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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Lötvorbereitung,
und beispielsweise auf ein Verfahren zum Anbringen von Lotmaterial
an einem Werkstück.
Beispielsweise dient dieses Verfahren als Vorbereitungsschritt für eine nachfolgende Verlötung von
Wicklungsformteilen aus denen eine Wicklung einer elektrischen Maschine
aufgebaut wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Es
existieren verschiedene bekannte Lötverfahren zum Verlöten von
Werkstücken,
z.B. Lotbadlöten,
Wellenlöten,
Schlepplöten
und Widerstandslöten.
Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie elektrofeinmechanische
Bauelemente oder andere leitende Materialien durch das Auftragslöten miteinander verbinden
können.
Weiterhin ist bekannt, kleine Lotmitteldepots, sog. Lötpads durch
Kolbenlötverfahren oder
Anheften auf leitende Materialien anzubringen und somit einer Weiterverarbeitung,
z.B. durch Wiederaufschmelzung, zugänglich zu machen. Bei den gängigen Wiederstandslötverfahren
werden die Elektroden von oben und unten auf die zu verlötenden Werkstücke aufgesetzt,
so daß der
Strom durch das Werkstück
fließt
und durch die Wiederstandserwärmung
das Lötzinn
zum Schmelzen gebracht wird.
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Aus
der
DE 197 41 557
C1 ist bekannt, mit Hilfe des Widerstandslötverfahrens
verschieden geformte, elektrisch leitende, elektrofeinmechanische Bauteile
zu beloten, insbesondere zu verzinnen, und Lotmitteldepots auf eben
genannte Werkstücke
aufzubringen. Das Widerstandslöten
geschieht durch Anbringen zweier Elektroden, eine von oben und eine von
unten, an das zu verzinnende bzw. zu verlötende Werkstück. Das
zu schmelzende Lot befindet sich entweder auf der unteren Elektrode
und das Werkstück
direkt darüber
und auf dem Werkstück
die zweite Elektrode, oder umgekehrt. Der Strom fließt demnach
durch das Werkstück
und das Lot, welches sich durch seinen elektrischen Widerstand erwärmt und schmilzt.
Die Temperatur des Lots wird durch die Stromstärke und die Zeit des geflossenen
Stroms geregelt, womit verschiedene Schmelzungsgrade des Lots erzielt
werden können.
Dies ermöglicht
auch das Anheften kleiner Lötmitteldepots
an das Werkstück.
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Aus
der
DE 28 36 731 ist
ein Verfahren zum großflächigen Auflöten von
Bauteilen auf Bleche mit Hilfe des Widerstandslötens bekannt. Die Widerstandslötung wird
mit vier gefedert gelagerten Elektroden realisiert, die in Form
eines Rechtecks unterhalb einer Befestigungsplatte angeordnet sind,
auf die das zu verlötende
Bauteil aufgepreßt
wird. Der durch die Elektroden fließende Strom erwärmt das Blech,
so daß das
Bauteil aufgelötet
wird.
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Die
JP 07214295 offenbart ein
Verfahren zur Befestigung eines Anschlußdrahtes an ein dünnes filmartiges
metallisches Werkstück.
Zwischen den anzuheftenden Anschlußdraht und das Werkstück wird ein
amorphes Hartlöt-Füllmaterial
gebracht, welches sich durch einen hohen Schmelzpunkt auszeichnet. Dann
werden von oben zwei Elektroden auf den Lötdraht aufgesetzt und durch
das Widerstandslötverfahren
wird sowohl das Hartlötfüllmaterial
als auch der Anschlußdraht
geschmolzen und so mit dem dünnen
filmartigen Metallstück
verbunden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen von Lotmaterial an
einem Werkstück.
Das Verfahren umfaßt:
Positionieren des Lotmaterials über
einer Verbindungsstelle des Werkstücks; Ansetzen von wenigstens
zwei oder mehr Elektroden an das Lotmaterial; Spannungsbeaufschlagen
der Elektroden, so daß ein
Heizstrom in dem Lotmaterial fließt und die damit einhergehende
Widerstandserwärmung
das Lotmaterial anschmilzt und dieses eine unverlierbare Verbindung
mit dem Werkstück
eingeht.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Aufbau einer Formteilwicklung
einer elektrischen Maschine aus Wicklungsformteilen, bei welchem
das Wicklungsformteil gemäß dem obigen
Verfahren mit der bestimmten Menge Lotmaterials an der Verbindungsstelle
versehen wurde und wenigstens zwei Wicklungsformteile, von denen
wenigstens ein Wicklungsformteil nach besagtem Verfahren mit der
bestimmten Menge Lötmenge
versehen wurde, an den Verbindungsstellen miteinander verlötet werden.
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Weitere
Merkmale sind in den offenbarten Vorrichtungen und Verfahren enthalten
oder gehen für
den fachmännischen
Leser aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen
und den angefügten
Zeichnungen hervor.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die
angefügten
Zeichnungen beschrieben, in der:
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1 das
Anheften und Herstellen einer bestimmten Menge Lotmaterials an ein
Werkstück zeigt;
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2 ein
Ablaufdiagramm des Vorverzinnungsverfahrens ist;
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3 einen
Lötvorgang
durch eine Querschnittansicht von Wicklungslagen, mit auf ein Lotmaterial
auf einem Formteil der obersten Wicklungslage aufgesetzten Lötelektroden,
veranschaulicht;
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4 ein
Ablaufdiagramm des Lötverfahrens
ist;
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5 ein
beispielhaftes Wicklungsschema einer mehrsträngigen Wicklung mit überlappenden Spulen
zeigt;
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6 zwei verschiedene beispielhafte Formteiltypen
in perspektivischer Ansicht und Querschnittansicht darstellt;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer im Aufbau befindlichen Wicklungslage
ist;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines Ständerausschnitts
einer elektrischen Maschine mit im Aufbau befindlicher Formteilwicklung
zeigt;
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9 eine
perspektivische Teilansicht eines fertig mit der Wicklung bestückten Ständers zeigt;
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10 schematisch
einen Starter-Generator mit einer solchen Wicklung veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 veranschaulicht
den Vorgang des Anheftens eines Lotmaterials an ein Werkstück. Vor
einer detaillierten Beschreibung der 1 folgen
zunächst
verschiedene Erläuterungen
zu den Ausführungsformen.
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Bei
den Ausführungsformen
geht es um einen Vorverarbeitungsschritt für eine danach vorzunehmende
Verlötung
miteinander zu verbindender Werkstücke durch Schmelzen eines in
den Lötspalt eingebrachten
Metalls. Die Arbeitstemperatur liegt bei einer solchen Verlötung typischerweise
unterhalb 450°C,
und entsprechend wird i.a. ein Lot (z.B. auf Sn- und/oder Pb-Basis)
verwendet, das bei einer Temperatur unterhalb 450°C schmilzt;
es handelt sich also um einen Vorverarbeitungsschritt für ein Weichlötverfahren.
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Zur
Verlötung
zu verbindender Formteile, oder auch anderer Werkstücke, ist
es daher sinnvoll, diese vor dem Lötvorgang in geeigneter Weise
mit Lotmaterial zu versehen, also eine definierte Menge Lotmaterials
an die der folgenden Verlötung
dienende Verbindungsfläche
des Werkstücks
anzuheften. Diese definierte Menge Lotmaterial wird im folgenden auch "Lötpad" genannt. Es folgt nun eine Beschreibung
dieses "Vorverzinnens" von Werkstücken.
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Das
Lotmaterial wird bei einigen der Ausführungsformen auf eine Verbindungsstelle
eines Werkstücks
aufgelegt. Bei manchen Ausführungsformen werden
dann beispielsweise zwei (es können
aber auch mehr als zwei sein) Elektroden auf das Lotmaterial aufgesetzt.
