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Die
Erfindung betrifft eine Spule sowie Verfahren zur Herstellung von
Spulen.
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Aus
der Druckschrift
DE
44 32 739 B4 ist ein induktives elektrisches Bauteil bekannt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spule anzugeben, die
eine Wicklung aufweist, die möglichst nahe an die theoretisch
ideale Wicklung heranreicht.
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Die
Aufgabe wird durch eine Spule nach Patentanspruch 1 gelöst.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch
12 sowie ein Verfahren nach Patentanspruch 24 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Hochleistungsspule beziehungsweise der Verfahren
zur Herstellung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Es
wird eine Spule angegeben, die wenigstens vier elektrische Leitungen
umfasst. Die elektrischen Leitungen sind um ein gemeinsames Wickelzentrum
gewickelt. Über die gesamte Länge der Spule weist
jede der wenigstens vier elektrischen Leitungen einen konstanten
Abstand zu dem Wickelzentrum der Spule auf. Unter dem Wickelzentrum
ist der jeweilige geometrische Mittelpunkt der Wicklungen zu verstehen. Über
die gesamte Länge der Spule betrachtet, entspricht das
Wickelzentrum beispielsweise der Längsachse der Spule.
Die einzelnen Wicklungen einer jeden einzelnen elektrischen Leitung
sind über die gesamte Länge der Spule nebeneinander angeordnet.
Die Wicklungen der nach außen hin nächsten benachbarten
elektrischen Leitung sind direkt über den Wicklungen der
weiter innen angeordneten elektrischen Leitungen angeordnet. Der
Abstand der ersten elektrischen Leitung ist über die gesamte
Länge der Spule konstant. Die Abstände der weiteren
elektrischen Leitungen weisen entsprechen ihrer Lage einen größeren
Abstand zum Wickelzentrum auf, wobei der Abstand jeder einzelnen
elektrischen Leitung über die gesamte Länge der
Spule vorzugsweise konstant bleibt.
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Vorzugsweise
sind die elektrischen Leitungen im Bereich der Wicklungen der Spule
gegeneinander isoliert. Durch die gegenseitige Isolation der Leitungen
werden Wirbelstromverluste auf ein Minimum reduziert.
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Vorzugsweise
am jeweiligen Ende der Spule sind die wenigstens vier elektrischen
Leitungen miteinander elektrisch leitend verbunden, so dass die Leitungen
vorzugsweise parallel geschaltet sind. Zur Parallelschaltung der
elektrischen Leitungen werden die elektrischen Leitungen vorzugsweise
wenigstens an den Enden der Spule mittels Lötbrücken
miteinander verbunden. Die durch die einzelnen elektrischen Leitungen
fließenden Ausgleichsströme werden somit innerhalb
der Wicklung minimiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule besonders
für Hochfrequenzanwendungen geeignet. Es ist jedoch auch
möglich, dass die Spule beispielsweise bei hohen Strömen
eingesetzt wird. Hierbei wird der Strom der die Spule durch fließt
auf die wenigstens vier parallel verlaufenden elektrischen Leitungen
aufgeteilt. Durch die nahezu ideale Art der Wicklungen kann die
Spule in nahezu jedem Bereich eingesetzt werden, in dem derartige
Spulen benötigt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die elektrischen
Leitungen miteinander verdrillte Einzeldrähte. Hierbei
handelt es sich vorzugsweise um verdrillte Litzen mit dünnen
Einzeldrähten. Jeder stromdurchflossene elektrische Leiter
weist eine bestimmte Induktivität aufgrund des ihn umgebenden,
durch den Strom hervorgerufenen Magnetfeldes auf. Zur Steigerung
der Induktivität kann der elektrische Leiter mit einer
bestimmten Anzahl Windungen versehen werden. Durch die magnetische Verkettung
(Flussverkettung) der einzelnen Windungen untereinander, bedingt
durch die räumlich nahe Anordnung der einzelnen Windungen,
steigt die Induktivität von gewickelten Spulen im Quadrat
mit der Windungsanzahl. Durch die Verdrillung der Einzeldrähte
in einer elektrischen Leitung wird zumindest teilweise eine Überlagerung
gegensinniger Magnetfelder erreicht, wobei die Magnetfelder damit
teilweise ausgelöscht werden.
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Die
Spule ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass die Spule, durch miteinander
mechanisch verbundene elektrische Leitungen, die um ein Wickelzentrum
gewickelt sind, eine selbsttragende Form aufweist. Die selbsttragende
Form der Spule wird vorzugsweise durch die untereinander mechanisch verbundenen
elektrischen Leitungen erreicht. Die Spule benötigt daher
vorzugsweise keinen Spulenkörper, der die Stabilität
der Spule aufrechterhält.
