AT404206B - Verfahren zur herstelllung von spulen - Google Patents

Description

AT 404 206 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Spulen aus gegebenenfalls isoliertem Backlackdraht beliebigen Querschnitts, bei denen eine hohe Packungsdichte wünschenswert ist. Vorzugsweise können nach diesem Verfahren Spulen für elektrodynamische (el.dyn.) Wandler für Mikrofone, Kopfhörer und Lautsprecher hergestellt werden.

El.dyn. Wandler bestehen aus einer Membran, an der eine Spule befestigt ist, die sich ihrerseits in einem quer zur axialen Bewegungsrichtung der Spule angeordneten Magnetfeld befindet.

Trifft Schall auf die Membran, so wird diese mit der daran befindlichen Spule im Magnetfeld bewegt, sodaß in ihr eine Spannung induziert wird, die zur weiteren Signal Verarbeitung verwendet werden kann.

Fließt hingegen ein signalabhängiger Strom durch die Spule, so kommt es zu einer proportionalen Bewegung der Membran und damit zu einer entsprechenden Schallabstrahlung.

Die Spule ist aus einem zumeist isolierten Kupfer- oder Aluminiumdraht aufgebaut, der durch einen Kleber zusammengehalten wird.

Dieser Kleber ist üblicherweise in Form einer sogenannten Backlackschicht auf dem Wickeldraht aufgebracht.

Den schematischen Aufbau eines solchen bekannten Drahtes mit Backlackschicht und den Spulenauf-bau zeigen die Fig.1 bis 4 und die Fig. 7.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist unmittelbar am elektrisch leitfähigen Metallkern 1 die Isolationsschicht 2 aufgetragen, darüber befindet sich die Backlackschicht 3. Der Durchmesser des Drahtes 1 kann je nach Verwendungszweck von 0,020 - 1,0 mm betragen. Die Isolationschicht 2 hat etwa eine Dicke von 0,005 -0,015 mm, während die Dicke der Backlackschicht 3 sich in Größenordnungen von 0,01 - 0,02 mm bewegt.

Diese Backlackschicht hat die Eigenschaft, daß sie durch Wärmezufuhr erweicht wird und sich beim Erkalten wieder verfestigt.

Je nach Verwendungszweck erreichen die Spulen sehr unterschiedliche Betriebstemperaturen. Während bei Wandlern für Mikrofone keine Temperaturerhöhung während des Betriebes auftritt, muß bei Kopfhörerwandlern mit einer Temperaturerhöhung von bis zu 50*C gerechnet werden. Bei Lautsprechern können die Spulen sogar Spitzentemperaturen von 200 * C erreichen.

Um die Spulen bei solchen Spitzentemperaturen formstabil zu erhalten, muß die Erweichungstemperatur der verwendeten Backlackschicht immer höher als die zu erwartende Betriebstemperatur sein.

Bei der Herstellung von Spulen für el.dyn.Wandler nimmt daher die Erwärmung der Backlackschicht auf die Erweichungstemperatur eine zentrale Bedeutung ein. Sie kann auf verschiedene Art durchgeführt werden.

Ein bekanntes Verfahren benützt z.B. heiße Luft, die während des Wickelns die Backlackschicht erwärmt. Wegen der geringen Wärmekapazität der Luft können jedoch nur Spulen kleiner Masse und Backlackschichten mit niedriger Erweichungstemperatur nach diesem Verfahren verarbeitet werden. Es eignet sich daher nur zur Herstellung von Spulen, die während des Betriebes keine oder nur eine geringe Temperaturerhöhung erfahren. Typischerweise wird dieses Verfahren für die Herstellung von Spulen für Mikrofonwandler verwendet.

In DE 27 43 439 wird vorgeschlagen die Wärmezufuhr zum Aushärten des Klebers über den Wickeldorn zuzuführen. Wegen der relativ großen Masse des Wickeldorns können mit diesem Verfahren jedoch keine kurzen Zykluszeiten realisiert werden.