Diese Elektroden dienen – wie
unten näher
erläutert
wird – dem
Aufbringen des Lotmaterials auf das Werkstück (wobei es sich, je nachdem wie
stark das Lotmaterial hierbei schmilzt, um ein Anheften, Anschmelzen,
Aufschmlzen, etc. handeln kann); sie werden daher im folgenden "Lotaufbringungselektroden" genannt. Die Aufsetzbewegung
ist als Relativbewegung aufzufassen, da bei manchen Ausführungsformen,
bei denen das Lotmaterial, welches auf der Verbindungsfläche eines
Werkstücks liegt,
mit dem Werkstück
gegen die Lotaufbringungselektroden bewegt wird. Nach Aufsetzen
der Lotaufbringungselektroden auf das Lotmaterial erfolgt ein Spannungsbeaufschlagen
der Lotaufbringungselektroden, so daß der Heizstrom durch die Elektroden und
durch die obersten Schichten des Lotmaterials fließt. Die
daraufhin entstehende Widerstandserwärmung führt bei ausreichender Stromzufuhr
zum Weichwerden und schließlich
Anschmelzen des Lotmaterials, welches dann mit der Verbindungsfläche des
Werkstücks
eine unverlierbare Verbindung eingeht. Sobald die Verbindung zwischen
dem Lötpad und
dem Werkstück
besteht, wird bei einigen Ausführungsformen
die Spannungsbeaufschlagung beendet und die Lotaufbringungselektroden
werden wieder zurückgeführt.
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Dadurch
daß beide
Lotaufbringungselektroden an das Lotmaterial – und nicht etwa an das Werkstück – angesetzt
werden, kann das Anheften von Lotmaterial auch an solche Werkstücke erfolgen,
die abgesehen von der Anheftungsstelle (und späteren Verbindungsstelle) allseitig
isoliert sind, beispielsweise kann ein rückseitig isoliertes Werkstück an der Verbindungsstelle
mit einem Lötpad
versehen werden.
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Es
werden nun Ausführungsformen
beschrieben, die sich hinsichtlich des Anheftens des Lotmaterials
an das Werkstück
unterscheiden. Bei einigen Ausführungsformen
wird eine schon vorgefertigte bestimmte Menge Lotmaterials, ein
Lötpad,
auf die Verbindungsstelle des Werkstücks aufgelegt. Dann werden
Lotaufbringungselektroden auf das Lötpad aufgesetzt. Bei manchen
Ausführungsformen werden
die Lotaufbringungselektroden zusätzlich benutzt, um das Lötpad an
das Werkstück
mit einer Kraft anzupressen oder festzuklemmen. Dann werden die
Lotaufbringungselektroden spannungsbeaufschlagt, oder es werden
schon unter Spannung stehende Lotaufbringungselektroden auf das
Lötpad aufgesetzt.
Der durch das Lötpad
fließende
Widerstandsstrom erwärmt
das Lötpad.
Wieder ergeben sich verschiedene Ausführungsformen. Das Lötpad kann
in alle möglichen
Aufschmelzgrade gebracht werden. Für manchen Ausführungsformen
ist es ausreichend, das Lötpad
nur leicht zu erweichen, um es mit dem Werkstück zu verbinden. Bei anderen
wird das Lötpad
hingegen völlig
aufgeschmolzen. Ebenso unterscheiden sich die Ausführungsformen
nach dem Prozess des Anheftens dadurch, daß bei einigen das Lotmaterial
bei aufgesetzten und bei anderen bei entfernten Lotaufbringungselektroden
erstarrt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
geschieht das Anheften und das Herstellen des Lötpads in einem Arbeitsgang.
Beispielsweise wird das Ende eines Lötstrangs auf die Verbindungsstelle
derart aufgelegt werden, daß mit
Hilfe der Lotaufbringungselektroden ein definierter Teil des Endes
des Lötstranges
abgeschmolzen und gleichzeitig an das Werkstück angeheftet wird. Bei anderen
Ausführungsformen
fungiert eine (oder mehrere) Elektrode(n) als Schneidewerkzeug mit
dem das Lötpad
von dem Lötstrang
mechanisch abgetrennt und dann das erzeugte Lötpad mit Hilfe des Widerstandslötens an das
Werkstück
angeheftet wird. Bei wieder anderen Ausführungsformen sind alle Kombinationen
von Löten
und Abschneiden verwirklicht. Beispielsweise werde schon spannungsbeaufschlagte
Lotaufbringungselektroden so auf das letzte Stück des Lötstranges aufgesetzt, daß eine Kombination
aus Erwärmung
und mechanischem Druck der Elektroden auf das Lotmaterial zum Abtrennen
des Lötpads führt. Wieder
werden je nach Ausführungsform
verschiedene Grade des Auf schmelzens des Lotmaterials erreicht.
Beispielsweise kann das Lotmaterial des aufgelegten Lötstrangs
nur leicht erweicht werden und das Lötpad – also das Abtrennen einer
bestimmten Menge Lotmaterials von dem Lötstrang – entsteht dann durch ein Zurückziehen
des Lötstrangs.
Bei einigen Ausführungsformen
wird trotz Abbrand der Lotaufbringungselektroden immer die gleiche
Menge Lotmaterials abgeschmolzen, indem der Lötzinnvorschub entsprechend
geändert
wird. Auch wird das Erzeugen und Anheften des Lötpads durch eine Kombination
von Aufschmelzen, Abschneiden mit den Widerstandselektrode(n) und/oder
mit einer geeigneten Abschneidevorrichtung plus dem Zurückziehen
des Lötstrangs
erreicht. Bei manchen Ausführungsformen
wird nicht der Lötstrang
gezogen, sondern das Werkstück
so bewegt, daß eine
Abtrennung des aufgeschmolzenen Lötpads vom Lötstrang erzielt wird.
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Mit
den oben beschrieben Ausführungsformen
können
an die verschiedensten Arten von Werkstücken Lötpads angeheftet werden. Dies
gilt auch für
Ausführungsformen
bei denen an rückseitig
oder bis auf die Verbindungsfläche
vollständig
isolierte Werkstücke
Lötpads
angeheftet werden. Die rückseitige
Isolierschicht behindert das Anheften nicht, da die Lotaufbringungselektroden
an das (nicht isolierte) Lötpad
angesetzt werden.
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Es
wird eine Ausführungsform
beschrieben, bei der eine komplette Wicklung einer elektrischen Maschine
aus Wicklungsformteilen aufgebaut ist und deren Verbindungsflächen mit
oben beschriebenen Verfahren mit einem Lötpad versehen sind. Die Herstellung
einer solchen Wicklung ist allgemein (d.h. ohne speziellen Bezug
auf die Verlötung
von Formteilen) in der Druckschrift
DE 101 11 509 A1 beschrieben deren diesbezügliche Offenbarung
hiermit ausdrücklich
durch Bezugnahme hier einbezogen wird.
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Gemäß einigen
(unten noch näher
beschriebenen) Ausführungsformen
hat der Ständer-
oder Läuferkörper der
elektrischen Maschine Nuten in die Wicklungsformteile eingesetzt
werden können.
Diese Wicklungsformteile sind bei manchen Ausführungsformen L-, U, V oder
I-förmig
ausgebildet und teilweise isoliert. Sie verfügen über Verbindungsflächen, an die
nach obigen Verfahren zur Vorbereitung der dann folgenden Formteil-Verlötung Lötpads angeheftet sind.
Die Formteile werden dann an den Verbindungsflächen zusammengelötet, um
eine elektrische Verbindung herzustellen und die komplette Wicklung aufzubauen.
Bei dem Auflegen einer neuen Lage von Formteilen auf eine bereits
aufgebaute Lage von bereits miteinander verlöteten Formteilen kommen die zu
verlötenden
Verbindungsflächen
aufeinander zu liegen. Sodann werden bei einigen Ausführungsformen
zwei Elektroden auf die Oberseite des oberen der zu verbindenden
Formteile im Bereich der zu verlötenden
Verbindungsstelle gedrückt.
Diese werden im folgenden zur Untersccheidung von den dem Vorverarbeitungsschritt
dienenden Lotaufbringungselektroden als "Lötelektroden" bezeichnet. Dann
werden die aufgedrückten
Lötelektroden
spannungsbeaufschlagt, so daß ein
Lötstrom
durch das obere Formteil fließt,
und die damit einhergehende Widerstandserwärmung eine Verlötung der
Formteile an der Verbindungsstelle bewirkt.
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Im
allgemeinen sind die Formteile – abgesehen
von den Verbindungsstellen – mit
einer isolierenden Oberfläche
versehen, beispielsweise einer Schicht aus Isolierlack oder einer
nicht-leitenden Oxidschicht. Isolierlacke sind beispielsweise auf
Epoxydharzbasis aufgebaut. Bei einigen Ausführungsformen weist die Formteiloberfläche nicht
nur an den Verbindungsstelle, sondern auch an der der Verbindungsstelle
gegenüberliegenden
Fläche
keine Isolierung auf, damit die dort aufzusetzenden Lötelektroden
das Formteil elektrisch kontaktieren und den Lötstrom durch dieses schicken
können.