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Die
elektrischen Leitungen sind wenigstens teilweise mechanisch fest
miteinander verbunden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden die elektrischen
Leitungen in regelmäßigen oder auch in unregelmäßigen
Abständen mechanisch untereinander verbunden. Durch die untereinander
verbundenen elektrischen Leitungen, die um ein gemeinsames Wickelzentrum
gewickelt sind, erreicht die Spule eine selbsttragende Stabilität
ihrer Form.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen die elektrischen
Leitungen in regelmäßigen Abständen mechanische
Verbindungen untereinander auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform reicht es aus, wenn die
einzelnen Leitungen nur punktuell miteinander verbunden sind. Eine
vollständige mechanische Verbindung der elektrischen Leitungen über
die gesamte Länge der Spule ist hierbei nicht notwendig.
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Zur
mechanischen Verbindung der Leitungen können diese beispielsweise
mit einem thermoplastischen Kunststoff umhüllt sein, der
beim Aufheizen zum Beispiel mittels Infrarotlicht oder eines heißen
Luftstroms weich wird und anschließend entformt und die
Leitungen miteinander verbindet. Drähte, die mit einem
thermoplastischen Kunststoff umhüllt sind, werden auch
als Backlackdrähte bezeichnet.
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In
einer weiteren Ausführungsform können die elektrischen
Leitungen beispielsweise durch Auftragen UV-härtender Klebstoffe
miteinander verbunden werden. Das Auftragen des UV-härtenden
Klebstoffs kann beispielsweise erfolgen, während sich die einzelnen
Leitungen auf einer Führungsrolle befinden. Alternativ
kann das Auftragen eines UV-härtenden Klebstoffs kurz nach
dem Ablösen von der Führungsrolle erfolgen. Die
Aushärtung des Klebstoffs erfolgt dabei beispielsweise
mittels UV-Licht, das beispielsweise mittels eines UV-LED-Arrays
erzeugt wird. Alternativ kann eine Blitzlampe eingesetzt werden,
wobei die Aushärtung durch das UV-Licht innerhalb von 200
ms erfolgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die mechanische Verbindung
der Leitungen beispielsweise durch Verkleben mittels eines untergelegten Klebefolienstück
ausgeführt sein. Die Verklebung mittels Klebefolie kann
beispielsweise kurz vor einer ersten Andruckrolle mit der nach oben
gerichteten Klebstoffschicht im Bereich der Führungsrolle
erfolgt sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform können die Leitungen
beispielsweise durch Verweben mit einem Kunststoffgarn verbunden
werden. Für das Kunststoffgarn eignet sich beispielsweise
Polyester als Basismaterial. In einer weiteren Ausführungsform kann
das Kunststoffgarn beispielsweise mit einer Backlackschicht oder
einem druckempfindlichen Kleber versehenen sein. Das Kunststoffgarn
ist beispielsweise mittels eines Luftstroms zwischen die einzelnen
Leitungen eingeschossen. Die elektrischen Leitungen verbinden sich
mit dem Kunststoffgarn beispielsweise zusätzlich mittels
Druck. Alternativ können sich die elektrischen Leitungen
durch Erhitzen mit dem Garn verbinden.
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Die
oben genannten Möglichkeiten zur Verbindung der Leitungen
können in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann die Spule als Spulenquerschnitt
eine runde, elliptische oder rechteckige Form aufweisen. Um den kleinstmöglichen
elektrischen Widerstand zu erreichen, ist jedoch eine kreisrunde
Form die bestmögliche Form.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen die inneren elektrischen
Leitungen der Spule eine Länge auf, die kürzer
ist als die Länge der nächsten nach außen
hin benachbarten elektrischen Leitung. Die parallel geführten
Leitungen sind vorzugsweise derart miteinander verbunden, dass die Länge
der äußersten Leitung länger ist als
die Länge der nach innen hin benachbarten Leitung, wobei
die Länge der elektrischen Leitungen somit nach innen hin
abnimmt.
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Durch
die unterschiedlichen Längen der elektrischen Leitungen,
die untereinander mechanisch verbunden sind, weisen die elektrischen
Leitungen nach dem Verbinden somit eine gebogene Form auf. Die derart
miteinander verbundenen Leitungen verlaufen in Form eines schneckenförmiges Band,
das in etwa der Form einer archimedischen Schraube entspricht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen die jeweiligen
Enden der elektrischen Leitungen elektrische Kontakte auf. Der Anfang
und das Ende jeder Leitung ist vorzugsweise als Anschlussstift ausgebildet.
