Нанесение канавок на основу намотки поддерживает послойное положение проволоки в процессе намотки. Такое поведение особенно выгодно для процессов намотки, когда пластическая деформация проволоки неизбежна непосредственно перед нанесением проволоки на основу обмотки. Такое поведение особенно заметно при намотке иглы. По физическим причинам проволока неизбежно выходит из направляющего сопла под углом прибл. 90 °. Поэтому внутри провода остаются механические напряжения, которые видны в виде изогнутой обмотки на основе обмотки. В результате следующие обмотки или следующие слои могут измениться в своем желаемом положении.

Начиная со второго слоя, перемещение облегчается, так как провод проходит через промежутки предыдущего слоя. В случае не слишком значительных прогибов с точки зрения технологического процесса, провод идет сам по себе и с постоянным числом витков на слой. Для движения направления проволоки это означает, что чем меньше расстояние направляющего сопла проволоки до катушки, тем более точным должно быть отслеживание. В определенных обстоятельствах это может быть выполнено полностью без перемещения, если расстояние от сопла до катушки настолько велико, что компонент силы, противодействующий поведению самой проволоки, больше не оказывает никакого влияния. Вследствие самонаправляющего поведения проволоки, следовательно, возможно, что даже во время ортоциклической намотки направляющая для проволоки может двигаться непрерывно и не должна двигаться постепенно.

Конструкция ортоциклической обмотки

Расчет или интерпретация требуемого пространства ортоциклической обмотки обычно реализуется с помощью итеративного подхода. Вначале для расчета используются заданные параметры необходимого количества обмоток, необходимого сечения провода и максимального пространства, доступного для изолированной катушки.

Пример расчета

Следует рассчитать ортоциклическую конструкцию обмотки для круглой катушки со 150 витками, диаметром проволоки 0,3 мм и максимальной шириной намотки 9 мм. Диаметр намотки у основания намотки составляет 8 мм.

Структура катушки с четным числом витков на

Данный:

Проволока-Ø Cu 0,3 мм → CU1L = 0,334 мм (согласно таблице)

Ширина катушки: 9 мм // 150 витков, внутренний диаметр катушки 8 мм.

a) Расчет ширины намотки На первом этапе итерации предполагается или берется за основу обмотка с таким же количеством витков на слой.

9 / 0,334 → 26,9 витков на слой → выбрано 26 витков на слой

${ displaystyle Windingwidth = 26 cdot 0,334 + 0,5 cdot 0,334 = 8,85 мм}$

б) Расчет количества слоев

Количество слоев = 150/26 = 5,76 → 6 слоев

в) Расчет высоты намотки

${ displaystyle { text {Высота витка h}} = [1+ (h-1) cdot sin 60 ^ { circ}] cdot d}$

${ displaystyle { text {Высота намотки h}} = [1+ (6-1) cdot sin 60 ^ { circ}] cdot 0,334 = 1,78 мм}$

г) Расчет высоты намотки по площади поперечного сечения слоя

${ displaystyle h _ { text {Lagensprung}} = 1,78 + 5 \% = 1,86 мм}$

b = 8,85 мм; е = 1,78 мм; c = 1,86 мм; d = 0,334 мм; Пример расчета структуры обмотки для ортоциклической зоны. 150 витков в 6 слоях по 26 витков на слой и равное количество витков на слой

д) Расчет наружного диаметра катушки

${ displaystyle { text {Наружный диаметр}}: D = 2 cdot h + внутренний диаметр обмотки}$

${ displaystyle D = 1,78 cdot 2 + 8 = 11,56 мм}$

е) Расчет внешних размеров змеевика по площади поперечного сечения.

${ displaystyle { text {Внешний диаметр}}: D _ { text {max}} = 2 cdot h _ { text {layer step}} + внутренний диаметр обмотки$

${ displaystyle D _ { text {max}} = 1,86 cdot 2 + 8 = 11,72 мм}$

Сводка результатов: Расчет показал, что пространство, необходимое для чисто ортоциклической обмотки с эмалированным проводом, занимает прямоугольную область размером 1,86 мм x 8,85 мм. Если принять во внимание, что это круглая катушка с внутренним диаметром 8 мм, то внешний диаметр составляет 11,72 мм. Ограничения пространства обмотки (фланцы корпуса катушки) опоры обмотки должны иметь диаметр не менее D_мин= 11,72 мм с учетом площади скачка слоя.

Расчет коэффициента заполнения

Коэффициент заполнения измеряет соотношение между объемом пакета намотки и объемом, необходимым для размещения пакета намотки. Для этого необходимо учесть необходимое пространство для диаметра вращения змеевика в «поперечном сечении».