Aus der DE 27 09 407 ist ein Verfahren bekannt, das el.Strom benützt, um die Spule nach dem Wickeln so stark zu erwärmen, daß der Kleber verflüssigt und ausgehärtet wird.

Dieses Verfahren hat besonders bei mehrlagigen Spulen den Nachteil, daß die Temperaturverteilung über den Spulenquerschnitt nicht gleichmäßig sein kann: die innerem Spulenteile werden unvermeidlich stärker erwärmt als die äußeren Spulenteile, da diese Wärme an die Umgebung abgeben können. Dadurch kann es leicht zur teilweisen Überhitzung des Klebers kommen, was zu einer vorzeitigen Alterung aber auch zum kompletten Zerfall der Spule führen kann.

In der DE 44 19 252 wird ein Herstellverfahren beschrieben, bei dem Ultraschallenergie zur Erweichung einer Isolationsschicht aus einem Amid-Imid Polymer-Material verwendet wird. Eine Ultraschallsonotrode wird dabei im Inneren des Wickeldorns angeordnet und eine Gegenelektrode von außen um die Spulenwicklung gelegt.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß ein hoher apparativer Aufwand notwendig ist, da eine Sonotrode ins Innere des Wickeldorns eingebaut werden muß.

Um die Spule trotz hoher Betriebstemperatur formstabil zu erhalten, werden auch mechanische Mittel verwendet. In der DE 23 53 301 wird ein zylindrischer Spulenträger vorgeschlagen, der an der Innenseite eine Ausnehmung besitzt, in die die Tauchspule eingeklebt wird. ln der DE 44 19 250 wird vorgeschlagen, den Spulenträger so zu gestalten, daß das untere Ende hinaufgebogen werden kann und so mit dem Träger verklebt wird, daß die Spule komplett umschlossen ist. 2 ΑΤ 404 206 Β

Bei der Konstruktion eines el.dyn.Wandlers ist es aus Kostengründen erstrebenswert, möglichst kleine Magnete zu verwenden. Zur optimalen Ausnützung des Magnetfeldes ist es daher notwendig, die Windungen der Spule in einer möglichst hohen Packungsdichte anzuordnen.

Wird ein Draht nach Fig.1 verwickelt, so werden die einzelnen elektrischen Leiter während des Wickelns um die zweifache Backlack- und Isolationsschichtdicke distanziert zueinander positioniert, wie dies in Fig.2 schematisch dargestellt ist.

Die optimale Packungsdichte für runde Drähte ist in Fig.3 dargestellt. Man erhält sie, wenn sich die Isolationsschichten der einzelnen Windungen berühren und die Drähte der einzelnen Lagen immer genau übereinander liegen. Dies ist wichtig, um einen gleichmäßigen Spulenaufbau zu erhalten. Kommen die Windungen nämlich in die Vertiefungen der vorherigen Lage zu liegen, so muß der Draht zu Beginn jeder neuen Lage im Laufe einer Umdrehung unkontrolliert über diese letzte Windung der vorherigen Lage geführt werden, was unweigerlich zu Unregelmäßigkeiten im Spulenaufbau führt. Ein gleichmäßiger Spulenaufbau ist aber notwendig, da die Dicke der Spule genau in den Luftspalt passen muß.

Eine andere Möglichkeit, eine hohe Packungsdichte zu erzielen, besteht darin, einen Draht mit rechteckigegem Querschnitt zu verwenden, wie dies beispielsweise bereits in der DE 24 34 796 erwähnt wird. Diese auf den ersten Blick bestechnende Möglichkeit beeinhaltet jedoch einige beachtenswerte Nachteile.

Werden die Drähte bereits mit einem rechteckigen Querschnitt gezogen, so müssen beim anschließenden Beschichten besondere Maßnahmen getroffen werden, damit Isolations· und Backlackschicht auch an den Kanten die notwendige Dicke aufweisen. Dadurch werden die Kosten für diese Drähte unverhältnismäßig hoch.