Bei geringen mechanischen Belastungen reichen diese Anschlussstifte
aus, um eine Montage des Bauelements zu ermöglichen. Bei
einer Anordnung der Spule mit einem Ferritkern können die
Enden beispielsweise als SMD-Lötflächen an den
Ferritkern geformt sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Enden
der elektrischen Leitungen jeweils mit separaten Kontaktstiften
verbunden. Durch die zusätzlichen Kontaktstifte beziehungsweise
Lötstifte können höhere mechanische Belastungen
auf die Kontakte einwirken, ohne dass die Enden ihre ursprüngliche
Position und Form ändern.
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Der
Innendurchmesser einer wie zuvor beschriebenen Spule kann durch
die zuvor beschriebene Art der Wicklung und die selbsttragende Eigenschaft
auf ein Minimum reduziert werden.
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Die
Spule kann bereits als Luftspule, die durch eine zuvor beschrieben
Wicklung erreicht wird, als Bauelement eingesetzt werden. Die Spule
weist hierbei keinen zusätzlichen Spulenkörper
auf, der zur Erhöhung der Stabilität beitragen
würde. Somit steht der theoretisch verfügbare
Wickelraum vollständig zur Verfügung. Somit steht
ein größerer nutzbarer Wickelraum zur Verfügung.
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Da
kein zusätzlicher Spulenkörper zur Stabilisierung
der Spule notwendig ist, sind extrem dünne Windungen erreichbar.
Im Unterschied zu herkömmlichen Flachwicklungen kann eine
große Anzahl an elektrischen Leitungen in einer Wicklung
untergebracht werden.
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Dies
ist beispielsweise besonders für den Aufbau von Lampendrosseln
vorteilhaft. Der Aufbau von Lampendrosseln erfordert relativ große
Windungszahlen, die in flache Ferritkerne eingebaut werden, damit
eine gewünschte Schaltfrequenz von beispielsweise 45 kHz
erreicht werden kann. Die Bauhöhe der Drosselspulen wird
jedoch durch die relativ niedrige Höhe der verwendeten
Standardgehäuse eingeschränkt.
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In
einer weiteren Ausführungsform können beispielsweise
mehrere wie oben beschriebene Spulen mit unterschiedlichen Durchmessern
ineinander gesteckt werden beziehungsweise übereinander
gelegt werden. Die Spulen sind dabei galvanisch voneinander getrennt
und weisen somit Wicklungen auf, die magnetisch gekoppelt sind.
Somit ist es möglich, durch Verwendung von zwei Spulen
ein Bauelement zu bilden, das die Funktion eines Transformators
aufweist. Zur sicheren Trennung zwischen den einzelnen Spulen können
beispielsweise röhrenförmige Abstandshalter aus
Kunststoff zwischen die einzelnen Spulen eingeführt sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die Spule beispielsweise
durch das Einweben von Garnen aus Polyester oder Nylon, die in geeigneter
Weise in die Leitungen mit eingebracht sind, die Funktion eines
Transformators aufweisen. In dieser Ausführungsform weist
die Spule beispielsweise eine innere Lage von Wicklungen eines oder
mehrerer elektrischer Leiter auf, die von einer oder mehreren Lagen von
Wicklungen eines isolierenden Materials gefolgt sind. Anschließend
folgt wieder eine oder mehrere Lagen von Wicklungen eines elektrischen
Leiters.
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Zur
Erhöhung der Induktivität von Spulen werden häufig
so genannte Ferritkerne eingesetzt. Der Ferritkern wird hierbei
vorzugsweise derart angeordnet, dass die Wicklungen der Spule um
den Ferritkern herumgeführt sind. Ferritkerne können
als Ringkerne, Stabkerne oder in beliebig anderer Form ausgeführt
sein. Ein Luftspalt (engl. air gap) im ansonsten geschlossenen Verlauf
eines Ferritkernes verringert die magnetische Flussdichte des Kerns
erheblich und bewirkt dadurch z. B. eine Linearisierung der Magnetisierungskennlinie,
gemäß dem Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke
und magnetischer Flussdichte, des Bauteils. Die magnetische Sättigung
des Kernwerkstoffes tritt dadurch erst bei wesentlich höheren
Feldstärken ein. Im Luftspalt von Speicherdrosseln ist
ein wesentlicher Teil der magnetischen Energie gespeichert.