Схема необходимого объема обмотки; D1 = 1,78 мм D = 8 мм D2 = 1,86 мм

а) Расчет коэффициента механического заполнения

Воображаемое пространство размером 8,85 мм x 1,86 мм содержит площадь 16,461 мм.². Сумма всех частичных пространств изолированный обороты равны

${ displaystyle A = { frac { pi cdot D ^ {2}} {4}} cdot n}$

A = количество частичных пространств изолированный проводаD_L= толщина проволоки над лаком n = количество витков

${ displaystyle A = { frac { pi cdot 0,334 ^ {2}} {4}} cdot 150 = 13,14 мм ^ {2}}$

${ displaystyle F _ { text {mech}} = A _ { text {wire}} / A _ { text {Пространство для обмотки}} cdot 100 \%}$

${ displaystyle F _ { text {mech}} = 13,14 мм ^ {2} /16,461 мм ^ {2} cdot 100 \%}$

${ displaystyle F _ { text {mech}} = 79,8 \%}$

б) Расчет коэффициента электрического заполнения

Воображаемое пространство размером 8,85 мм x 1,86 мм содержит площадь 16,461 мм.². Сумма всех частичных пространств не утеплен обороты равны

${ displaystyle A = { frac { pi cdot D ^ {2}} {4}} cdot n}$

A = количество частичных пространств не утеплен провода

D_Cu= калибр проволоки из чистой меди

n = количество витков

${ displaystyle A = { frac { pi cdot 0,3 ^ {2}} {4}} cdot 150 = 10,59 мм ^ {2}}$

${ displaystyle F _ { text {electr}} = A _ { text {wire}} / A _ { text {Место для обмотки}} cdot 100 \%}$

${ displaystyle F _ { text {electr}} = 10,59 мм ^ {2} /16,461 мм^ {2} cdot 100 \%}$

${ displaystyle F _ { text {electr}} = 64,3 \%}$

Процессы намотки

Линейная обмотка

В методе линейной намотки обмотка производится путем наматывания провода на вращающийся корпус катушки, компонент или несущее катушку или устройство для формирования катушки. Проволока вытягивается из подающего ролика, который содержит 400 кг эмалированной медной проволоки. Проволока подается по направляющей трубе. Перед тем, как начать собственно процесс намотки, провод крепится к стойке или зажимному устройству корпуса катушки или намоточного устройства.

За счет линейного движения направляющей трубки для проволоки наматываемый компонент поворачивается таким образом, что проволока распределяется по пространству намотки корпуса катушки. Вращательное движение, а также движение укладки достигается с помощью двигателей, управляемых компьютером. По отношению к одному обороту оси вращения и в зависимости от диаметра проволоки ось перемещения направляющей трубки для проволоки перемещается соответствующим образом (шаг перемещения).

При этом можно достичь скорости вращения до 30 000 об / мин, особенно при обработке тонкой проволоки. В зависимости от диаметра намотки в процессе намотки достигается скорость проволоки до 30 м / с. Намотываемые компоненты устанавливаются на так называемых намоточных устройствах. Намоточные устройства соединены с ведомыми шпинделями, которые создают вращательное движение. Поскольку ввод проволоки в зону намотки должен производиться как можно более равномерно, ось вращения и ось перемещения работают синхронно в процессе намотки.

Чтобы иметь возможность контролировать положение направляющего сопла для проволоки по отношению к наматываемому компоненту, даже с разной геометрией компонентов, обычно для метода с направляющим соплом для проволоки используются три оси ЧПУ.

Это позволяет подключаться к штырям корпуса катушки (штыри также предназначены для установления контактов при пайке или сварке): позволяя трем осям двигаться таким образом, что в результате возникает спиральное движение направляющего сопла для проволоки вокруг первоначального столба намотки, он можно закрепить начальный или конечный провод катушки с помощью так называемой оконечной нагрузки. Чтобы проволока оставалась под напряжением при смене изделия, ее закрепляют на фиксаторе проволоки машины.

Этот штифт парковки провода может быть либо зажимом, либо копией столба, который наматывается на катушку, аналогично процессу заделки. Перед запуском обмотки и после заделки штыря пускового провода провод к штырю парковки необходимо разрезать. Это происходит в зависимости от толщины проволоки путем разрыва или разрезания.

Эмалированные медные провода диаметром до прибл. 0,3 мм обычно можно оторвать отрывным пером, проходящим близко к стойке катушки или к самому соплу проводника. Точка разделения должна находиться очень близко к стойке катушки, чтобы не препятствовать последующему процессу контакта (пайка, сварка и т. Д.).

Поскольку все движения во время намотки управляются осями ЧПУ, можно реализовать произвольные обмотки, ортоциклические обмотки или другие геометрические формы намотки (например, перекрестные обмотки). Управление направлением проволоки часто можно переключать между непрерывным и постепенным перемещением.