Es besteht auch die Möglichkeit, isolierte Runddrähte unmittelbar vor dem Wickeln so zu quetschen, daß sie einen annähernd rechteckigen Querschnitt erhalten. Ein Ausschnitt aus einem Spulenquerschnitt aus Drähten dieser Bauart ist in Fig.7 dargestellt. Dieser Quetschvorgang ist technologisch schwierig zu beherrschen, da immer darauf geachtet werden muß, daß die Isolationsschicht durch die Verformung nicht beschädigt wird.

Das Verwickeln von rechteckigen oder annähernd rechteckigen Drähten ist aufwendig, da sie beim Wickeln stets lagerichtig zugeführt werden müssen.

Auch bei der Verwendung von Drähten mit rechteckigem oder annähernd rechteckigem Querschnitt kann die maximal mögliche Packungsdichte nicht erreicht werden, da der Drahtquerschnitt von der Isolations- und Backlackschicht umgeben ist. Für den Fall gleich dicker Backlackschichten 3 wie in Fig.1 sind in Fig.4 die Verhältnisse für rechteckigen Draht und in Fig.7 für annähernd rechteckigen Draht schematisch dargestellt. Man erkennt deutlich, daß die optimale Packungsdichte wie in der Fig.3 nicht erreicht werden kann.

Zur Herstellung von Spulen für el.dyn.Wandler ist die Verwendung von Drähten mit kreisrunden Querschnitt daher erstrebenswert, da sie kostengünstig und leicht zu verwickeln sind. Optimale Ergebnisse können erzielt werden, wenn die einzelnen Windungen so angeordnet werden können, daß sich deren Isolationsschichten 2 berühren.

Die Herstellung einer Spule für el.dyn. Wandler für Mikrofone, Kopfhörer und Lautsprecher erfolgt erfindungsgemäß durch Zufuhr von Wärme im wesentlichen punktgenau an der Wickelstelle, sodaß die Backlackschicht verflüssigt wird und die Drähte durch die beim Wickeln notwendige Vorspannung so zu liegen kommen, daß sich eine optimale Packungsdichte ergibt. Der Kleber wird dabei in die Hohlräume der Spule gedrückt. Das erfindungsgemäß Verfahren ermöglicht es auch, blanke Drähte zu Spulen zu wickeln, wenn durch die punktgenaue Wärmeabgabe nur die äußerste Backlackschicht verflüssigt wird. Dies stellt einen fertigungstechnischen und kostenmäßigen Vorteil dar.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die Fig.1 den Querschnitt durch einen isolierten Draht mit Backlackschicht, die Fig.2 zwei nebeneinander positionierte isolierte Drähte mit Backlackschicht, die Fig.3 einen Ausschnitt aus einer Spule, bei der isolierte Runddrähte mit Backlackschicht in optimaler Packungsdichte angeordnet sind, die Fig.4 einen Ausschnitt aus einer Spule aus isolierten Drähten mit Backlackschicht und rechteckigem Querschnitt, die Fig.5 einen Wickeldom, die Fig.6 einen Wickeldorn mit einer Gasflamme, die Fig.7 einen Ausschnitt aus einer Spule aus isolierten Drähten mit Backlackschicht und annähernd rechteckigem Querschnitt.

Das Wickeln einer Spule erfolgt üblicherweise auf einem rotierenden Wickeldorn, wobei der Wickelzug des zugeführten Drahtes durch einen Drahtabroiler konstant gehalten wird. Ein einstellbarer Vorschub sorgt 3

AT 404 206 B für die richtige Positionierung des Wickeldrahtes.

Die Fig.5 zeigt die wichtigsten Teile des Wickelvorgangs und der Wickelvorrichtung. Ein Wickeldraht 4 ist am Flansch 5 eines Wickeldorns 6 in einer Nut 7 befestigt. Durch Rotation des Wickeldorns in Richtung des Pfeiles 14 wird der Wickeldraht 4 zu einer Spule verwickelt. Eine Führungsvorrichtung 8 sorgt für den Vorschub des Wickeldrahtes 4. Sie wird über ein Getriebe von der Spindel des Wickeldorns 6 in Richtung des Doppelpfeiles 13 hin- und hergehend angetrieben.

