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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Wickelkörper für einen Elektromotor und einem
Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers für einen Elektromotor nach den
Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche.
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Bürstenlose
Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) mit sogenannter Luftspaltwicklung mit
freitragenden Wickelkörpern
sind bekannt. Üblicherweise
wird die Wicklung für
einen derartigen Wickelkörper
zuerst auf einen Dorn aufgebracht, welcher die Spulen während des
Wickelvorgangs trägt und
in Position hält.
Dann wird die üblicherweise
aus Backlackdraht gestehende Wicklung durch Erhitzen und Verpressen
in ihre endgültige
Form gebracht, welche der Wickelkörper nach dem Erhitzen beibehält. Anschließend wird
der Wickelkörper
vom Dorn entformt und kann weiter verarbeitet werden.
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Bei
einer dreisträngigen,
zweipoligen Wicklung werden bei der Herstellung drei separate Litzen verarbeitet,
was die Handhabung sehr aufwändig macht
und eine Automatisierung nur mit einem nicht zu rechtfertigenden
Aufwand möglich
ist. Üblicherweise
sind die Wickelkörper
derartiger BLDC-Motoren mit Luftspaltwicklung von Hand gefertigt.
Aus diesem Grund werden derartige BLDC-Motoren mit Luftspaltwicklung
nur für
Anwendungen eingesetzt, die nur kleine Stückzahlen erfordern, etwa in
der Modellbaubranche.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem Wickelkörper für einen Elektromotor, insbesondere
einem bürstenlosen
Gleichstrom-Elektromotor mit Luftspaltwicklung, bei dem wenigstens
zwei Spulen pro Strang vorgesehen sind.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Spulen eines Strangs des Wickelkörpers unmittelbar
aufeinander folgend gewickelt sind. Ein Strang stellt die Verbindung
zweier Anschlussenden der Wicklung dar und besteht aus wenigstens
zwei Spulen, auch Teilspulen genannt. Jede der Teilspulen ist einem
anderen Pol des Elektromotors zugeordnet. Üblicherweise sind die Spulen
mit Litze, bestehend aus mehreren Einzeldrähten, gewickelt. Vorteilhaft
kann durch die aufeinander folgende Wicklung der Spulen eines Strangs
eine Automatisierung des Wickelvorgangs ermöglicht werden. Die Spulen aller
Stränge
können durchgängig mit
einer einzigen Litze gewickelt werden, die erst nach dem Wickeln
getrennt werden muss.
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Günstigerweise
kann der Wickelkörper
topfförmig
ausgebildet sein. Bevorzugt kann der Wickelkörper an einem axialen Ende
einen Wickelkopf aufweisen, der radial nach außen gelegt ist. Ebenso kann
der Wickelkörper
an einem axialen Ende einen Wickelkopf aufweisen, der radial nach
innen gelegt ist. Dadurch kann jeweils wertvoller Bauraum gewonnen
werden. Ist an einem Ende der nach außen gelegte Wickelkopf in Form
einer wulstartigen Erweiterung vorgesehen und am anderen Ende der
nach innen gelegte Wickelkopf in Form eines innen offenen Bodens,
kann der Wickelkörper
an beiden Enden verkürzt
werden und Bauraum gewonnen werden.
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Die
Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur Herstellung
eines Wickelkörpers
für einen
Elektromotor, insbesondere für
einen bürstenlosen
Gleichstrom-Elektromotor mit Luftspaltwicklung, mit wenigstens zwei
Spulen pro Strang.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Spulen des einen Strangs aufeinander
folgend gewickelt werden, bevor Spulen eines anderen Strangs gewickelt
werden. Die Wicklung des Wickelkörpers
wird wickeltechnisch als fortgesetzte Reihenschaltung ausgeführt. Dadurch
kann eine Automatisierung der Herstellung des Wickelkörpers erfolgen.
Eine Wicklung von Hand ist nicht mehr notwendig. Der Wickelkörper besteht
aus z. B. sechs Spulen mit zwei Spulen pro Phase bei drei Phasen.