Благодаря разделению между направлением проволоки и вращением наматываемого компонента конфигурация продукта и направления проволоки может быть продублирована в технологии линейной намотки. Следовательно, можно, например, наматывать одновременно на 20 веретен. Это делает метод линейной намотки очень эффективным процессом, поскольку время цикла для производства компонента зависит от отношения времени цикла процесса намотки и количества используемых шпинделей. Технология линейной намотки часто эффективно применяется там, где необходимо наматывать маломассивные катушки.

• 

  Линейная обмотка

• 

  Концевая стойка для катушки

• 

  Стойка парковочная проволочная для намоточного станка

• 

  Линейный намоточный станок от компании Fa. Aumann GmbH

Обмотка флаера

В методе намотки флаера намотка производится путем подачи проволоки через рулон или через сопло, прикрепленное к так называемому флаеру, который вращается на определенном расстоянии от катушки. Проволока подается с помощью вала флайера. Для намотки наматываемого компонента его необходимо закрепить внутри области намотки флаера. Необходимо, чтобы проволока закреплялась снаружи флаера на любом этапе процедуры намотки. Фиксация проволоки обычно возможна с помощью так называемого метода последовательной намотки (часто используется на поворотных делительно-поворотных столах): по периметру стола имеются зажимы для проволоки или изгибы проволоки, которые позволяют протягивать и вместе с этим фиксировать провод. Это позволит очень быстро заменить компоненты, так как не требуется отдельного размещения проволоки в зажиме на машине.

Поскольку последняя направляемая точка проволоки расположена у сопла или рулона кронштейна флаера, который движется по фиксированной круговой траектории, которую можно смещать только в направлении укладки, точная укладка близко к поверхности катушки невозможна. В результате трудно четко уложить или даже подключить начальный и конечный провода к наматываемому компоненту. Но, конечно, можно производить также ортоциклические катушки с помощью процесса намотки флайера. Здесь преимуществом является самонаводящееся поведение проволоки на поверхности катушки.

Поскольку наматываемый компонент должен быть представлен только в положении намотки и в противном случае не должен совершать никаких движений во время процесса намотки, также могут изготавливаться очень громоздкие и массивные изделия. Одним из примеров являются роторы электродвигателей (технология намотки ротора, особая форма метода последовательной намотки): провод удерживается зажимом, закрепленным на машине во время замены компонентов. Поскольку роторы часто состоят из тяжелых металлических листов, набитых перфорацией, технология намотки листов имеет в этом отношении особое преимущество. Поскольку в случае с технологией намотки ротора невозможно направить листовку напрямую, проволока направляется через полированные направляющие блоки в соответствующую канавку или паз. Специальные кабельные муфты обеспечивают правильное расположение проводов на клеммах коммутаторов.

Технология намотки игл

Определение необходимой ширины канавки в зависимости от калибра проволоки (Источник: Aumann GmbH)

Статор с внутренними канавками, шесть полюсов

Для эффективной намотки полюсных наконечников, расположенных близко друг к другу многополюсных трехфазных двигателей с электронной коммутацией, они будут покрыты изоляцией и намотаны непосредственно методом игольчатой ​​намотки. Игла с соплом, расположенным под прямым углом к ​​направлению движения, движется подъемным движением, проходя пакеты статора через канавку между двумя соседними полюсами двигателя, чтобы опустить проволоку в нужном месте. Затем статор поворачивается в точке разворота на головке обмотки на один шаг зубьев, так что предыдущий процесс может выполняться снова в обратном порядке. Эта технология намотки позволяет реализовать особую структуру слоев. Недостатком является то, что между двумя соседними полюсами должен быть зазор размером не менее диаметра сопла. Диаметр сопла примерно в три раза больше диаметра намоточного провода. Таким образом, пространство между двумя соседними полюсами не может быть заполнено полностью.

Преимущество технологии намотки иглы заключается в том, что опора для иглы, несущая направляющее сопло для проволоки, обычно соединена с системой координат ЧПУ. Это позволяет перемещать сопло в пространстве к статору. Таким образом, можно также выполнять укладочное движение помимо обычного подъемного движения и вращения статора. Тем не менее, целенаправленное размещение проволоки возможно только в ограниченной степени, поскольку проволока вытягивается под углом 90 ° от направляющего сопла для проволоки, что приводит к неопределенному вздутию.

Перенаправление проволоки на 90 ° при выходе из полой иглы сильно нагружает проволоку и затрудняет разумную намотку медных проводов диаметром более 1 мм. Таким образом, ортоциклическая намотка с намоткой иглы возможна только частично для этих задач намотки.

Поскольку направляющее сопло для проволоки может свободно перемещаться по комнате, сопло может ограничивать провод в точках контакта, если оно оборудовано дополнительным поворотным устройством. Как и в случае с традиционной технологией линейной обмотки, контактный штифт или крюк-контакт может быть завершен для электрического соединения и для соединения отдельных полюсов при соединении звездой или треугольником.