Bei anderen Ausführungsformen
sind die Formteile jedoch auch an der gegenüberliegenden Fläche mit
der genannten Isolierschicht bedeckt.
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Bei
letzteren Ausführungsformen
kann die Isolierschicht von den Lötelektroden auf verschiedene
Arten durchdrungen werden. Werden die Lötelektroden auf die je der
Verbindungsfläche
gegenüberliegende
Isolierschicht aufgesetzt, so können
die Lötelektroden
beispielsweise bei geeigneter Andruckkraft (beispielsweise bei einer
Andruckkraft F von 0,1kN) die Isolierschicht mechanisch durchdringen. Bei
einer anderen Ausführungsform
werden heiße Lötelektroden
auf die Isolierschicht aufgesetzt, was zu einer thermischen Durchdringung
der Isolierschicht führt.
Bei der thermischen Durchdringung wird die Isolierschicht am Ort
der Lötelektroden
verbrannt oder weggeschmolzen. Bei einigen Ausführungsformen wird die Isolierschicht
durch eine Kombination von thermischer und mechanischer Durchdringung
durchstoßen.
Bei den eben genannten Ausführungsformen
gibt es unabhängig
von der Art der Durchdringung – also
thermisch oder mechanisch oder einer Kombination von beiden – zwei Alternativen:
(i) die Durchdringung ist ausreichend, daß der Lötstrom durch das Werkstück fließen kann,
oder (ii) die durch Durchdringung der Isolierschicht erreichte Kontaktierung
reicht nicht aus um den vollen Lötstrom
durch das Werkstück
fließen
lassen zu können, sondern
ist vielmehr nur eine (noch nicht die ganze Elektrodenaufsetz-Fläche umfassende)
Initialkontaktierung, die nur einen (wegen des größeren Übergangswiderstands
geringeren) Initialstrom durchläßt. Dieser
Initialstrom führt
zu einer lokalen Erwärmung an
der Kontaktstelle, die erst (durch Schmelzen/Verbrennen der Isolierung
an der ganzen Kontaktstelle) eine für den Fluß des gesamten Lötstrom ausreichende
Kontaktierung schafft. In allen genannten Fällen, in denen ein Schmelzen
bzw. Abbrennen der Isolierung stattfindet, handelt es sich um einen,
auf die jeweilige Kontaktstelle (wegen der dortigen lokalen Erwärmung) begrenzten
Vorgang; die Wärmeleitung
innerhalb des Formteils führt
nicht zu einer so starken Formteilerwärmung, daß es auch an anderen Stellen
(z.B. stirnseitig oder seitlich neben der Kontaktfläche) zu
einer Beschädigung
der Formteilisolierung käme.
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Durch
die Durchdringung wird Stromfluß durch
die Isolierschicht und somit das Verlöten der Formteile erzielt.
Obwohl die Isolierschicht im Bereich der aufgesetzten Lötelektroden
durch die mit der Spannungsbeaufschlagung einhergehenden Widerstandserwärmung verbrennen
oder schmelzen kann, wird die Isolierschicht nur punktuell verletzt
und es bleiben z.B. ca. 90% der Isolationsschicht erhalten. Nach
dem Verlöten
haben das Fehlen der Isolation an diesen Stellen auf der Oberseite
der Formteile keine Funktion mehr. Theoretisch stellt die fehlende bzw.
durch die Lötelektroden
beschä digte
Isolation auf den Formteil-Oberseiten eine Schwachstelle dar, da
die nächste
Formteillage auf diese Oberseiten aufgesetzt wird. Da beim Löten aber
(anders als etwa bei einer Verschweißung) kein Aufschmelzen des Formteil-Materials
stattfindet und sich daher keine Materialspitzen oder ähnliches
an der Formteiloberseite bilden, ist dies aber tolerabel. Denn auf
die mit der durchdrungen Isolierung kommt eine vollständige isolierende
Oberflächenschicht
auf der Unterseite des mit der nächsten
Schicht darübergelegten
Formteils zu liegen, die i.a. eine ausreichende Isolation bietet.
Dies ist insbesondere der Fall, da ja nicht die gesamte betreffende
Oberfläche
unisoliert ist, sondern nur kleine (z.B. 10% der Oberfläche betragende)
Durchdringungsbereiche, die ungefähr der Größe der beim Verlöten aufgesetzten
Lötelektroden
entsprechen. Bei einigen Ausführungsformen
können daher
die genannten Durchdringungsstellen in der fertigen Wicklung isolationsfrei
bleiben; es wird also nach dem Herstellen der Lötverbindung kein Isolierpapier
oder ähnliches
aufgelegt oder Isolierlack aufgetragen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
ist die hergestellte Wicklung für
eine elektrische Maschine bestimmt, welche als Starter-Generator
eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Bei manchen Ausführungsformen
handelt es sich hierbei um einen sog. Kurbelwellen-Starter-Generator,
also um eine elektrische Maschine, welche ohne eigenes Lager auf
der Kurbelwelle oder einer Kurbelwellenverlängerung des Verbrennungsmotors
sitzt. Bei einigen Ausführungsformen
ist der Läufer
der elektrischen Maschine drehfest mit der Kurbelwelle gekoppelt,
d.h. er dreht permanent mit der gleichen Zahl wie der Verbrennungsmotor,
bei anderen Ausführungsformen
ist hingegen zwischen Kurbelwelle und dem Läufer der elektrischen Maschine
eine Kupplung oder ein Über-
oder Untersetzungsgetriebe (z.B. in Form eines Planetengetriebes)
geschaltet. Ein derartiger Kurbelwellen-Starter-Generator ist im
allgemeinen scheibenförmig,
d.h. der Durchmesser des Läufers
ist größer als
dessen Axiallänge.
Bei anderen Ausführungsformen
ist der Starter-Generator mit einer eigenen Lagerung ausgerüstet und
an geeigneter Stelle im Antriebsstrang oder einem mit dem Antriebsstrang
koppelbaren Nebenantriebsstrang angeordnet. Auch die genannte elektrische
Maschine mit Eigenlager kann die oben definierte Scheibenform haben.
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Die
Dauerleistung derartiger Starter-Generatoren liegt im allgemeinen
im Bereich zwischen 4 kW und 50 kW. Neben der Funktion als Generator
und Direktstarter (d.h. Starter, der den Verbrennungsmotor aus dem
Stand, mit gleicher Drehzahl oder gleicher Relativdrehzahl wie dieser
drehend, starten kann) dient die elektrische Maschine bei einigen
Ausführungsformen
auch als Booster, der den Verbrennungsmotor beim Antrieb des Fahrzeugs
unterstützt, als
alleiniger Antriebsmotor bei Fahrt ohne Verbrennungsmotor, und/oder
als Rekuperationsbremse für das
Fahrzeug, welche mechanische Bremsenergie in zu speichernde elektrische
Energie umsetzt. Derartige elektrische Maschinen sind aufgrund der
Unterschiedlichkeit der im Betrieb anfallenden Leistungsanforderungen
und der harten Umgebungsbedingungen in besonderem Maße beansprucht,
etwa verglichen mit üblichen
stationären
Antrieben.
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Nun
zurückkehrend
zu 1, zeigt diese eine Vorrichtung zur Vorverzinnung
eines Werkstückes 2 und
zur Vereinfachung mehrere Ausführungsbeispiele
in einer Darstellung.
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Ziel
ist es eine bestimmte Menge Lotmaterials 11 an die Verbindungsstelle 4 eines
Werkstücks 2 mit
einer Isolierung 50 anzuheften. Natürlich muß das Werkstück 2 nicht
oben und unten isoliert sein, es kann auch vollständig entisoliert
oder nur rückseitig isoliert
sein. Verschiedenartig isolierte Werkstücke 2 findet man beispielsweise
bei Formteilen, die zum Aufbau einer elektrischen Maschine dienen.
Solche Formteile sind beispielsweise in den 3, 6 und 7 dargestellt.
Die bestimmte Menge Lotmaterial ist beispielsweise ein Lötpad 11,
welches schon vorgefertigt auf die Verbindungsfläche 4 aufgelegt wird. Die
Lotaufbringungselektroden 100 werden nach Auflegen des
Lötpads 11 auf
das Lotmaterial aufgesetzt oder an das Lötpad 11 angesetzt.