Die Wicklung des Wickelkörpers
besteht je nach gewünschter
Drehzahl des Elektromotors und abhängig von der Versorgungsspannung
aus wenigen Windungen. Durch das aufeinanderfolgende Wickeln der
Spulen eines Strangs entfällt
die Notwendigkeit, Spulenenden von Spulen zweier verschiedener Stränge während des
Wickelns zu fixieren. Bei den bekannten Wickelkörpern wird zunächst die
erste Spule des ersten Strangs, dann die erste Spule des zweiten
Strangs, dann die erste Spule des dritten Strangs, dann die zweite
Spule des ersten Strangs usw. gewickelt. Diese bekannte Wickelreihenfolge
setzt voraus, dass mit drei Litzen, d. h. einer Litze pro Strang
gewickelt wird.
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Um
einen hohen Füllfaktor
zu erreichen und die Bewicklung bzgl. minimal möglicher Radien gut ausführen zu
können,
erfolgt eine Parallelwicklung, d. h. es wird mit mehreren Drähten gleichzeitig
gewickelt. Aus Gründen
der automatischen Herstellbarkeit ist die Wicklung wickeltechnisch
bevorzugt als fortgesetzte Reihenschaltung ausgeführt. Bevorzugt können die
Spulen des einen Strangs unmittelbar aufeinanderfolgend gewickelt
werden.
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Die
Wickeldrähte
können
als Backlackdrähte ausgeführt sein.
Die Spulen des Wickelkörpers
werden auf einen Spulenkörper
gewickelt, der nach dem Wickeln entfernt wird. Zur Einsparung von
Baulänge wird
ein Wickelkopf geformt, der einen radial nach außen umgelegten Rand bildet,
an der gegenüberliegenden
Seite wird der Rand radial nach innen umgelegt, so dass sich ein
im Zentrum offener Boden bildet. Anschließend wird die Wicklung, bzw. der
Wickelkörper,
zu einem festen Körper
verbacken. Über den
Wickelkörper
wird eine Flächenisolation
aufgebracht, vorzugsweise eine freitragende Hülse aus einem Flächenisolierstoff.
Der isolierte Wickelkörper wird
in das Statoreisen, das aus axial aufeinander gestapelten Blechringen
besteht, eingeführt.
Der Festsitz im Stator kann durch Ausführung der Flächenisolation
als Backlackpapier oder durch eine zusätzliche Träufelung mit Imprägnierharz
erreicht werden. Vorteile der Träufelung
sind einerseits eine mechanische Sicherung der Wicklung gegen Verdrehung
durch das auftretende Motordrehmoment und andererseits eine verbesserte
Wärmeabfuhr
der Wicklung, was zu Steigerung der Nennleistung, aber auch zu verbesserter Überlastfähigkeit
und dadurch zu äußerster Robustheit
des Motors führt.
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Die
gesamte Wicklung des Wickelkörpers kann
mit einer einzigen Litze hergestellt werden, wobei die Litze beim Übergang
von der Spule des einen Strangs zur nächsten Spule des nächsten Strangs zusammenhängend bleibt
und erst nach dem Wickeln zur Herstellung der Phasenanschlüsse für den Motor
aufgetrennt wird. Vorteilhaft wird eine Litze bestehend aus mehreren
Einzeldrähten
verwendet, so dass eine Parallelbewicklung erfolgt. Durch die Parallelbewicklung
sind in der Fertigung wenige verschiedene Drahtdurchmesser ausreichend,
etwa entsprechend der Zahl der Varianten einer bestimmten Motorgröße.
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Günstigerweise
können
Enden der Spulen während
des Wickelns als Schlaufe aus der Wicklung geführt werden, während im
Stand der Technik Spulenenden durch freie Litzenenden gebildet sind,
die fixiert und sicher markiert werden müssen, um beim späteren Zusammenschalten
eine Verwechslung der Anschlüsse
auszuschließen.
Durch das bevorzugte Herausführen
von Schlaufen an den Spulenenden ist die Verwechslungsgefahr der
Spulenenden verringert.