• 

  Antriebsschema Nadelwickelmaschine; patentierter Pleuelantrieb Fa. Ауманн

• 

  Намоточная насадка в положении намотки

• 

  Намоточная насадка в положении для заделки

´

Требуется точная синхронизация вращательного движения с ходовым движением, чтобы игла не касалась канавки во время движения вверх и вниз. На максимальную скорость намотки влияют такие параметры, как ход иглы, угол поворота статора (количество полюсов), диаметр проволоки и ширина канавки, а также угол спирали статоров с угловыми канавками. Масса направляющей для проволоки и держателя иглы испытывает сильное ускорение. Это может привести к нежелательной вибрации, влияющей на качество намотки. Подъемное движение обычно создается шариковинтовой парой. Во время этого движения сервоприводы должны постоянно реверсировать, чтобы изменить направление движения иглы.

Другой способ инициирования хода состоит в применении кривошипного диска, который также может иметь регулировку хода и который использует преимущество синусоидального движения без необходимости реверсирования приводного двигателя. Может быть достигнуто число ходов (намоток) до 2500 в минуту.

С помощью технологии намотки иглы можно производить законченный узел, такой как катушки статора или соединение и контакт с машиной. Помимо не полностью используемого пространства между полюсами, можно - в отличие от традиционной техники втягивания - наматывать также моторные катушки с хорошим коэффициентом заполнения на небольшую высоту стопки листов статора (высоту головки намотки).

Технология намотки тороидального сердечника

При использовании технологии намотки тороидального сердечника электрическая катушка или обмотка создается путем наматывания электрического проводника (например, медного провода) через круглое кольцо и его равномерного распределения по окружности (Тороидальные индукторы и трансформаторы, тороидальные дроссели).

Перед запуском намотки тороидальный / Магнитный сердечник устанавливается в зажимное приспособление, которое может инициировать медленное вращательное движение сердечника с тремя прорезиненными точками контакта. Кольцо для хранения проволоки (орбитальное колесо), расположенное под углом 90 ° к тороидальному сердечнику, теперь открывается по окружности и вводится в центр тороидального сердечника. Затем проволока наматывается на кольцо для хранения проволоки, которое снова было закрыто. Когда на аккумуляторе проводов присутствует необходимое количество, конец провода от аккумулятора проводов фиксируется на тороидальном сердечнике, который необходимо намотать. При одновременном вращении тороидального сердечника и проволочного аккумуляторного кольца образуется обмотка, распределенная по окружности тороидального сердечника. По завершении необходимо снова открыть аккумулятор проводов, чтобы можно было удалить готовый намотанный тороидальный сердечник. Поскольку начальный и конечный провод часто не прикрепляются к тороидальному сердечнику, тороидальные намоточные машины можно автоматизировать только частично.

Несмотря на высокие производственные затраты (большой объем ручной работы), используются тороидальные сердечники из-за низкого рассеяния магнитного потока (MFL - Индуктивность утечки ), низкие потери в сердечнике и хорошая удельная мощность. Одной из возможных качественных характеристик трансформаторов является равномерное распределение обмоток по окружности (низкое поле рассеяния). Изоляция между различными обмотками может быть решена совершенно по-разному. В случае покрытия обмоток после первой намотки наносится пленка для достижения хороших характеристик поля рассеяния. Эту пленку нужно наматывать по всей окружности. Для этого также можно использовать тороидальные намоточные машины со специальными магазинами.

Технология намотки обмоток двигателя

Тенденции в технологии обмоток двигателей

Статоры с разной топологией обмотки

Из-за более высокой производительности вместо асинхронной технологии все чаще используются бесщеточные ЕС-приводы (двигатели с электронной коммутацией) с роторами с постоянными магнитами. Благодаря компактной конструкции содержание меди в лучшем случае можно сократить вдвое. Производители электродвигателей также требуют большей гибкости технологии производства. Для производства асинхронных двигателей обычно используются системы втягивания, которые первоначально наматывают катушки с воздушным сердечником, а затем втягивают их в статор с помощью инструмента. Напротив, концентрированная обмотка статоров ЕС более гибкая в производственном процессе, экономия энергии при использовании, лучшая регулировка во время работы и требует меньше места.