Die Kraft mit der die Lofaufbringungslektroden 100 aufgesetzt werden,
hängt von
der beabsichtigten Wirkung ab. Soll das Lötpad 11 nur angeschmolzen
werden, dann ist es ausreichend die Lotaufbringungselektroden 100 mit
geringer Kraft aufzusetzen. Sollen die Lotaufbringungselektroden 100 allerdings
zusätzlich
das Lötpad 11 an
das Werkstück 2 festklemmen,
so ist eine höhere
Aufsetzkraft der Lotaufbringungselektroden 100 notwendig.
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Nach
Ansetzen, Aufsetzen oder Andrücken der
Lotaufbringungselektroden 100 auf das Lötpad 11, werden diese
mit einer geeigneten Lötspannung beaufschlagt.
Der Heizstrom ist beispielsweise Gleich-, Halbwellen- oder Wechselstrom.
Der Strom wird von einem Heizstromgenerator 101 geliefert,
der einen Heizstromanalysator 102 und eine Steuereinheit 103 enthält. Der
Heizstrom fließt
nach dem Beaufschlagen der Spannung im oberen Teil des Lötpads 11.
Dieses erwärmt
sich durch die Ohmschen Widerstandsverluste. Zusätzlich erwärmen sich die Lotaufbringungselektroden 100 und
geben diese Wärme
an das Lötpad 11.
Dadurch wird das Lötpad 11 weich
und es wird sich je nach der geflossenen Strommenge in entsprechenden
Phasen des Aufschmelzprozesses befinden. Bei manchen Ausführungsformen
wird während
des Aufschmelzens der Lötstrom
mit dem Lötstromanalysator 102 analysiert und
mit der Steuereinheit 103 so gesteuert, daß der gewünschte Effekt – also nur
Anheften des Lötpads 11 an
das Werkstück 2 oder
komplettes Aufschmelzen oder alle dazwischenliegenden Formen des
Aufschmelzens und Weichwerdens erzielt werden. Nach dem Anheften
wird der Heizstrom abgeschaltet und die Lotaufbringungselektroden 100 werden
gleich von dem Lötpad 11 entfernt,
oder bis zum Erstarren des Lötpads 11 an
der angesetzten Position gehalten.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
kommt das zur Vorverzinnung benötigte
Lotmaterial beispielsweise in Strangform von einer Lötzinnspule 110.
Dieser Lötstrang
wird dann durch zwei Prägewalzen 112 flach
gepreßt
und man erhält
einen entsprechenden Lötstreifen 115.
Die Lötzinnspule 110 zusammen
mit den Prägewalzen 112 wird
beispielsweise so betrieben, daß es
möglich
ist den Lötstreifen 115 vor-
und zurückzuführen. Das
Flachwalzen des von der Lötzinnspule
kommenden Lötstranges ist
beispielsweise bei Lotmaterial in einer runden Ausführung erforderlich.
In anderen Ausführungsbeispielen
wird schon flachgewalztes Lotmaterial verwendet.
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Das
Ende des Lötstranges 115 wird
auf die Verbindungsstelle 4 des Werkstückes 2 aufgelegt,
so daß ein
elektrische Kontakt zwischen dem Ende des Lötstranges 115 und
dem Werkstück 2 an
der Verbindungsstelle 4 hergestellt wird. Wenn das Ende
des Lötstrangs 115 auf
die Verbindungsstelle 4 aufgelegt ist, gibt es verschiedene
Ausführungsformen,
um das Lötpad 11 herzustellen
und anzuheften. Beispielsweise wird eine gesonderte Abschneidevorrichtung 120 benutzt,
die die gewünschte
Menge Lotmaterials von dem Lötstrang 115 abtrennt
und somit das Lötpad 11 herstellt.
In einer anderen Ausführungsform wird
das Lötpad 11 während des
oben beschriebenen Anheftvorgangs mit Hilfe der Lotaufbringungselektroden 100 hergestellt.
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Beispielsweise
werden die Lotaufbringungselektroden 100 so gesteuert,
daß sie
das Ende des Lötstrangs 115 erweichen
oder anschmelzen. Dann wird der Lötstrang 115 durch Änderung
der Drehrichtung der Prägewalzen 112 und 110 zurückgezogen, wie
durch den Pfeil in 1 angedeutet. Dies hat zur Folge,
daß eine
bestimmte Menge Lotmaterials von dem Lötstrang 115 abgetrennt
wird und dadurch das Lötpad 11 entsteht
und gleichzeitig an das Werkstück 2 angeheftet
wird. Der kontrollierte Vor- und Rückschub der Lötzinnspule 110 und
der Prägewalzen 112 gewährleistet
auch die Kompensation eines Abbrandes der Lotaufbringungselektroden 100 der
im Dauerbetrieb auftritt. Werden die Lotaufbringungselektroden 100 durch
den Gebrauch abgebrannt, so ändert
sich die erwärmte
Menge an Lotmaterial und auch die Position der Lotaufbringungselektroden 100 auf
dem Ende des Lötstrang 115,
was eine Veränderung
der Größe des entstehenden
Lötpads 11 zur Folge
hat. Diesem Effekt wird durch eine Veränderung des Vorschubs der Lötzinnspule 110 und/oder der
Prägewalzen 112,
also der Länge
des aufgelegten Endes des Lötstrangs 115 auf
die Verbindungsstelle 4, Rechnung getragen.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
wird das Lötpad 11 nur
durch Abschmelzen von dem Lötstrang 115 hergestellt.
Auch in diesem Fall gewährleistet
die Steuerung des Vor- und Rückschubs
der Lötzinnspule 110 und
der Prägewalzen 112 eine
Kompensation des Abbrandes der Lotaufbringungselektroden 100 und
damit auch, daß immer
die gleiche Menge an Lotmaterial, also die gleiche Größe des Lötpads an das
Werkstück 2 angeheftet
wird.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Lotaufbringungselektroden 100 so ausgebildet, daß sie eine
Schneidwirkung haben. Durch Erhöhung
der Anpreßkraft
der Widerstandselektron 100 wird eine bestimmte Menge Lotmaterials
von dem Lötstrang 115 abgetrennt.
Vereinfacht wird dieses Art des Abschneidens, wenn die Lotaufbringungselektroden 100 zusätzlich spannungsbeaufschlagt
sind, da dies zusätzlich
zum Erweichen des abzuschneidenden Lotmaterials führt. Auch
Kombinationen von allen oben ausgeführten Ausführungsformen sind realisiert.
Beispielsweise kann in der Ausführungsform
in 1 das Abschneiden des Lotmaterials durch eine Kombination
von Erwärmen
der Lotaufbringungselektroden 100, Schneidwirkung der Lotaufbringungselektroden 100 und
Rückschub
des Lötstrangs 115 erzielt
werden.
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Das
Ansetzen der Lotaufbringungselektroden 100 an das Lotmaterial 11 ist
in allen Ausführungsformen
als Relativbewegung aufzufassen, da bei manchen Ausführungsbeispielen
das Werkstück 2 mit
dem aufgelegten Lotmaterial an die Lotaufbringungselektroden 100 angesetzt
wird.
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Ebenso
unterscheiden sich die Ausführungsformen
hinsichtlich des Zeitpunkts des Spannungsbeaufschlagen der Lotaufbringungselektroden 100. Die
Lotaufbringungselektroden 100 werden vor während oder
nach dem Ansetzvorgang spannungsbeaufschlagt. Auch beim Abnehmen
der Lotaufbringungselektroden 100 unterscheiden sich die
Ausführungsformen
hinsichtlich des Zeitpunkts vor während oder nach dem Abnehmen
der Lotaufbringungselektroden 100 die Spannungsbeaufschlagung
zu beenden.
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Der
Heizgenerator 101 ist mit einem Heizstromanalysator 102 ausgerüstet, welcher – wie oben erläutert – den beim
Vorverzinnen fließenden
Strom mißt,
den gemessenen Strom gegebenenfalls über den Lötvorgang aufsummiert, und hieraus
auf die Qualität
der Verzinnung schließt.