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Bevorzugt
können
die Schlaufen nach dem Wickeln aufgetrennt werden. Dadurch, dass
das Auftrennen der Schlaufen erst zu einem Zeitpunkt erfolgt, der
nahe dem Zeitpunkt ist, an dem die elektrischen Anschlüsse der
Spulen fertiggestellt werden, so dass die Zuordnung der Spulenenden
zueinander für
den Bearbeiter noch übersichtlich
ist.
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Es
wird ein Elektromotor mit einem Wickelkörper vorgeschlagen, der nach
wenigstens einem Merkmal des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt
ist. Der Elektromotor, der insbesondere ein elektrisch kommutierender
Motor mit Luftspaltwicklung ist, insbesondere ein BLDC-Motor mit Luftspaltwicklung,
weist gegenüber
einem BLDC-Motor mit genutetem Stator und einem DC-Motor eine Reihe
von Vorteilen auf. Es können
hohe Drehzahlen erreicht werden von bis zu 50 000 U/min und mehr, bis
zur Belastungsgrenze eines mit dem Motor gekoppelten Getriebes.
Bei hohen Drehzahlen treten nur geringe Eisenverluste auf. Durch
seine Bauart erreicht der Motor eine kleine Induktivität, höhere Induktivitäten führen zu
kleineren Effektivströmen
bei steigenden Drehzahlen, und zunehmende Induktivität bereitet
verstärkt
Schaltverluste in der Elektronik. Durch geringe Eisen- und Kupferverluste
erreicht der BLDC-Motor mit Luftspaltwicklung einen hohen Maximalwirkungsgrad.
Durch die niederohmige Wicklung wird über ein nahezu den gesamten
Arbeitsbereich optimaler Wirkungsgrad erreicht. Die Art der Bewicklung
lässt einen
hohen „Nutfüllfaktor" zu, führt dadurch
zu einer hohen Leistungsdichte und lässt eine verhältnismäßig feine
Anpassung an die gewünschte Drehzahl
zu. Durch die Herstellart der Wicklung ist der Motor besonders geeignet
für einen
Bereich von Statordurchmessern, von ca. 20 mm bis über 40 mm. Ferner
ist nur ein relativ geringer Investitionsaufwand für eine teilautomatisierte
Herstellung in größeren Stückzahlen
erforderlich. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die Weiterentwicklung
in der Akkutechnologie und damit kleinere Innenwiderstände der
Akkus Vorteile des BLDC-Motors mit Luftspaltwicklung überproportional
größer gegenüber dem
BLDC-Motor mit genutetem Stator werden.
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Bevorzugt
ist eine Verwendung eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch
kommutierenden Elektromotors, der eine Luftspaltwicklung aufweist,
bei der ein Wickelkörper
in einem Luftspalt zwischen einem Statoreisenpaket und einem Rotor angeordnet
ist, für
eine Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere eine Elektrowerkzeugmaschine
mit einem schlagend und/oder drehend antreibbaren Einsatzwerkzeug,
insbesondere eine akkubetriebene Elektrowerkzeugmaschine.
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Bekannte
Elektromotoren mit Luftspaltwicklung sind schon wegen des Wickelkörpers nicht
automatisierbar und sind für
eine Serienfertigung daher nicht einsetzbar. Akkubetriebene Elektrowerkzeuge gewinnen
aufgrund fortschreitender Akkutechnologie zunehmend an Bedeutung
im Vergleich zu netzbetriebenen Geräten. Einerseits werden wesentlich mehr
Anwendungen durch Akkuerzeugnisse abgedeckt, andererseits steigt
die Leistung der Antriebe an, die Effizienz des Antriebs tritt stärker in
den Vordergrund, die Grenzen des herkömmlichen DC-Motors mit Permanentmagneterregung
werden bei vielen Anwendungen erreicht. Beispiele für betroffene Erzeugnisse
sind Schrauber, Bohrmaschinen, Schlagbohrmaschinen und Bohrhämmer, jeweils
in der oberen Leistungsklasse. Winkelschleifer und Kreissägen liegen
im Vergleich bezüglich
Leistungsanforderungen noch höher.