Шпильчатая обмотка широко используется в электродвигателях в автомобильной промышленности. Этот метод намотки дает преимущество автоматизированного процесса намотки. Однако большие размеры проводников подвержены потерям из-за близости, что приводит к большим потерям переменного тока в обмотке.^[1] Аналогичный метод, съемная обмотка, был предложен, когда катушки предварительно изготовлены со вставными элементами (вилка-розетка). Compared to hairpin, the plug-in method offers the advantages of automated winding process and small conductors size, however, the disadvantage of high contact resistivity in the plug-in connectors could result in a thermal hot spots.^[2]

Examples for different Designs of EC-Stators (Source: Technoexpert Dresden)

Manufacturing process of distributed winding

Asynchronous motors with distributed winding account for the major share of electric motors. Unlike the concentrated winding, not every tooth pole is wound in a distributed winding; instead, coils are in slots and span multiple pole teeth. Since the winding may block slots from further insertion of wire, it may be necessary to wind a complete phase winding at one time.

Comparison of concentrated and distributed windings

Coil insertion machines insert prefabricated groups of coils into the stators of electric motors. The coil groups are frequently manufactured with flyer winding machines and put onto the insertion tool with a transfer instrument. In small-batch manufacturing, the coil groups are relocated manually from the winding masks to the insertion tool using transfer instruments. Subsequently, an insertion tool places the preformed winding into the stator slots. The slots are sometimes insulated with paper. When diagonally winding the coil into the slot of the stator, the coil's internal width must be larger than the stator's height which leads to the formation of the large winding head that is characteristic for the insertion technique.

Process steps for insert technique: 1) Non equipped insert tool; 2) With coils equipped insert tool; 3) Insert tool with coils and mounted stator; 4) Stator with inserted coils

This in turn results in a relatively loose winding in the stator slots. Consequently, it is necessary to close the slot openings towards the middle of the stator with a so-called sliding cover. In many cases, this may be conducted concurrently with the insertion of the coils. Since the coil's conductors have to pass through an oftentimes tight slot, the coils consist of a certain number of small spare cross-sections which are later connected in parallel. It is with this measure, that large conductor cross-sections may also be produced.

Another reason for using many thin conductors connected in parallel lies in avoiding the so-called Эффект кожи. In order to keep the impact of this effect as small as possible, wires with the largest possible surface are used in high-frequency technology, e.g. in the form of thin spare cross-sections or Litz wires. The low losses of Litz wires partly stem from the fact that a large area of the inner surface is taking part in the current flow. In particular in electric mobility, the motor is often powered by high-frequency voltage. When using large conductor cross-sections, this may possibly lead to high losses and an undesired heat development in the stator winding.

After inserting the winding, rework on the stator or the winding ends needs to be performed. Usually, the multitude of connecting lines is separated manually and bundled according to the different phases. Both winding ends are tied up with an adhesive tape or strap in the further course of the finishing. When using a high operating voltage, the partial winding of each phase must be insulated against the respective adjacent phase with foil or insulation paper. To ensure that the winding heads are positioned exclusively at the back of the stator, both of them must be molded. This is either executed by using an enameled wire receiving a bonding electric current during molding or by cold forming which is followed by impregnation. The creation of a certain winding head shape allows a rotor to be installed or a stator to be inserted into the housing afterwards.

• 

  Wound winding head after the insertion process

• 

  Wound and formed winding head of distributed winding

• 

  Schematics of the insert technqiue

Characterization of distributed winding

In case of stator windings that are electrically commutated or supplied by an m-phase net, these phase windings are often banked (distributed windings). The number of holes q constitutes a characteristic dimension of the winding setup. It states how many slots q per phase m and pole (provided by pole number 2p) are available.

${displaystyle q={frac {N}{2pcdot m}}}$

q = Number of holes

N = Number of grooves

2p = Number of poles

m = Number of phases

In the case of distributed windings, q ≥ 1, and if q is integer, it is an integral slot winding. If q = zq/nq is a fractional rational number, it is referred to as fractional slot winding. When it comes to single tooth winding, q < 1 and thus always a fractional rational number.

Example for a distributed winding topology

The winding scheme shows the execution of three-phase winding with 30 groups of coils at a winding pitch of 1:6 with the same width at a star connection. The combination of the star connections is depicted in form of a circle on the yellow contact bar. Each coil needs two slots. Consequently, 30 slots (coil groups) x 2 slots / group = 60 slots are required in order to achieve a consistent occupancy of the slots. The number of poles amounts to 10.The respective number of slots is determined by:

${displaystyle q={frac {60}{2cdot 5cdot 3}}=2}$

Manufacturing process of concentrated windings for stator coils

Needle winding displayed with end wires on the lead frame

Manufacturing stator windings in a concentrated manner can be performed in various ways. The choice of the respective winding process is primarily based on the design and setup of the stator as well as the commercial aspects. Most stators are designed in a way that allows the application of different winding processes. The stator construction of the full-metal cut which is internally slotted constitutes the only exception. This construction can solely be manufactured by applying the needle-winding technique and in some rare cases the insertion technique for concentrated windings. Most concentrated windings are executed as double-layer windings, i.e. each tooth entails a concentrated winding and two coil phases in each slot. In the case of single-layer winding, the reference tooth of two adjacent tooth coils is not winded. There is always only one phase of one coil found in the slots.