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Bei
der Verwendung von Ferritkernen mit drei Schenkeln, wie beispielsweise
E-Kernen, die vorzugsweise im Bereich zwischen den beiden Mittelschenkeln
einen großen Luftspalt aufweisen, ist es für den
Aufbau besonders verlustarmer Transformatoren oder Speicherdrosseln
erforderlich, dass die Wicklungen einen bestimmten Mindestabstand
zum Luftspalt einhalten. Zu diesem Zweck werden häufig Spulenkörper
mit einem kissenförmigen Bereich der Spule verwendet. Unter
einem Kissen ist ein Bereich der Spule zu verstehen, bei dem sich
im Bereich des Luftspalts zwischen zwei Ferritkernen keine oder
wenige Wicklungen befinden. Ein derartiges Kissen kann mit der zuvor
beschriebenen Spule erreicht werden, indem man beispielsweise die
Wicklungen im Bereich des Luftspaltes auseinander zieht. Durch das
gezielte Strecken der Spule erreicht man, dass sich im Bereich des
Luftspaltes nur wenige Wicklungen der Spule befinden. Um die Spule
dabei im Bereich des Kissens zu stabilisieren, kann beispielsweise
in diesem Bereich ein kreissegmentförmiges Kunststoffteil
angeordnet sein. Das Kunststoffteil kann beispielsweise in den Bereich
des Luftspaltes eingeschoben sein.
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Zur
Fixierung der Spule kann die vorzugsweise gepresste Spule beispielsweise
mit einer zusätzlichen Vergussmasse versehen sein. Die
Vergussmasse dient zum einen als isolierende Schutzschicht. Des
Weiteren weist die Spule durch die Schicht aus Vergussmasse eine
weitere Stabilisierung auf.
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Zur
Herstellung einer wie oben beschriebenen Spule werden wenigstens
vier elektrische Leitungen mittels wenigstens einer ersten und einer
zweiten kegelförmigen Andruckrolle auf eine vorzugsweise
kegelförmige Führungsrolle gedrückt.
Die Führungsrolle weist Führungen auf, die vorzugsweise konzentrisch
um die Rotationsachse der Führungsrolle angeordnet sind.
Vorzugsweise weist die Führungsrolle die Form eine Kegelstumpfs
auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform können die Führungen
als rillenförmige, konzentrische Vertiefungen auf der Führungsrolle
angeordnet sein. Jede der wenigstens vier elektrischen Leitungen
wird in einer separaten Führung der Führungsrolle
geführt. Die elektrischen Leitungen werden vorzugsweise
während des Umlaufens der Führungsrolle miteinander
mechanisch verbunden. Nach dem Umlaufen der Führungsrolle
weisen die elektrischen Leitungen die Form eines schraubenförmigen
Bandes auf.
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Durch
das mechanische Verbinden der einzelnen Leitungen und durch das
Umlaufen der Führungsrolle verbiegen sich die elektrischen
Leitungen automatisch zu einem schraubenförmigen Band.
Bei einem theoretisch endlos langen Band von derart verknüpften
Leitungen würde sich ein schraubenförmiges Endlosband
bilden, das Ähnlichkeit mit einer archimedischen Schraube
aufweist.
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Die
Andruckrollen sind vorzugsweise hinsichtlich Form und Größe
passgenau an die Führungsrolle angebracht. Die erste Andruckrolle
führt die elektrischen Leitungen mit der dem jeweiligen
Radius der Führungsrolle entsprechenden Geschwindigkeit
an die Führungsrolle heran. Zur sicheren Führung
der einzelnen elektrischen Leitungen in den Führungen der
Führungsrolle ist die zweite Andrucksrolle ebenfalls passgenau
an die Führungsrolle angepasst.
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Vorzugsweise
beim Umlaufen der Führungsrolle werden die Leitungen mechanisch
miteinander verbunden. Das Verbinden der einzelnen Leitungen kann
beispielsweise gemäß den zuvor beim Bauelement
beschriebenen Alternativen erfolgen Zur weiteren Fixierung kann
die vorzugsweise gepresste Spule nach dem Wickeln in einen Trog
mit Vergussmasse eingetaucht werden. Dadurch entsteht eine Schutzschicht,
durch die der Wickel weiter fixiert wird. Der Wickel erhält
somit auch eine isolierende Schutzschicht.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung einer Spule stellt ein Verfahren
dar, bei dem wenigstens vier elektrische Leitungen mittels einer
Drahtführung um eine rotierende Achse eines Wickelwerkzeugs gewickelt
werden. Hierbei weist jede der wenigstens vier elektrischen Leitungen
eine separate Drahtführung auf. Vorzugsweise sind die einzelnen
Drahtführungen in einem einzigen Bauteil nebeneinander
angeordnet. Die elektrischen Leitungen werden in einer Wickelebene,
die senkrecht zur Rotationsachse des Wickelwerkzeugs angeordnet
ist, um die Rotationsachse aufgewickelt. Mit wachsender Wicklungszahl wird
die Drahtführung parallel zur Rotationsachse geführt,
sodass ein Wickel entsteht. Die elektrischen Leitungen werden vorzugsweise
während des Wickelns mechanisch miteinander verbunden.