Erfindungsgemäß wird die Backlackschicht während des Wickelns an der Wickelstelle 9 auf einer Erwärmungszone von etwa der doppelten Größe des Drahtquerschnitts durch Zufuhr von Wärme so weit verflüssigt, daß der zugeführte Wickeldraht durch den Wickelzug so neben den Wickeldraht aus der vorangegangenen Wndung zu liegen kommt, daß sich deren Isolationsschichten berühren. Der verflüssigte Kleber wird dabei in die Hohlräume der Spule gedrängt, wie dies bereits in Fig.3 dargestellt wurde. Durch die Rotation des Wckeldorns 6 wird der Kleber nur kurzzeitig erhitzt und kann sofort nach Verlassen der Wckelstelle 9 wieder erstarren.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Verwendung einer Gasflamme zur punktgenauen und raschen Erhitzung des Wickeldrahtes während des Wickelns. Die Fig.6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel. Die Düse 10 ist dabei auf einem Arm 11 montiert, der nach dem Start des Wickelvorgangs die Düse 10 in die vorgesehene Position schwenkt. Während der Zeit, in der nicht gewickelt wird, kann so die Flamme 12 in eine für die Bedienungsperson ungefährliche und für den Wickeldom unschädliche Position gebracht werden.

Durch die Wahl eines geeigneten Düsendurchmessers kann der Durchmesser der Erwärmungszone verändert werden. Die Gasflamme soll erfindungsgemäß immer so positioniert sein, daß die Erwärmungszone, in der der Kleber verflüssigt wird, genau an der Wickelstelle 9 zu liegen kommt. Dazu ist es notwendig, daß die Gasflamme genau wie der Wickeldraht über einen Vorschubmechanismus während des Wickelns parallel zum Wickeldorn parallel zum Pfeil 13 hin- und herbewegt wird.

Die Gasflamme muß eine so hohe Temperatur besitzen, daß in der kurzen Zeit, während der sich der Draht durch die Erwärmungszone bewegt, so viel Wärmemenge auf den Kleber übertragen wird, daß eine im wesentlichene Verflüssigung des Klebers erfolgt. Unmittelbar nach dem Verlassen der Erwärmungszone wird sich der Kleber verfestigen und so die Wickeldrähte in ihrer Lage fixieren.

Die Verklebung der Spulendrähte erfolgt somit unmittelbar während des Wickelns, sodaß eine rasche und kostengünstige Herstellung einer Spule möglich ist.

In der Praxis hat die Verwendung einer Knallgasflamme, wie sie aus der Löttechnik bekannt ist, gute Erfolge gebracht. Diese Flamme entwickelt eine Temperatur von etwa 3000 *C und kann durch die Verwendung von Düsen bis hinunter zu 0,2 mm Durchmesser den Größenverhältnissen einer Spulenwickeleinrichtung leicht angepaßt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer Gasflamme beschränkt. Jede annähernd punktgenaue Zufuhr von Wärme, die so groß ist, daß die Klebeschicht kurzfristig verflüssigt werden kann, ist zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet. So ist es beispielsweise durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls ebenfalls möglich, die nötige Wärmemenge zu übertragen.

Besonders geeignet zu diesem Zweck erscheinen Hochleistungsdiodenlaser zu sein, da sie wegen ihrer kompakten Bauweise und ihrer leichten Ansteuerbarkeit besonders gut für den Anbau an vorhandene Wickelmaschinen geeignet sind.