• Inside slotted stator laminationsThe needle-winding technique basically represents the only feasible winding process for inside slotted stator laminations. The stator mainly consists of a steel package, two end plates and slot insulation. The particular benefit of this process technology lies in the fact that the winding machine produces a completely winded assembly group when adequate electrical slot fill factors are employed. If, however, the use of single teeth requires joining and interconnecting operations, all interconnecting measures of the coil sections of one phase may be executed by the winding machine for the stator laminations. In this case, the electric slot fill factor may amount up to 45%. Since manufacturing a functioning stator merely requires a small effort, the negative impact on the electric fill factor is gladly accepted. In order to be able to use various additional functions of the winding machine, the end plates are often designed in a way which allows e.g. the taking on of cutting terminal contacts. In addition, winding space restrictions and laying ducts for the connecting wires of a phase may be integrated.

Example for a lead from for a full sheet metal package stator displaying several design characteristics

The material costs are also low due to the small number of individual components. In combination with the modest costs of the means of production, stator laminations constitute a practical solution. Three essential basic concepts frequently come to the fore when dealing with the design of stator laminations. Stator laminations for concentrated winding are divided into the following main groups.

a) Paper-insulated stator laminations

Paper-insulated stator

Insulation paper or insulation foil is usually attached to the slots of the stator package before the insulated end plates are installed. The insulation material, e.g. Nomex or Mylar or Kapton, is taken from the endless strip. It is pre-hemmed, cut to the length of the stator and inserted. The insulation strip must be slightly longer than the stator package to ensure complete insulation of the winding. Thin insulation takes up little of the slot area, which improves the fill factor of the winding.

b) Insulated stator laminations at end plates

Concept of an end plated insulated stator

When using this type of stator design, lining the slot with insulation paper is not required. The plastic end plates are designed in a way that the sides of the injected shafts insulate half of the stator slot. It is also beneficial, that costs for paper as well as costs for the production process for the mounting of the paper do not arise. Under consideration of a certain wall thickness of these injected shafts, z-shaped overlapping of the shafts in the area of the stator nut center may be achieved in order to increase the creepage distance and clearance to avoid dielectric breakdowns. However, a disadvantage constitutes in the fact that the depth of the shot of the injection process is limited depending on the stator lengths and the plastic material used.When e.g. using PA with a solid material content (e.g. glass fibers) of approx. 25% and a shot of approx. 25 mm depth, a wall thickness of at least 0.5 mm may be achieved. However, it has negative repercussions on the fill factor compared to the use of insulation paper which e.g. is only 0.1 mm thick.

c) Molded stator laminations

Concept for a coated stator

An extended form of the stator's end insulation with injected slot shafts constitutes in the molded stator. In the last few years, injection molding has progressively been developed. It now allows to place the stator package into the injection mold and to facilitate the molding process. In doing so, the wall thickness reached is similar to the one of the end plates with injected slot shafts.A particular benefit of this process lies in the fact that a pre-assembly of the end bells and the insulation paper can be avoided which prevents the danger of insulation gaps that could lead to short circuits. However, due to the very costly complex injection mold, costs are only covered at a batch size of approx. 50.000 stators per year, compared to single component insulation. In addition, the diversity in types is only conditionally lucrative since a new injection mold needs to be produced whenever the length of the package or the laminations changes.

• Outside slotted stator laminations

Schematics for flyer winding of an outer-grooved stator

Outside slotted stator laminations may be processed with the needle-winding technique, the flyer-winding technique and the linear-winding technique. The selection of the process depends on the desired number of turns in the winding and the intended fill factors. Consequently, flyer-winding is particularly used if a thin wire and thus high numbers of windings are expected in combination with a medium and high voltage application. Therefore, it is typically used with “white goods”, such as e.g. household applications, or in general domestic engineering with an operating voltage of 230 V. In the case of stators with less windings and a lower mass, it is common to process outside slotted stator laminations using the needle-winding technique or the linear winding technique.

• 

  Linearwinding application used for an outer grooved stator

• 

  Needle winding application for an outer grooved stator

Basically, there is also a variety of different ways of insulation for outside slotted stator laminations as it is for inside slotted stator laminations:

Verschieden isolierte Vollblechschnitte

• Segmented stator coils

Polechain consisting of segments

Segmented stator coils are used, for example, if a high winding number is required in addition to the demanded high fill factor and the corresponding orthocyclic winding. They are preferably processed with the flyer-winding technique as well as with the linear-winding technique. For this type of stator construction, it is particularly beneficial to produce accurately layered windings with extremely high fill factors because of the freely accessible winding space. However, the design of the segmented stator coils has negative repercussions on the material and production costs. Often, complex processes need to be applied in order to form the single teeth to a round stator. Another disadvantage constitutes in the large number of contact points, except when the pole-chain winding technique is used.