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Zu
Beginn des Wickelverfahrens werden die ersten Enden der elektrischen
Leitungen in einer Führung eines ersten Wickelwerkzeuges
eingelegt. Die Führung kann beispielsweise durch einen
Schlitz oder eine Vertiefung in dem Wickelwerkzeug gebildet sein.
Mittels beispielsweise eines Magneten werden die elektrischen Leitungen
in der Vertiefung fixiert.
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Der
Innendurchmesser der aufzuwickelnden Spule wird durch den Außendurchmesser
der rotierenden Achse bestimmt, um den die Leitungen gewickelt werden.
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Bevorzugt
bewegt sich die Drahtführung mit der Geschwindigkeit in
Wickelrichtung, mit der der bereits aufgespulte Wickel wächst.
Ein an der Drahtführung angeordnetes Schild, das konzentrisch
um die Rotationsachse angeordnet ist, kann beispielsweise dazu dienen,
dass auf den bereits fertig gewickelten Bereich der Spule Druck
ausgeübt wird, sodass sich die Lage dieses Bereiches nicht
mehr verändern kann. Sobald die Drahtführung das
Ende der aufzuwickelnden Spule erreicht hat, können die Drahtenden
beispielsweise manuell in weitere schlitzförmige Vertiefungen
eines zweiten Wickelwerkzeuges eingebracht werden. Das zweite Wickelwerkzeug
ist mit dem ersten Wickelwerkzeug über beispielsweise eine
Kupplung miteinander verbunden und rotiert in der gleichen Geschwindigkeit
und mit der gleichen Drehrichtung, wie das erste Wickelwerkzeug.
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Zur
Fixierung des Wickels wird beispielsweise bei Verwendung von Leitungen,
die mit einer thermoplastischen Kunststoffschicht umhüllt
sind, der Wickel während des Wickelns mit einem Infrarotstrahler oder
einem heißen Luftstrom über die Erweichungstemperatur
der thermoplastischen Kunststoffschicht erhitzt. Der Wickel kann
nach dem Abkühlen unter die Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffschicht
aus dem Form gebenden Wickelwerkzeug genommen werden. Die zuvor
an die Vertiefungen der Wickelwerkzeuge eingelegten Enden werden
aus diesem hierbei herausgenommen.
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Alternativ
kann die Spule beispielsweise mittels eines schnell härtenden
Klebstoffes, der während des Wickelns mit eingebracht wird,
fixiert werden. Hierbei können Leitungen beliebigen Typs
verwendet werden. Der Klebstoff kann beispielsweise den kompletten
Wickel durchsetzen. In einer weiteren Ausführungsform können
auch nur das Ende oder der Anfang des Wickels mit einer Klebstoffschicht
durchsetzt sein. Bei Verwendung von Wickelwerkzeugen, die aus Teflon
bestehen, können beispielsweise auch Acrylatklebstoffe
oder Epoxydharze eingesetzt werden, ohne dass es zu Problemen beim
Entformen kommt.
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Zur
weiteren Fixierung kann die vorzugsweise gepresste Spule nach dem
Wickeln in einen Trog mit Vergussmasse eingetaucht werden. Dadurch
entsteht eine Schutzschicht, durch die der Wickel weiter fixiert
wird. Der Wickel erhält somit auch eine isolierende Schutzschicht.
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Die
zuvor beschriebene Spule wird vorzugsweise als Hochfrequenzdrossel
im Bereich von 30 kHz bis weit über 5 MHz eingesetzt.
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Durch
den kapazitätsarmen Aufbau der Spule durch die Verwendung
von beispielsweise verdrillten Litzen, die übereinander
gestapelt sind, wird ein hoher Q-Faktor erreicht.
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Durch
die Verwendung von verdrillten Litzen wird eine Verringerung des
Proximityeffekts erreicht. In einer Ausführungsform werden
Litzen mit 30 bis 50 Twists/Meter eingesetzt. Bevorzugt werden Litzen mit
einer Anzahl von vorzugsweise bis zu 200 Twists pro Meter eingesetzt.