Nachteile des DC-Motors mit
Permanentmagneterregung sind z. B. dass die Drehzahl hinsichtlich
der Anwendungserfordernisse begrenzt ist. Gründe sind u. a. in der Kommutierung und
in der Gefahr der Entmagnetisierung bei Motorstart zu finden. Der
Arbeitspunkt liegt meist im Bereich eines deutlich reduzierten Wirkungsgrads.
Die Wärmeverluste
aus dem Anker sind schwierig abzuführen. Am Kommutierungsapparat
entstehende Verlustwärme
führt zu
Zuverlässigkeitsbeeinträchtigungen.
Erzeugnisspezifische mechanische Rückwirkungen beeinflussen die
Kommutierung und führen zu
verminderter Lebensdauer.
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Dagegen
erlaubt der vorgeschlagene Elektromotor eine Erhöhung der Drehzahl auf den doppelten
Wert eines DC-Motors gleicher Leistung. Die Leistungsdichte kann
bei bereits bestehenden Applikationen verdoppelt werden, bzw. bei
gleicher Leistung ist nur das halbe Motorvolumen notwendig. Entsprechend
kann das Gewicht verringert werden. Eventuell notwendige zusätzliche
Elektronik kann an anderer, das Bauvolumen nicht beeinflussender
Stelle untergebracht werden. Der Wirkungsgrad kann nahezu im gesamten
relevanten Arbeitsbereich auf hohen Werten gehalten werden und ist
im Optimum höher
als bei einem vergleichbaren DC-Motor. Bedingt durch den guten Wirkungsgrad
entsteht weniger Verlustwärme,
die abgeführt
werden muss. Obwohl höhere
Leistungsanforderungen gestellt werden, sind Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsprobleme
vermeidbar, da der Elektromotor und damit die Elektrowerkzeugmaschine
besonders robust und zuverlässig
ist und eine hohe Lebensdauer hat. Der Einfluss betriebstemperaturabhängiger Effekte
und erzeugnisspezifischer mechanischer Rückwirkungen auf die Funktion
der Elektrowerkzeugmaschine ist vorteilhaft vermindert.
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Es
wird eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, insbesondere eine
Elektrowerkzeugmaschine mit einem schlagend und/oder drehend antreibbaren
Einsatzwerkzeug, die einen Elektromotor mit einer Luftspaltwicklung
aufweist, insbesondere einen elektronisch kommutierenden Elektromotor, bei
der ein Wickelkörper
in einem Luftspalt zwischen einem Statoreisenpaket und einem Rotor
angeordnet ist. Durch die bauartbedingten erreichbaren hohen Drehzahlen
sowie die bauartbedingte geringe Induktivität weist der hochwertige Elektromotor
Eigenschaften auf, die anderen Elektromotoren wie BLDC-Motoren mit genutetem
Stator oder DC-Motoren mit Permanentmagneterregung überlegen
sind. Entsprechend robust und zuverlässig ist die bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine.
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Bevorzugt
können
die Spulen eines Strangs des Wickelkörpers aufeinander folgend gewickelt werden,
bevor Spulen eines anderen Strangs gewickelt werden. Die Wicklung
des Wickelkörpers
wird wickeltechnisch als fortgesetzte Reihenschaltung ausgeführt.
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Die
Elektrowerkzeugmaschine ist bevorzugt eine Handwerkzeugmaschine.
Bevorzugt ist ferner eine Handwerkzeugmaschine mit Akkubetrieb.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 einen
bevorzugten Wickelkörper;
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2 eine
Wickelschema für
einen Wickelkörper
mit 6 Spulen, 2 Polen und 3 Strängen;
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3a einen
Schnitt durch einen Wickelkörper
mit angedeuteter Lage von Spulen;
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3b einen
Längsschnitt
durch einen bevorzugten Elektromotor;
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4a–4c verschiedene
Ansichten eines herkömmlichen
Wickelkörpers
(4a, 4c) und eines bevorzugten Wickelkörpers (4b, 4d);
und
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5 eine
bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine.