Auch die Anwendung eines Plasmaverfahrens oder einer Elektronenstrahleinrichtung erscheint möglich, sofern sie so ausgelegt werden, daß hohe Temperaturen an der Wickelstelle erzeugt werden können.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist grundsätzlich auch bei der Verwendung von Klebern anwendbar, die durch eine chemische Reaktion bei Wärmezufuhr aushärten, wie dies z.B. bei den sogenannten Zweikomponentenklebem der Fall ist. Dazu ist es allerdings notwendig, daß die Reaktionszeit der Kleber so kurz ist, daß die Aushärtung während der kurzen Zeit erfolgt, in der die Kleber die Erwärmungszone durchqueren.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für Spulen eines el.dyn. Wandlers eignet sich für Drähte beliebigen Querschnitts. Vorzugsweise werden, wie bereits ausgeführt. Drähte mit rundem Querschnitt verwendet. In diesem Fall werden die Wicklungen so zu liegen kommen, daß die Isolationschichten benachbarter Windungen einander entlang einer Linie berühren. Der Kleber wird von den Berührungsstellen zu den Hohlräumen zwischen den Spulendrähten verdrängt. Dadurch wird eine optimale Packungsdichte, eine feste Klebung und eine kurze Herstellzeit erreicht.

Es können aber auch Drähte beliebigen Querschnitts nach dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren verarbeitet werden. Beispielhaft zeigt Fig.7 die Verhältnisse bei annähernd rechteckigem Drahtquerschnitt für eine gleich dicke Backlackschicht wie in Fig.1. Es ist deutlich zu erkennen, daß auch in diesem Fall der Kleber 3 in die Hohlräume zwischen den Spulendrähten gedrängt wird und dort für den festen Zusammen- 4

Claims (4)

1. AT 404 206 B halt der Windungen sorgt. Alle Spulen, die nach dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren erzeugt werden, weisen eine höhere Packungsdichte auf als solche, die nach einem bisher bekannten Herstellverfahren erzeugt werden. Darüber hinaus wird durch das Verkleben während des Wickels die Zykluszeit bei der Herstellung von Spulen drastisch verringert, so daß das erfindungsgemäße Herstellverfahren äußerst effizient und kostengünstig ist. Das wirkt sich besonders bei der Herstellung von Spulen mit hohem Kupfervolumen aus, da diese Spulen gemäß dem Stand der Technik nach dem Wickeln durch elektrischen Strom oder durch Ausheizen in einem Wärmeschrank ausgehärtet werden mußten. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens liegt darin, daß kommerziell erhältliche Wickelmaschinen leicht für das neue Verfahren adaptiert werden können. Die Düse für eine Gasflamme ist leicht und nur durch einen dünnen Schlauch mit dem Gasgenerator verbunden. Die Befestigung dieser Düse auf einem Vorschubmechanismus sollte im allgemeinen keine Schwierigkeiten bereiten, da nur von außen Eingriffe an der Maschine vorgenommen werden müssen. Das Wegschwenken der Düse in eine für die Bedienungsperson sichere Position kann über das Ablaufprogramm gesteuert werden und elektrisch oder pneumatisch durchgeführt werden. Das gleiche gilt sinngemäß auch für die Verwendung eines Diodenlasers. Auch in diesem Fall muß nur die Optik und der Laser selbst beweglich an der Maschine befestigt werden, während die Stromversorgung und Steuerung abgesetzt untergebracht werden können. Patentansprüche 1. Herstellverfahren für Spulen, vorzugsweise für el.dyn. Wandler, aus einem, gegebenenfalls isolierten, Draht, der außen mit einer Backlackschicht (3) versehen ist, wobei während des Wickelns diese Backlackschicht durch Wärmezufuhr erweicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr während des Wickelns der Spule im wesentlichen punktgenau erfolgt und die Backlackschicht (3) an der Wickelstelle (9) verflüssigt.
2. 2. Herstellverfahren für Spulen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch eine Gasflamme (12), vorzugsweise eine Knallgasflamme erfolgt.
3. 3. Herstellverfahren für Spulen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch einen fokussierten Laserstrahl erfolgt.
4. 4. Herstellverfahren für Spulen nach einem oder mehreren der oben genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet daß durch den beim Wickeln wirkenden Zug der verflüssigte Backlack in Zwischenräume des Drahtes gedrängt wird, sodaß die optimale Packungsdichte erzielt werden kann. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 5