Bei manchen Ausführungsformen
hat diese Heizstromanalyse nur eine Überwachungsfunktion, das heißt im Fall
der Detektion eines nicht ordnungsgemäßen Stromflusses erfolgt beispielsweise
ein entsprechender Hinweis an eine den Verzinnungsvorgang überwachende
Bedienungsperson. Bei anderen Ausführungsformen ist der Heizstromanalysator 102 so
mit einer Steuereinheit 103 des Lötgenerators 101 gekoppelt,
daß noch im
Verlauf des Verzinnungsvorgangs gegebenenfalls ein korrigierender
Eingriff erfolgt. Wenn beispielsweise die Verzinnung üblicherweise
mit einer voreingestellten Zahl von n Halbwellen (zum Beispiel 6
Halbwellen) erfolgt, so kann im Fall einer Detektion eines nicht
ausreichenden Stromflusses während
dieser n Halbwellen der Lötvorgang
um bis zu m weitere Halbwellen fortgesetzt werden (zum Beispiel
um weitere 3 Halbwellen), in Abhängigkeit
vom Ergebnis der Heizstromanalyse beim jeweiligen Verzinnungs- bzw.
Anheftvorgang.
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Der
oben beschriebene Verfahrensablauf ist in 2 in Form
eines Flußdiagramms
dargestellt. Zunächst
wird ein Werkstück,
welches vorverzinnt werden soll, bereitgestellt (S10). Anschließend wird das
Lotmaterial auf einer Verbindungsstelle des Werkstücks positioniert
(S11). Danach werden die Lotaufbringungselektroden an das Lotmaterial
angesetzt (S12) und Spannungsbeaufschlagt (S13). Der nun fließende Lötstrom bringt
das Lotmaterial zum Schmelzen, bzw. zum Erweichen. Nach einer Haltezeit
wird die Spannungsbeaufschlagung beendet (S14). Nach oder während des
Erstarrens des Lotmaterials werden die Lotaufbringungselektroden
abgehoben (S15). Die Abfolge S11 bis S15 wird solange wiederholt,
bis alle Verbindungsstellen des genannten Werkstücks entsprechend vorverzinnt
sind. Sodann wird ein neues Werkstück bereitgestellt (S10) und
das Verfahren beginnt von vorne und wird solange wiederholt bis
alle Werkstücke
entsprechen vorverzinnt sind. Die vorverzinnten Werkstücke können beispielsweise
Formteile sein, die zum Aufbau einer elektrischen Maschine dienen.
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3 zeigt
zur Veranschaulichung des Lötvorgangs
von Formteilen eine Querschnittansicht eines Teils einer im Aufbau
befindlichen Wicklung 1, die hier zur besseren Verständlichkeit
eben dargestellt ist. Die Wicklung 1 wird aus einzelnen
Formteilen 2 aufgebaut, was anhand einer beispielhaften Wicklung
unten im Zusammenhang mit den 5 bis 9 noch
näher erläutert wird.
Wie ebenfalls noch unten näher
erläutert
wird, erfolgt der Aufbau der Wicklung 1 lagenweise; in
der Darstellung gemäß 1 sind
zwei solche Wicklungslagen 3.1, 3.2 bereits fertig
zusammengesetzt und verlötet,
während sich
eine dritte Wicklungslage 3.3 gerade im Aufbau befindet.
In dieser Lage 3.3 sind zwei Formteile 2', 2'' so zusammengefügt, daß sie an einer Verbindungsstelle 4 mit
jeweils einer Verbindungsfläche 5', 5'' aufeinander liegen. Bei dem gezeigten
Beispiel ist eine der beide Verbindungsflächen 5', 5'' mit
einem Lötpad 11 vorverzinnt
(es können
aber auch beide Verbindungsflächen
vorverzinnt sein). Das an der Verbindungsstelle 4 obere
der beiden Formteile, nämlich das
Formteil 2'', ist im auch
Bereich der Verbindungsstelle 4 an seiner Oberseite mit
einer Isolierschicht 50 versehen auf die im Bereich 6 die
Lötelektroden 7 aufgesetzt
werden. Fakultativ kann zur Kontaktverbesserung auch die Oberfläche im Bereich
entisoliert und eventuell vorverzinnt sein, obgleich keine Verlötung, wie
an den Verbindungsflächen 5 stattfindet. Die
gesamte übrige
Oberfläche
der Formteile 2, abgesehen von den entsprechenden Verbindungs-
und Kontaktflächen
an den anderen Enden (4), sind mit einem Isolierlack überzogen,
der beispielsweise auf Epoxydharzbasis hergestellt wurde. In der
dritten Wicklungslage 3.3 ist ein Formteil 2''' mit
einer Verbindungsstelle 4 dargestellt.
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Um
nun die in der geschilderten Weise zusammengefügten Formteile zu verlöten, werden
die beiden Lötelektroden 7 auf
den Bereich 6 des an der Verbindungsstelle 4 oberen
Formteils 2'' aufgedrückt, und
zwar jeweils mit einer Kraft F. Die Einzel-Elektrodenkraft F beträgt 0,05
kN bis 0,2 kN pro Elektrode, beispielsweise 0,1 kN. Diese Kraft
ist ausreichend um gängige
Isolationen von Wicklungsformteilen mit Hilfe der Lötelektroden 7 zu
durchdringen. Durch die Kraft wird das obere Formteil 2'' auf das untere Formteil 2' gedrückt (mit
einer Gesamtkraft von 0,1 kN bis 0,4 kN, beispielsweise 0,2 kN),
und dieses wird wiederum auf die darunterliegende, bereits aufgebaute Formteillagen 3.1 gedrückt. Die
Druckkraft wird schließlich
an der untersten Formteillage 3.1 zum Beispiel von dem
Ständer
aufgenommen, in den die Lagen 3 eingesetzt sind; alternativ
ist es auch möglich,
die unterste Formteillage 3.1 an ihren aus dem Ständer ragenden
Teilen seitlich an einer Auflage abzustützen. Durch das Aufdrücken der
Lötelektroden 7 und
die von den bereits aufgebauten Formteillage 3.1 entgegengestellte
Reaktionskraft werden die zu verbindenden Formteile 2', 2'' also an der Verbindungsstelle 4 zusammengedrückt. Bei
sehr großen
Druckkräften
könnte
beim Lötvorgang
das Lot zwischen den zu verlötenden
Formteilen herausgedrückt
werden.
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Dann
werden die Lötelektroden 7 mit
Hilfe eines Lötgenerators 8 mit
einer geeigneten Lötspannung
beaufschlagt, so daß ein
elektrischer Strom im wesentlichen im oberen Formteil 2'' im Bereich der Verbindungsstelle 4 fließt. Hierbei
handelt es sich beispielsweise um Gleichstrom, Wechselstrom oder Halbwellenstrom.
Bei Verwendung von Wechselstrom oder Halbwellenstrom läßt sich
die bei einem Lötvorgang
fließende
Strommenge (das heißt
die transportierte Ladung) auf einfa che Weise steuern, indem man
bei festgelegter Spannungsamplitude die Zahl der Voll- oder Halbwellen
pro Lötvorgang
vorgibt. Der im oberen Formteil 2'' fließende Strom
erwärmt
dieses direkt. Durch Wärmeleitung über den Lötspalt erwärmt er indirekt
auch das untere Formteil 2' im
Bereich der Verbindungsstelle so, daß das durch die eben geschilderte
Vorverzinnung aufgebrachte Lot auf den Verbindungsstellen schmilzt. Durch
die Wärmeentwicklung
wird auch die Isolierschicht 50 an den Stellen an denen
die Lötelektroden 7 im
Bereich 6 aufgesetzt werden verbrannt oder sie schmilzt – je nach
Dauer und Stärke
der Wärmeeinwirkung
und Beschaffenheit der Isolierschicht 50. Isolierlacke
die beispielsweise auf Epoxydharz basieren, halten Temperaturen
um die 200 °C
nur kurzzeitig stand. Die beim Verbrennen oder/und Schmelzen entstehenden
Rußrückstände und
auch andere Rückstände werden
mit einem Tuch oder einer Polierscheibe entfernt. Nach einer sogenannten
Haltezeit wird der Lötstrom
abgeschaltet. Die Lötelektroden 7 werden
weiterhin aufgedrückt,
bis das Lot wieder erstarrt ist. Anschließend werden die Lötelektroden 7 abgehoben
und auf die nächste
zu verlötende Verbindungsstelle
umgesetzt, wo sich der beschriebene Vorgang wiederholt. Nach dem
Lötvorgang
sind ca. 90 % der Isolierschicht 50 noch intakt. Die Restwärme der
Lötelektroden 7 wird
in manchen Ausführungsformen
genutzt, um im nachfolgenden Lötvorgang
die Isolierschicht 50 leichter zu durchdringen. Auch eine
zusätzliche
Relativbewegung, die eine bessere Durchdringung der Isolierschicht 50 bewirkt, ist
in manchen Ausführungsformen
verwirklicht. Neben dem Ausnutzen der vom vorherigen Lötvorgang noch
vorhandenen Restwärme,
ist fakultativ eine zusätzliche
Brückenschaltung
an die Lötelektroden 7 angebracht,
um dieses zu heizen und mithilfe dieser zusätzlichen Erwärmung die
Isolierschicht 50 zu durchdringen. Die Durchdringung der
Isolierschicht 50 geschieht also durch eine Kombination
von thermischer und mechanischer Einwirkung. In anderen Ausführungsformen
kann auch nur eine Version verwirklicht sein. Beispielsweise kann
die Isolationsschicht nur thermisch durchdrungen, also durchschmolzen
oder/und durchbrannt werden, ohne die Lötelektroden 7 mit
einer gesonderten Kraft auf die Formteile aufzudrücken. Das
Durchdringen der Isolierschicht beim Aufsetzen der Lötelektroden 7 kann bei
manchen Ausführungsformen
nur teilweise geschehen. Beispielsweise wird die Isolierschicht 50 beim
Aufsetzen der Lötelektroden 7 nur
leicht verletzt, so daß der
hergestellte Kontakt zwischen Lötelektroden 7 und
Formteil 2 nicht ausreicht, um den Lötstrom durch das Formteil 2 fließen lassen
zu, sondern vielmehr nur eine (noch nicht die ganze Elektrodenaufsetz-Fläche umfassende)
Initialkontaktierung, die nur einen (wegen des größeren Übergangswiderstands
geringeren) Initialstrom durchläßt, hergestellt wird.