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Ausführungsform der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit denselben
Bezugszeichen beziffert.
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1 zeigt
einen bevorzugten Wickelkörper 100 für einen
Elektromotor, der beispielsweise als elektronisch kommutierender,
bürstenloser
Gleichstrom-Elektromotor
(BLDC-Motor) mit Luftspaltwicklung ausgebildet ist. Der Wickelkörper ist
freitragend ausgebildet und weist ungefähr eine Topfform auf mit einem
etwa zylinderförmigen
Abschnitt 102, einem nach innen weisenden Wickelkopf 106 an
einem Ende, der einen im Zentrum offenen Boden bildet und einen
nach außen
umgelegten Wickelkopf 108, der einen wulstartigen Rand
am anderen Ende des Wickelkörpers 100 bildet. Über einen
elektrischen Kontakt 110 kann der Wickelkörper im
Betrieb bestromt werden. Im Inneren 104 des Wickelkörpers 100 ist
im eingebauten Zustand ein Rotor des Elektromotors angeordnet, dessen
Rotorwelle an beiden Enden des Wickelkörpers 100 übersteht.
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2 erläutert ein
Wickelschema, wie es für eine
dreisträngige,
zweipolige Wicklung eines Elektromotors gilt Bei einer dreisträngigen,
zweipoligen Wicklung sind zwei Spulen 12, 14 für einen
ersten Strang 10, zwei Spulen 22, 24 für einen
zweiten Strang 20 und zwei Spulen 32, 34 für einen
dritten Strang 30, also insgesamt sechs Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34 vorgesehen,
die in der gezeigten Weise miteinander verschaltet werden. An jeden
Strang 10, 20, 30 wird im Betrieb eine
elektrische Phase R, S, T zur Bestromung angelegt.
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3a und 3b zeigen
als Querschnitt und seitlicher Längsschnitt
ein Detail eines bevorzugten Elektromotors 200 ohne Lagerschilde,
Gehäuse, Kühlung und
dergleichen. Zu erkennen sind die Positionen der Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34,
sowie angedeutet ein Nordpol N und ein Südpol S eines als Rotor 120 dienenden
Permanentmagneten, der direkt auf einer Rotorwelle 122 angeordnet
ist und sich im Inneren des Wickelkörpers 100 befindet.
Die Teilspulen 12 und 14, 22 und 24, 32 und 34 des
jeweiligen Strangs 10, 20, 30 sind jeweils
sich diametral gegenüberliegend
angeordnet.
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Der
Rotor 120 besteht aus der Rotorwelle 122 und dem
auf der Rotorwelle 122 befestigten Permanentmagneten, der
als Vollmagnet, aber auch aus axial aneinandergereihten Ringen bestehend
ausgebildet sein kann und meist aus einem Selten-Erdmagnetmaterial
gebildet ist, z. B. Nd-Fe-B-Legierungen. Die Rotorwelle 122 ist
kugelgelagert, jedoch sind auch Gleitlager denkbar.
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Der
Wickelkörper 100 ist
in einem Luftspalt 140 zwischen einem radial äußeren Statoreisenpaket 132 eines
Stators 130 und dem Rotor 120 angeordnet und lässt die
Topfform erkennen, wie sie vorstehen in 1 beschrieben
wurde, auf die zur weiteren Beschreibung der Details des Wickelkörpers 100 verwiesen
wird. Der Stator 130 umfasst das Statoreisenpaket 132 und
den Wickelkörper 100.
Zwischen einer Innenkontur des Wickelkörpers 100 und dem
Rotor 120 ist ein mechanischer Luftspalt 124 angeordnet.