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Die
Spule weist bei geringen Frequenzen im Vergleich zu einem Flachwickel
einen hohen DC-Widerstand auf. Bei hohen Frequenzen steigt der HF-Widerstand
jedoch nicht so stark an, wie der von Flachwickeln oder herkömmlichen
Wicklungen (Lagenwicklungen). Ein lagenförmiger Wickel
mit beispielsweise 27 Windungen weist auf beispielsweise einem Kern
in Bauform RM6 aus dem Material N49, bei einem Luftspalt von 0,4
mm und bei einer Frequenz von 350 kHz einen Widerstand von 0,78
Ohm und bei 750 kHz einen Widerstand von 2,86 Ohm auf. Ein wie zuvor
beschriebener Wickel weist bei gleicher Windungsanzahl und gleichem
Kern bei 350 kHz einen Widerstand von 1 Ohm auf, bei 750 kHz jedoch nur
einen Widerstand von 2 Ohm.
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Bedingt
durch den höheren Q-Faktor weist die Spule bei hohen Frequenzen
(z. B. 500 kHz) eine schmalere und höhere Resonanzkurve
bei Anregung auf der 3., 5. und 7. Oberwelle auf.
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Die
oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden
Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne
Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch
verzerrt dargestellt sein. Elemente die einander gleichen oder die
die gleichen Funktionen übernehmen, sind mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau einer Spule,
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2 zeigt
einen schematischen Aufbau der Wicklungen einer Spule,
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3 zeigt
schematisch eine erste Vorrichtung zur Herstellung einer Spule,
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4 zeigt
schematisch eine weitere Vorrichtung zur Herstellung einer Spule.
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Die 1 zeigt
eine schematische Skizze einer ersten Ausführungsform einer
Spule 1. Mehrere elektrische Leitungen 2, 2' sind
um ein gemeinsames Wickelzentrum 3 gewickelt. Der Abstand
d der elektrischen Leitung 2 zur Längsachse der
Spule 1 ist über die gesamte Länge der
Spule 1 gleich groß. Die Abstände der
weiteren elektrischen Leitungen 2' zur Längsachse
der Spule 1 sind ebenfalls über die gesamte Länge
der Spule 1 annähernd konstant. Die Spule 1 weist
einen Innendurchmesser D1 auf, der über die gesamte Länge
der Spule 1 annähernd gleich groß ist.
Die elektrischen Leitungen 2, 2' einer Wickelebene
sind vorzugsweise gleichmäßig übereinander
angeordnet. Durch ein gemeinsames Aufwickeln der elektrischen Leitungen 2, 2' erreicht
man, dass die elektrischen Leitungen 2, 2' direkt übereinander
zu liegen kommen. Vorzugsweise am Anfang und am Ende der Spule 1 sind
die elektrischen Leitungen 2, 2' elektrisch miteinander
verbunden. Die elektrischen Leitungen 2, 2' sind über
die gesamte Länge der Spule 1 parallel zueinander
angeordnet. Die Spule 1 weist vorzugsweise am Anfang und
am Ende einen elektrischen Kontakt 4 auf, über
den die Spule 1 elektrisch angeschlossen werden kann.
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Durch
die Wicklungen der elektrischen Leitungen 2, 2' weist
die Spule 1 eine ausreichend große Stabilität
auf, so dass die Spule 1 ohne einen zusätzlichen
Spulenkörper auskommt. In dem Wickelzentrum 3 der
Spule 1 kann ein Ferritkern 5 eingeschoben sein.
Alternativ kann die Spule 1 auch beispielsweise auf die
Arme eines Ferritkerns, der eine E-Form aufweist, geschoben sein.
Vorzugsweise im Bereich des Luftspalts der E-Kerne, ist die Spule 1 auseinander
gezogen, so dass im Bereich des Luftspalts der E-Kerne eine Art
Kissen entsteht. Im Bereich des Kissens befinden sich Idealerweise
keine, beziehungsweise möglichst wenige Windungen.
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In
der 1 ist ein Teil der Windungen als Bereich A markiert.
Der Bereich ist in der 2 vergrößert
dargestellt.
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In 2 ist
ein Ausschnitt der Spule aus 1 dargestellt.
Die elektrischen Leitungen 2, 2' sind in der 2 als
Litzen dargestellt. Dabei weist jede der Litzen ca. 12 einzelne
Drähte auf, die ineinander verdrillt sind. Die elektrischen
Leitungen 2, 2' können jedoch auch aus
einzelnen Drähten, rechteckigen Flachdrähten oder
anderen Drahtformen bestehen. Die einzelnen elektrischen Leitungen 2, 2' sind
exakt übereinander angeordnet. Der Abstand der ersten elektrischen
Leitung 2 zum Wickelzentrum der Spule 1 ist über
die gesamte Länge annähernd gleich groß.