For segmented stator coils, a distinction is made between T-segments and plugged engine coils. The latter may be bodiless or winded onto a coil body and subsequently be transferred to a T-segment or directly to the stator laminations, depending on the application. Contingent on the expected contact points, there are three different options for the production of T-segments.For one, there is the classic single T-segment with the disadvantage of having a high number of contact points. In addition, there is the phase winded T-segment with a reduced number of contact points. Finally, there is also the winding of so-called pole chains with a drastically reduced number of contact points.

a) T-segments

Winding tool for the fixation of a T-segment in a linear winding process

T-segments are preferably processed with the linear winding technique or the flyer-winding technique. For this, the winding supports are designed in a way that a mounting at the tooth back can be carried out. It is in particular the outer geometry that will serve as the contact surface of the adjacent tooth later on, which is used for securing the tooth in the winding device. It is also quite common to place a dovetail slot in the outer part of the back of the tooth which is axially arranged to the tooth and serves the purpose of securing the tooth in the winding device. Insulation of the winding of the T-segment may be performed the same way as for inside and outside stator laminations which is either by paper insulation, end bell insulation or as a molded tooth.

b) Phase-wise wound T-segments

Winding tool for the fixation of a T-segment chain in a linear winding process

In combination with a series connection, T-segments are often produced as a phase compound in the form of a toothed chain. As is the case of single T-segments, the linear-winding technique as well as the flyer-winding technique are also applied in this context. When it comes to the winding of the teeth, the final wire of the first tooth is guided to the next tooth and then serves as the starting wire for the second tooth. This process continues, depending on the number of a phase's sub-segments. The design of the components does not show any substantial difference compared to the one of classic single teeth. The main reason for the processing of T-segments into one tooth chain lies in the reduced of number of contact points. Six contact points are required for three wound single tooth poles. However, only two contact points are needed if the just mentioned arrangement inside the winding machine is adopted. When using high current with low operating power, this type of manufacture is especially beneficial since it reduces contact resistances and potential errors. However, it is a very complex endeavor to form the tooth chains to a complete stator which is of disadvantage. It must be ensured, for example, that the end wires of each tooth are equipped with tension relief to ensure that the winding does not open during handling. Usually, it is taken care of with adhesive tape or pole or bag-type forming of the tooth's frontal insulation where the wire may be attached after the winding process. Single teeth are easy to handle, whereas tooth chains must be built in carefully, taking into account the risk of damaging the connecting wires.

c) Plugged tooth coils

Stator design with plugged tooth coils

Plugged tooth coils are frequently used in a star-shaped stator design where a final ring or yoke is mounted after the assembly of the coils. Inside slotted stator laminations can also be fitted with plugged tooth coils. But in that case, fill factor losses can be registered due to the plug-in direction from the inside to the outside. Conical windings are only possible and beneficial, if the plug-in direction is from the outside to the inside. As for the type of insulation, it is possible – as with the classical single teeth – to work with paper insulations or insulating end plates. If insert molding is applied with a star-shaped package, it is not referred to as plugged tooth coils anymore because of the necessary direct winding with a needle winding system, flyer winding technique or linear winding technique.Plugged tooth coils eventually require at least two contact points per coil, just as the single teeth. Toothed chains of a phase connected in series are rarely produced since, compared with the already difficult assembly of phase-wise wound T-segments, they will be followed by further assembly movements (pushing onto the stator pack) and the changing length ratios of the connecting wires between the coil sections of a phase. Therefore, two cut-and-clamp contacts per coil are frequently used for plugged tooth coils which finally reach into a control card or a lead frame via pin-like forms of the contacts.

d) Chains on poles (chained poles)With this kind of stator design they try to combine the benefits of the needle-wound laminations => Minimum number of contact points – with the advantages of the linear wound single tooth => Maximum fill factor.

For this, the chained poles winding technique is used that provides a very high fill factor due to the fact that the structure of the stator is opened up into a linear arrangement of the single teeth and besides, in contrast to the otherwise common single teeth, generates only a few contact points. The connecting wires of the coil sections of a phase connected in series do not need to be separated.

Schematics of an open winding space using a needle winding process for chained pools

When winding toothed chains, the flyer winding technique, also a type of needle winding and chain winding can be used.