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Der
bevorzugte Elektromotor 200 zeichnet sich durch eine geringe
Induktivität
und hohe Drehzahlen aus. Durch die Herstellart der Wicklung ist
der Motor besonders geeignet für
einen großen
Bereich von Statordurchmessern, von ca. 20 mm bis über 40 mm
und kann daher für
eine Vielzahl von Anwendungen geeignet hergerichtet werden.
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Die
Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34 eines Strangs 10, 20, 30 des
Wickelkörpers 100 sind
unmittelbar aufeinander folgend mit einer einzigen Litze gewickelt.
Dadurch verändert
sich die Lage der Litzendrähte
in dem in 1 und 2 beschriebenen Wickelkörper 100,
wie es anschaulich den 4a bis 4d zu
entnehmen ist. Die 4a zeigt einen herkömmlich gewickelten
Wickelkörper 100a ab
bodenseitigen und 4c am erweiterten Ende mit nach außen gelegten
Wickelkopf 108a, während
die 4b einen bevorzugten Wickelkörper 100 von seinem
Boden 106 her und die 4d von
seinem erweiterten Ende mit nach außen umgelegten Wickelkopf 108 zeigt.
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Gemäß einem
bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Wickelkörpers 100 werden
die Spulen 12, 14 des ersten Strangs 10 direkt
aufeinander folgend gewickelt, dann die Spulen 22, 24 des
zweiten Strangs 20 und dann die Spulen 32, 34 des
dritten Strangs 30 direkt aufeinander folgend gewickelt. Die
gesamte Wicklung des Wickelkörpers 100 wird mit
einer einzigen Litze hergestellt, wobei die Litze beim Übergang
von der Spule 12, 14 des ersten Strangs 10 zu
den Spule 22, 24 des zweiten Strangs 20 und
dann zu den Spulen 32, 34 des dritten Strangs 30 zusammenhängend bleibt
und während des
Wickelns nicht getrennt wird. An den jeweiligen Spulenenden wird
die Litze während
des Wickelns dabei als Schlaufe aus der Wicklung geführt. Die Schlaufen
werden erst nach dem Wickeln aufgetrennt.
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Die 4b und 4d zeigen
deutlich, dass die Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34 jeweils
eine Strangs 10, 20, 30 sich jeweils
gegenüberliegen.
So bilden die äußersten
Windungsbereiche z. B. der Spule 12 und der Spule 14 des
ersten Strangs 10 die Außenseite des bodenseitigen,
nach innen weisenden Wickelkopfes 106. In der Ansicht sind
die Bereiche jeweils etwa halbmondförmig ausgebildet. Dazwischen sind
die erste Spule 22 und die zweite Spule 24 des zweiten
Strangs 20 zu erkennen; die Spulen 32, 34 des
dritten Strangs 30 sind verdeckt und nicht erkennbar. Entsprechend
ist die Ansicht am anderen Ende des Wickelkörpers 100 mit dem
nach außen umgelegten
Wickelkopf 108.
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5 zeigt
schließlich
eine bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine 210 für Akku-
oder Netzbetrieb in Form einer Elektrowerkzeugmaschine mit schlagend
und/oder drehend antreibbarem Einsatzwerkzeug 212. Die
Elektrowerkzeugmaschine 210 weist einen bevorzugten Elektromotor 200 mit Luftspaltwicklung
auf, der mit einem Wickelkörper 100 ausgestattet
ist, wie er vorstehend in den 1 bis 3 beschrieben wurde. Die Elektrowerkzeugmaschine 210 kann
insbesondere eine hoch beanspruchbare Elektrowerkzeugmaschine 210,
etwa ein Industrieschrauber, ein Akkuschrauber oder ein Bohrhammer
sein.
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Der
Elektromotor 200 ist vorzugsweise in einer Dreieckschaltung
verschaltet. Ein BLDC-Motor benötigt
einen Dreiphasen-Wechselstrom. Bei einer akkubetriebenen Elektrowerkzeugmaschine 210 erfolgt
die Ansteuerung der einzelnen Motorwicklungen über einen dreiphasigen Stromrichter.
Dieser ersetzt den mechanischen Kommutator des permanentmagneterregten
DC-Motors.