Direkt über der ersten elektrischen Leitung 2 ist
eine zweite 2' und weitere elektrische Leitungen angeordnet,
die gemeinsam mit der ersten elektrischen Leitung 2 um
ein gemeinsames Wickelzentrum gewickelt sind.
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Die 3 zeigt
schematisch eine erste möglich Anordnung zur Herstellung
einer Spule 1, die in 1 und 2 dargestellt
ist. Zur Herstellung einer Spule 1 werden mehrere elektrische
Leitungen 2, 2' über eine Drahtführung 100 zu
einer ersten Andruckrolle 11 geführt. Die erste
Andruckrolle 11 drückt die elektrischen Leitungen 2, 2' auf
Führungen 13 einer Führungsrolle 12.
Die erste Andruckrolle 10 ist in der Form an die Führungsrolle 12 angepasst
und rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Führungsrolle.
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Die
Führungsrolle 12 weist in der dargestellten Anordnung
eine kegelförmige Gestalt auf. Die elektrischen Leitungen 2, 2' werden
dabei auf unterschiedlich großen konzentrischen Führungsrillen
um die Führungsrolle 12 geführt. Durch
die Kegelform der Führungsrolle werden die elektrischen
Leitungen 2, 2' mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
um die Führungsrolle 12 geführt. Um die
elektrischen Leitungen 2, 2' für ca.
eine Viertel Umdrehung auf der Führungsrolle 12 zu
führen, ist eine zweite Andruckrolle 11 in einem
Winkel von ca. 90° zur ersten Andruckrolle 10 angeordnet.
Die zweite Andruckrolle 11 ist wie die erste Andruckrolle 10 an
die Form und Größe der Führungsrolle 12 angepasst
und rotiert mit der gleichen Geschwindigkeit.
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Zwischen
der beiden Andruckrollen 10, 11 werden die elektrischen
Leitungen 2, 2' mittels eines Infrarot-Linienstrahlers 15 mechanisch
miteinander verbunden. Die elektrischen Leitungen 2, 2' weisen beispielsweise
eine thermoplastische Kunststoffumhüllung (Backlackdrähte)
auf, die sich bei Erwärmung miteinander verkleben.
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Die
erste Andruckrolle 10 kann dafür beispielsweise
zusätzlich beheizt sein, so dass die thermoplastische Kunststoffumhüllung
(Backlackschicht) im Bereich der ersten Andruckrolle 10 bis
leicht unterhalb der Erweichungstemperatur der Kunststoffumhüllung
erwärmt wird. Mittels Infrarotlicht oder mit einem heißen
Luftstrom werden die einzelnen elektrischen Leitungen 2, 2' untereinander
mechanisch verbunden. Zum Abkühlen der Kunststoffumhüllungen ist
beispielsweise die Führungsrolle 12 und/oder die zweite
Andruckrolle 11 gekühlt.
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Alternativ
können die elektrischen Leitungen 2, 2' auch
mittels eines UV-härtenden Klebstoffs untereinander verbunden
werden. Das Auftragen des Klebstoffs kann beispielsweise erfolgen,
solange sich die elektrischen Leitungen 2, 2' in
den Führungen der Führungsrolle 12 befinden.
Alternativ kann der Klebstoff auch kurz nach dem Verlassen der Führungsrolle 12 auf
die elektrischen Leitungen 2, 2' aufgetragen werden.
Die Aushärtung des Klebstoffs erfolgt dabei mittels UV-Licht
aus einem UV-LED-Array oder einer Blitzlampe vorzugsweise innerhalb
von 200 ms.
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Um
die elektrischen Leitungen 2, 2' mechanisch untereinander
zu verbinden, können auch Klebstreifen verwendet werden.
Die Klebstoffstreifen werden hierzu lediglich kurz vor der ersten
Andruckrolle auf die Führungsrolle 12 mit der
nach oben gerichteten Klebeschicht gelegt.
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Um
eine ausreichende Stabilität der Spule 1 zu erreichen,
ist es ausreichend, wenn die einzelnen elektrischen Leitungen 2, 2' nur
punktuell miteinander verbunden werden. Dabei reicht es aus, wenn
die elektrischen Leitungen 2, 2' in regelmäßigen
Abständen untereinander verbunden werden.