A disadvantage when using the flyer winding technique is the fact that only one tooth at a time can be wound. So, toothed chains are developing as a result but due to the wiring topology most of the stators have to be undone again. A simultaneous winding of multiple stator phases usually is not possible.If, however, the flyer winding technique for toothed chains requires auxiliary tools for placing the wire into the winding space or the linear arrangement needs to be given up when the winding of a single tooth takes place, the wire can be directly deposited with the needle winding technique. A special benefit when using the needle winding technique is provided by the possibility to wind all three phases at the same time depending on the type of stator circuitry. Especially advantageous is the behavior of the connecting wires between the coils of the individual phases at the rounding of the teeth if the linear arrangement of the teeth for the winding does not need to be given up. Therefore, it is opportune to make sure that the connecting wires pass through the center of the rounding radius.

Three workpiece carrier with each one pole chain and a wire guide for a parallel winding of the phases U,V and W

Owing to this smart arrangement of the wires, it is possible to avoid changes in the wire length during rounding. When using the needle winding technique, it is quite common to wind multiple toothed chains simultaneously. This happens mainly on carrier tools or workpiece carriers that are positioned inside the needle winding machine. Owing to the fact that the phases U, V and W as well as multiple stators can be wound at the same time, the needle winding technique has a high performance density in connection with the use of toothed chains.

Definition of the fill factors for motor coils

Electric motors must be compact and lightweight. They should also deliver a higher output with less copper usage. A prerequisite for this is an appropriate design of the coil body and suitable wire dimensions. One parameter of importance for the developer of motors is the electrical fill factor. The fill factor measures the ratio between the volume of a winding package and the volume needed to house the winding package. In case of stators, it can be said that the electrical fill factor is the ratio of the content of non-ferrous metals of the stator including the stator slot to the sum of the uninsulated copper cross sections. But in contrast to round coils, only the stator slot is considered. The reason for this is that merely the conductor strands in the stator slot contribute to the torque of the motor. The winding overhangs on the narrow sides of the winding cross section of a tooth only result in unwanted losses in the form of increasing electric resistance and undesired heat development.

Winding space examination of concentrated windings for stators

The required space for stator winding is designed by an iterative approach just as with the round coils. First, the parameter of the required number of windings, the required wire cross section and the maximum space provided by an insulated stator slot are considered for the calculation basis.

Example for calculating the fill factor of a stator lamination

An orthocyclic winding design for a stator with 40 windings per tooth at a wire diameter of 0.5 mm shall be calculated. The available insulated winding space is geometrically defined and has a surface of 35 mm². An insulation paper with a thickness of 0.25 mm is used.

• Determination of the mechanical fill factor

Given: Wire-Ø Cu 0,5mm → CU1L=0,548mm (Value according to norm)40 turns, insulated winding space = 35mm^2, insulation paper 0,25mm

Geometry aspects for determining the mechanical fill factor; A= insulated winding space

When looking at the insulated winding space graphically and the required number of windings at a given wire diameter, it can be said that considering the space requirements for the winding nozzle (required groove width: about 3*0.548=1.6 mm) only 38 windings can be introduced into the winding space of the stator slot.

${displaystyle A={frac {pi cdot D^{2}}{4}}cdot ncdot 2}$

${displaystyle A={frac {pi cdot 0.548^{2}}{4}}cdot 38cdot 2=17.9mm^{2}}$

A= Accumulated partial spaces of the изолированный провода

D_L= wire gauge including the varnish coat

n= Number of turns per tooth

${displaystyle F_{ ext{mech}}=A_{ ext{wire}}/A_{ ext{winding space}}cdot 100\%}$

${displaystyle F_{ ext{mech}}=17.9mm^{2}/35mm^{2}cdot 100\%}$

${displaystyle F_{ ext{mech}}=51.1\%}$

• Determination of the electrical fill factorThe theoretical consideration takes place by assuming that the uninsulated wire is to be found in the uninsulated groove.

Given: Wire-Ø Cu 0,5mm38 turns, non-insulated winding space = 41mm^2

Geometry aspects for determining the electrical fill factor; A= non insulated winding space

${displaystyle A={frac {pi cdot D^{2}}{4}}cdot ncdot 2}$

A= Accumulated partial spaces of the non insulated провода

D_Cu= wire gauge excluding the varnish coat

n= Number of turns per tooth

${displaystyle A={frac {pi cdot 0.5^{2}}{4}}cdot 38cdot 2=14.9mm^{2}}$

${displaystyle F_{ ext{electr}}=A_{ ext{ wire }}/A_{ ext{winding space}}cdot 100\%}$

${displaystyle F_{ ext{electr}}=14.9mm^{2}/41mm^{2}cdot 100\%}$

${displaystyle F_{ ext{electr}}=36.3\%}$

Библиография

• Querfurth, William (1954). Coil Winding: A Description of Coil Winding Procedures, Winding Machines and Associated Equipment. University of Michigan: G. Stevens Mfg. Company.
• Gingery, David (1991). Build a Universal Coil Winding Machine. David J Gingery Publishing. ISBN  978-1878087102.

Рекомендации