Dieser Initialstrom führt
zu einer lokalen Erwärmung
an der Kontaktstelle, die erst (durch Schmelzen/Verbrennen der Isolierung
an der ganzen Kontaktstelle) eine für den Fluß des gesamten Lötstrom ausreichende
Kontaktierung schafft.
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Der
Lötgenerator 8 ist
mit einem Lötstromanalysator 9 ausgerüstet, welcher – wie oben
erläutert – den beim
Lötvorgang
fließenden
Strom mißt,
den gemessenen Strom gegebenenfalls über den Lötvorgang aufsummiert, und hieraus
auf die Qualität
der Verlötung
schließt.
Bei manchen Ausfüh rungsformen hat
diese Lötstromanalyse
nur eine Überwachungsfunktion,
das heißt
im Fall der Detektion eines nicht ordnungsgemäßen Stromflusses erfolgt beispielsweise
ein entsprechender Hinweis an eine den Lötvorgang überwachende Bedienungsperson.
Bei anderen Ausführungsformen
ist der Lötstromanalysator 9 so
mit einer Steuereinheit 10 des Lötgenerators 8 gekoppelt,
daß noch
im Verlauf des Lötvorgangs
gegebenenfalls ein korrigierender Eingriff erfolgt. Wenn beispielsweise
die Verlötung üblicherweise
mit einer voreingestellten Zahl von n Halbwellen (zum Beispiel 6
Halbwellen) erfolgt, so kann im Fall einer Detektion eines nicht
ausreichenden Stromflusses während dieser
n Halbwellen der Lötvorgang
um bis zu m weitere Halbwellen fortgesetzt werden (zum Beispiel
um weitere 3 Halbwellen), in Abhängigkeit
vom Ergebnis der Lötstromanalyse
beim jeweiligen Lötvorgang.
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Der
oben beschriebene Verfahrensablauf ist in 4 in Form
eines Flußdiagramms
dargestellt. Zunächst
wird ein Teil einer Formteillage auf einer bereits verlöteten Formteillagen
aufgebaut (S1). Wie im Zusammenhang mit den folgenden 6 bis 9 noch näher erläutert wird,
kann es sich bei diesem Teil beispielsweise um jedes zweite Formteil
einer Lage handeln, zum Beispiel um diejenigen Formteile, die mit
Formteilen der darunterliegenden, bereits verlöteten Lage zu verlöten sind.
Dann werden die Lötelektroden
von oben (das heißt
von der zugänglichen Seite)
auf die Isolierung des oberen Formteils eines zu verbindenden Formteilpaars
gedrückt
und durch den Druck die Isolierschicht durchdrungen (S2). Anschließend werden
die Lötelektroden
mit elektrischer Lötspannung
beaufschlagt (S3). Der nun fließende Lötstrom bringt
das Lot 11 zwischen den Verbindungsflächen der beiden Formteile zum
Schmelzen und die Isolierschicht zum Verbrennen oder/und Schmelzen.
Nach einer Haltezeit wird die Spannungsbeaufschlagung beendet (S4).
Nach Erstarren des – die
beiden Formteile nun verbindenden – Lots 11 werden die
Lötelektroden
abgehoben und zum nächsten
zu verbindenden Formteilpaar versetzt (S5). Die Abfolge S2 bis S5
wird solange wiederholt, bis alle Formteile des genannten Teils
der Formteillage entsprechend verlötet sind. Sodann wird ein weiterer
Teil einer Formteillage aufgelegt (S1), beispielsweise die zur Komplettierung
der vorliegenden Lage noch fehlende andere Hälfte von Formteilen, die nun mit
den soeben eingebauten Formteilen verlötet werden. Es folgt wiederum
die Abfolge S2 bis S5 für
diese Formteile des zweiten Teils der Formteillage. Die Abfolge
S2 bis S5 wird solange wiederholt, bis sämtliche Lagen der Wicklung
fertiggestellt sind.
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Die
folgenden 5–9 zeigen
in Einzelheiten den Aufbau einer beispielhaften Formteilwicklung
unter Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens.
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5 zeigt
ein Wicklungsschema einer solchen beispielhaften Wicklung 1,
die dreisträngig
ausgeführt
ist. Das Wicklungsschema wiederholt sich alle zwölf Nuten des Ständers (8).
Die zu den verschiedenen Strängen
U, V, W gehörenden
Spulen 12u, 12v, 12w sind überlappend
angeordnet. Jede Spule 12 weist in zwei Nuten gegenüberliegend
verlaufende Leiterabschitte (sogenannte Spulenseiten) sowie diese
verbindende, außen
am Ständer
verlaufende Verbindungsleiter 13 auf. Bei dem gezeigten Beispiel
ist die Wicklung 1 so ausgebildet, daß die Verbindungsleiter 13 von
maximal drei Spulen 12 aneinander vorbeigeführt werden,
wobei zwischen den Spulenseiten einer Spule 12 z.B. jeweils
vier Spulenseiten von Spulen 12 anderer Stränge liegen.
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Grundsätzlich können sämtliche
Spulen
12 eines Stranges parallel oder in Serie geschaltet
sein; daneben sind auch Serien-Parallel-Schaltungen möglich.
6 zeigt beispielhaft eine derartige Serien-Parallel-Schaltung,
bei der jeweils zwei benachbarte Spulen
12 eines Stranges
in Serie geschaltet sind, und alle diese so gebildeten Spulenpaare
eines Stranges wiederum parallel geschaltet sind. Zur Veranschaulichung
ist eine solche Serienschaltung in
6 fett
hervorgehoben, und zwar die Serienschaltung der Spulen
12v und
12v'. Wegen weiterer
Einzelheiten des Wicklungsschemas wird auf die eingangs genannte
WO 01/9546 A1 und die ähnliche
DE 101 11 509 A1 verwiesen.
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Eine
Wicklung von der in 5 gezeigten Art wird aus einzelnen
Formteilen hergestellt, die jeweils Teilabschnitte von Spulenwindungen
darstellen. Durch das oben bereits näher beschriebene Verlöten dieser
Teilabschnitte entsteht eine vollständige Wicklung mit wendelförmigen Spulen.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform gemäß 5 erfolgt
der Aufbau der Wicklung 1 aus L-förmigen Formteilen 2,
die jeweils einen Nutstab 14 und einen rechtwinklig daran
anschließenden
Verbindungsleiter 13 aufweisen und mit einem Lötpad 11 auf
einer Verbindungsstelle 5' (und/oder
auch 5'') versehen sind.
Mit zwei L-förmigen
Verbindungsleitern 2 erhält man eine vollständige (d.h. über 360° umlaufende)
Spulenwindung; jedes Formteil 2 ist also eine Halbwindung.
Bei der im folgenden näher beschriebenen
Ausführungsform
läßt sich
die Wicklung 1 im wesentlichen aus nur zwei verschiedenen Typen
von Formteilen 2 aufbauen, von denen ein Typ (2a)
in 6a und der andere (2b) in 6b gezeigt ist.
Der erste Typ 2a ist eine Teilwindung mit Anschluß an die
darunterliegende Windung der Spule; während der zweite Typ 2b eine
Teilwindung ist, die die zur selben Windung wie die erste Teilwindung
gehört.
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Die
Verbindungsleiter 13 sind flacher und breiter ausgebildet
als die Nutstäbe 14,
wie die Querschnittansichten gemäß 6c veranschaulichen. Und
zwar weisen die Nutstäbe 14 eine
Höhe H
und eine Breite B auf, wobei letztere beispielsweise so gewählt ist,
daß der
Nutstab 14 in der Breite eine Nut ausfüllt. Die Höhe h des Verbindungsleiters 13 beträgt beispielsweise
ein Drittel der Höhe
H des Nutstabs 14, während
umgekehrt die Breite b des Verbindungsleiters 13 etwa dreimal
so groß ist
wie die Breite B des Nutstabs 14. Der Leiterquerschnitt
ist also in Nutstab 14 und Verbindungsleiter 13 ungefähr gleich.
Die Unterseiten von Nutstab 14 und Verbindungsleiter 13 liegen
auf einer Ebene, die Oberseite des Nutstabs 14 liegt jedoch
entsprechend der Differenz H-h höher
als die Oberseite des Verbindungsleiters 13. Wie oben erwähnt, werden
bei manchen Ausführungsformen
dickere Formteile als die bisher im Stand im Stand der Technik üblichen
verwendet, so daß die
Nutstäbe 15 beispielsweise
einen Rechteckquerschnitt mit der längeren Rechteckseite in Nutrichtung
(Radialrichtung) haben, wie in 6c durch gestrichelte
Linien veranschaulicht ist.
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Am
freien Ende des Nutstabs 14 weisen die Formteile 2 jeweils
eine abgeflachte Zunge 15 auf, deren Dicke zunächst in
einem Ansatzbereich 16 ungefähr der Höhe h des Verbindungsleiters 13 und
in einem daran anschließenden
Verbindungsbereich 17'' nur noch einen
Bruchteil der Höhe
h beträgt,
z.B. die Hälfte
oder das 0,4-fache die Höhe
h. Bei dem in 6a gezeigten ersten Formteiltyp 2a liegt
der Ansatzbereich 16a der Zunge 15a auf gleicher
Höhe wie der
Verbindungsleiter 13, also an der unteren Seite des Nutstabs 14.
Bei dem in 6b gezeigten zweiten Formteiltyp 2b liegt
die Zunge 15b hingegen an der oberen Seite des Nutstabs 14.
Bei beiden Formteiltypen erfolgt der Übergang zwischen den Bereichen 16 und 17'' durch eine Stufe, die bei beiden Formteiltypen
an der Unterseite der Zunge 15 liegt. Der Verbindungsbereich 17'' läßt also auf der Unterseite
gegenüber
dem Ansatzbereich 16 jeweils einen Raum in Höhe ca. eines
Sechstels der Nutstabdicke frei. Diese Unterseite bildet jeweils
die Verbindungsfläche 5'' des an der Verbindungsstelle oberen
Formteils 2'', die in der
bei 1 und 2 erläuterten Weise mit der komplementären Verbindungsfläche 5' des unteren
Formteils 2' derselben
Wicklungslage 3 oder einer darunter- oder darüberliegenden
Lage verlötet
wird.
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Am
freien Ende weisen die Verbindungsleiter 13 jeweils einen
Verbindungsbereich 17' auf,
bei dem die Höhe
des Verbindungsleiters 13 im Bereich der Oberseite beispielsweise
auf die Hälfte
bzw. das 0,6-fache der Höhe
h des Verbindungsleiters 13 verringert ist. Die Oberseite
dieses Verbindungsbereichs 17' oder ein Teil von ihr bildet die
Verbindungsfläche 5'. Die Summe
der Dicken des Verbindungsbereichs 17'' an
der Zunge 15 des Nutstabs 14 und des Verbindungsbereichs 17' am Verbindungsleiter 13 ist also
so gewählt,
daß sie
ungefähr
der Verbindungsleiterhöhe
h entspricht.
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Die
Formteile 2 weisen eine isolierende Oberfläche auf,
gebildet z.B. durch eine Isolierlackschicht. Keine isolierende Oberfläche haben
jedoch die Verbindungsflächen 5' und 5''. Der Bereich 6, der auf
der Oberseite der Zunge 15 des Nutstabs 14 liegt und
ungefähr
deckungsgleich mit der Verbindungsfläche 5'' ist
kann fakultativ entisoliert sein. Eine oder beide Verbindungsflächen 5', 5'' sind nach obigen beschriebenen
Verfahren mit Lötpads 11 versehen. Wenn
der Bereich 6 entisoliert ist kann dieser Bereich 6 verzinnt
sein.
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7 erläutert den
lagenweisen Aufbau der beispielhaften Wicklung mit überlappenden
Spulen aus den Formteilen gemäß 6 mit dem Lötverfahren gemäß 3 und 4.
Die in 7 mit "I-I" gekennzeichnete
Ansicht entspricht der Schnittansicht der obersten Formteillage 3.3 und
der Lötelektroden 7 von 3.
Die Formteile 2 sind hier – wie in 3 – der Einfachheit
halber ohne Ständerkörper und
auf einer ebenen Fläche
liegend dargestellt; in einem Ständerkörper einer
Radialfeldmaschine sind sie hingegen auf der Innenmantelfläche eines
Zylinders angeordnet (8). Es sei angenommen, daß bereits wenigstens
eine Wicklungslage aufgebaut ist, daß es sich also mit der gezeigten
Wicklungslage um eine weitere (zum Beispiel die dritte Lage von 3)
handelt (die erste Wicklungslage kann nämlich Besonderheiten hinsichtlich
des Anschlusses der Formteile aufweisen, wie beispielsweise in der
eingangs genannten WO 09/95461 A1 erläutert ist).
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Zunächst wird
in einem ersten Durchgang in jede zweite Nut ein Formteil des ersten
Typs 2a eingesetzt. Wie 7 zeigt, überlappen
sich die Verbindungsleiter 13a von jeweils drei Formteilen 2a schuppenartig.
Die hier mit Lötpads 11 versehenen
Verbindungsflächen 5' auf den Verbindungsleitern 13a bleiben
bei dieser schuppenartigen Anordnung frei zugänglich. Mit der jeweils anderen
Verbindungsfläche 5'' am Ende der Nutstabzungen 15 liegen
diese zunächst
eingesetzten Formteile 2a auf der anderen Stirnseite des
Ständers
auf Verbindungsflächen 5' der darunterliegenden
Formteile auf (dies ist in 5 verdeckt
durch ein bereits eingezeichnetes Formteil 2b vom zweiten
Typ). Die aufeinanderliegenden Verbindungsflächen 5', 5'' werden
durch die Lötelektroden
nach dem bei 3 und 4 beschriebenen Lötverfahren
miteinander verlötet;
und zwar werden beide Elektroden 7 von oben auf die (in 8 verdeckte)
Kontaktfläche
auf den Zungen aufgedrückt (nicht
gezeigt in 7). Dabei ist es wahlweise möglich, jeweils
nach dem Einsetzen eines Formteils 2a sogleich die Lötverbindung
zum jeweils darunterliegenden Formteil 2b herzustellen,
oder zunächst mehrere
oder sämtliche
Formteile des ersten Typs 2a für eine Lage in der dargestellten
Weise auf die vorhergehende Lage aufzusetzen, und erst dann (zum Beispiel
in einem Durchgang) die Lötverbindungen mit
den Formteilen 2b der darunterliegenden Lage vorzunehmen.
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Nun
wird in jede beim ersten Durchgang frei gebliebene Nut (das heißt wiederum
in jede zweite Nut, jedoch gegenüber
dem ersten Durchgang um eine Nut versetzt) ein Formteil des zweiten
Typs 2b eingesetzt. Das Formteil 2b ist so orientiert,
daß es gegenüber der
Darstellung in 6b in der vom Formteil aufgespannten
Ebene um 180 Grad gedreht ist. Das Einsetzen erfolgt wiederum so,
daß sich
die nun auf der anderen Stirnseite des Ständers liegenden Verbindungsleiter 13b schuppenartig überlappen.
Die Überlappungsrichtung
ist derjenigen der Überlappung
der Formteile des ersten Typs 2a entgegengesetzt (beispielsweise
schreitet die Überlappung
der Formteile des ersten Typs 2a in 7 von links
nach rechts und diejenige der Formteile des zweiten Typs 2b von
rechts nach links fort. Die Zungen 15 der Formteile des
zweiten Typs 2b kommen nun mit ihren Verbindungsflächen 5'' auf den frei zugänglich gebliebenen
mit Lötpads 11 versehenen Verbindungsflächen 5' der zuvor eingesetzten
Formteile des ersten Typs 2a zu liegen. In 7 ist
dies beispielhaft für
ein Formteil des zweiten Typs 2b gezeigt. Die aufeinanderliegenden
Verbindungsflächen 5', 5'' werden wiederum durch die Lötelektroden 7 nach
dem oben beschriebenen Lötverfahren
miteinander verlötet,
wie in 7 veranschaulicht ist. Wiederum ist es wahlweise
möglich,
sogleich nach dem Einsetzen eines Formteils 2b die Lötverbindung
zu dem zugehörigen
Formteil 2a herzustellen, oder zunächst mehrere oder sämtliche
Formteile des zweiten Typs 2b für die betrachtete Lage einzusetzen
und erst dann die Lötverbindungen
mit den Formteilen 2a der betrachteten Lage vorzunehmen.
Die Verbindungsflächen 5' auf den Verbindungsleitern 13b der Formteile
des zweiten Typs 2b bleiben wiederum zugänglich.
Sie bilden die Verbindungsflächen,
an denen die Formteile des ersten Typs 2a der nächsten Lage,
wiederum wie oben beschrieben, angelötet werden.
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Die
beiden so miteinander verbundenen Formteile 2a und 2b liegen übrigens
deshalb trotz des in den 6a und 6b gezeigten
Höhenversatzes
der Zungen 15a, 15b relativ zu den Verbindungsleitern 13a, 13b auf
einer Höhe
in der Wicklung 1, da die Verbindungsleiter durch die schuppenartige Anordnung
eine Schrägstellung
aufweisen, welche durch den genannten Höhenversatz gerade ausgeglichen
wird. Die beiden miteinander verbundenen Formteile 2a, 2b bilden
also eine, in einer Ebenen liegende 360°-Windung einer Spule 12,
die mit anderen Spulen 12 überlappt. Durch Aufsetzen und
Verlöten weiterer
Lagen von Formteilen erfolgt der weitere Aufbau der miteinander überlappender
Spulen 12.
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8 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Ständers 19 einer
elektrischen Maschine, bei welcher der Aufbau der beispielhaften Formteilwicklung
gemäß 5–7 mit
Hilfe einer Mehrfach-Lötvorrichtung 20 erfolgt. 8 zeigt
einen Bearbeitungszustand, bei dem von der untersten Wicklungslage 3.1 alle
Formteile vom ersten Typ 2a sowie drei Formteile vom zweiten
Typ 2b in Nuten 21 des Ständers 19 eingesetzt
sind (letztere sind zwecks besserer Erkennbarkeit mit schraffierter Oberfläche dargestellt).
Anders als die 3, 6 und 7 zeigt 8 nicht
mehr die Idealisierung einer ebenen Abwicklung, sondern einen gekrümmten Wicklungsaufbau,
wie er beispielsweise bei einer Radialfeldmaschine in Innenläuferbauart
vorliegt. Damit die eigentliche Wicklung besser sichtbar ist, sind
nur die beiden Stirnseiten des Ständers 19 eingezeichnet.
Der Ständer 19 ist
jedoch im allgemeinen ein Paket aus in Axialrichtung übereinandergeschichteten Blechen;
die dargestellten Stirnseiten des Ständers 19 entsprechen
also jeweils etwa dem äußersten Blech
des Blechpakets.
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Mit
der schematisch dargestellten Mehrfach-Lötvorrichtung 20 können mehrere
Lötverbindungen
gleichzeitig hergestellt werden. Die Lötvorrichtung 20 weist
hierzu entsprechend mehrere Paare von Widerstandslötelektroden 7 auf,
die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der dem Abstand
der zu verlötenden
Verbindungsstellen 4 entspricht, und deren Anordnung zudem
gegebenenfalls der gekrümmten
Anordnung der Verbindungsstellen 4 folgt. Bei dem in 8 gezeigten
Beispiel weist die Mehrfach-Lötvorrichtung 20 drei
entsprechend angeordnete Paare von Widerstandslötelektroden 7 auf. Entsprechend
wird die Mehrfach-Lötvorrichtung 20 mit
ihren Lötelektroden 7 simultan
an drei Verbindungsstellen 4 auf die Kontaktflächen aufgesetzt; nach
dem bei 3 und 4 geschilderten
Verfahren werden somit in einem Arbeitsgang drei Lötverbindungen
hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen
ist die Mehrfach-Lötvorrichung
zum gleichzeitigen Verlöten
einer größeren Anzahl
von Formteilpaaren ausgebildet, beispielsweise zum Verlöten sämtlicher
Formteilpaare auf einer Seite des Ständers 19. Die Lötelektroden
sind dann beispielsweise ungefähr auf
einer Kreislinie angeordnet, und sind in geeigneter Weise (vom Kreismittelpunkt
gesehen) nach außen
ausfahrbar, so daß die
Lötvorrichtung 20 nach Art
eines Ringes mit kleinerem Durchmesser als der Ständer 19 in
den von den Verbindungsleitern 13 gebildeten Ring eingefahren
wird, die Lötelektroden 7 sodann
radial nach außen
gegen die darauf befindlichen Kontaktflächen gefahren werden, und somit
die Simultan-Verlötung
erfolgt. Dies erlaubt beispielsweise die Verlötung einer Wicklung mit vier
Wicklungslagen in nur acht derartigen Löt-Arbeitsgängen.
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9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Teils eines Ständers 19 mit
fertig aufgebauter Wicklung 1. Sichtbar sind Nutköpfe 22,
welche zusammen die den Luftspalt der elektrischen Maschine begrenzende
Ständerfläche bilden,
und hinter denen sich die mit den Formteilen aufgefüllten Nuten 21 radial
nach außen
erstrecken. Die Verbindungsleiter 13 der miteinander verlöteten Formteile 2 bilden
ein auf jeder Stirnseite des Ständers 19 ringförmig umlaufendes Verbindungsleiterpaket 24.
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Bei
der elektrischen Maschine, deren Wicklung mit dem beschriebenen
Verfahren hergestellt wird, handelt es sich beispielsweise um einen
kombinierten Starter-Generator eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
Beispielsweise ist der Starter-Generator ein sogenannter Kurbelwellen-Starter-Generator,
dessen Läufer
direkt auf der Kurbelwelle oder einer Kurbelwellenverlängerung
des Verbrennungsmotors sitzt und zum Beispiel permanent und ohne
Zwischenübersetzung
mit dieser mitdreht. 10 veranschaulicht ein Kraftfahrzeug-Antriebssystem
mit einem, mit dem vorliegenden Lötverfahren hergestellten Kurbelwellen-Starter-Generator. Und
zwar weist es einen Verbrennungsmotor 26 auf, der Drehmoment über eine
Antriebswelle 27 (zum Beispiel die Kurbelwelle), eine Kupplung 28 und
weitere drehmomentübertragende
Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Auf
der Antriebswelle 27 sitzt die als Starter und Generator
arbeitende elektrische Maschine 29, beispielsweise eine
Asynchron-Drehstrommaschine oder eine mit Permanentmagneten ausgerüstete Synchron-Drehstrommaschine.
Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 27 sitzenden
und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 30 sowie den
zum Beispiel am Gehäuse
des Verbrennungsmotors 26 drehfest abgestützten Ständer 19 gemäß einem
der obigen Ausführungsbeispiele
auf. Die elektrische Maschine 29 und der Verbrennungsmotor 26 laufen
permanent zusammen; das Starten des Verbrennungsmotors 26 erfolgt
direkt ohne Übersetzung.
Die Wicklung 1 des Ständers 19 wird
beispielsweise durch einen Mehrphasen-Wechselrichter (bei einer
zum Beispiel dreisträngigen
Wicklung handelt es sich um einen Dreiphasenwechselrichter) mit
elektrischen Strömen und
Spannungen frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
erlauben eine einfache Herstellung von Formteilwicklungen und von
mit solchen Wicklungen ausgerüsteten
elektrischen Maschinen.