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Nach
dem Umlaufen der Führungsrolle 12 weisen die mechanisch
miteinander verbundenen elektrischen Leitungen 2, 2' eine
schraubenförmige Gestalt auf. Die schraubenförmige
Gestalt kommt dadurch zustande, da die Länge der äußersten
elektrischen Leitung 2 länger ist als die Länge
der benachbarten elektrischen Leitung 2'. Die nach innen
nächst benachbarte elektrische Leitung 2, 2' ist
immer jeweils kürzer. Werden die elektrischen Leitungen 2, 2' endlos
derart verknüpft, so bildet sich ein schneckenförmiges
Endlosband – ähnlich einer Archimedischen Schraube.
Das Endlosband kann, wie in 3 dargstellt,
beispielsweise in einem mitdrehenden Auffangbecher 14 gesammelt
werden. Durch die Schwerkraft legen sich die Windungen automatisch übereinander, wodurch
der entstehende Wickel komprimiert wird. Nach dem Erreichen der
gewünschten Wicklungszahl kann das Endlosband durchtrennt
werden. Eine weitere Komprimierung des lockeren Wickels im Auffangbecher 14 kann
beispielsweise durch einfaches Pressen erfolgen. Alternativ kann
der Wickel auch mittels eines Schrumpfschlauchs weiter komprimiert werden.
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In 4 ist
schematisch eine weitere Anordnung zur Herstellung einer Spule 1 dargstellt.
Hierzu werden mehrere elektrische Leitungen 2, 2' mittels eines
zweiteiligen Wickelwerkzeuges 102, 103 um eine
rotierende Achse 101 gewickelt. Die Enden der elektrischen
Leitungen 2, 2' werden in schlitzförmige Vertiefungen 105 des
ersten Wickelwerkzeugs 102 gelegt und mittels eines Magneten 106 fixiert.
Die beiden Hälften der Wickelwerkzeugs 102, 103 werden
mit gleicher Geschwindigkeit und Drehrichtung in Rotation gesetzt.
Um eine Synchronisierung der beiden Wickelwerkzeuge 102, 103 zu
erreichen, sind die beiden Hälften des Wickelwerkzeugs 102, 103 mittels
einer Kupplung 107 miteinander verbunden. Es ist jedoch
auch möglich, die Synchronisierung der beiden Hälften
mittels anderer technischer Vorrichtungen zu erreichen.
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Das
formgebende Wickelwerkzeug 102, 103 ist zweiteilig,
damit der fertige Wickel nach dem Wickeln leicht aus dem Wickelwerkzeug 102, 103 genommen
werden kann. Die rotierende Achse 101 weist vorzugsweise
den Außendurchmesser D2 auf, der dem Innendurchmesser D1
der zu wickelnden Spule 1 entspricht.
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Zur
Führung der elektrischen Leitungen 2, 2' ist
im Bereich der rotierenden Achse 101 eine Drahtführung 100 angeordnet.
Mittels der Drahtführung 100 werden die elektrischen
Leitungen 2, 2' in der Wickelebene übereinander
um die rotierende Achse 101 gewickelt. Hierbei wird die
elektrische Leitung 2', die den geringsten Abstand d zum
Wickelzentrum, das hier durch die rotierende Achse 101 gebildet
ist, aufweist, mit einer geringeren Geschwindigkeit um die rotierende
Achse 101 geführt als weiter außen angeordnete
elektrische Leitungen 2. Die Länge der weiter
innen angeordneten elektrischen Leitungen 2' ist somit
kürzer als die der weiter außen angeordneten elektrischen
Leitungen 2. Um ein Verrutschen der bereits aufgewickelten
Wicklungen zu verhindern, ist parallel zur Drahtführung
ein Schild 104 angeordnet. Das Schild 104 und
die Drahtführung 100 sind auf einem in x-Richtung
verschiebbaren Schlitten angeordnet, der aus Gründen der Übersichtlichkeit
hier nicht dargestellt ist. Der Schlitten verschiebt die Drahtführung 100 und
das Schild 104 mit wachsendem Wickel entlang der rotierenden
Achse 101. Das Schild 104 bewirkt hierbei zusätzlich,
dass aufgrund starken Drucks auf bereits fertig gewickelte Bereiche
der Spule 1 diese Bereiche ihre Lage nicht mehr verändern
können. Sobald die Drahtführung 100 fast
die innere Begrenzung des rechten Wickelwerkzeugs 103 erreicht
hat, werden die Enden der elektrischen Leitungen 2, 2' in
die schlitzförmigen Vertiefungen 105 des rechten
Wickelwerkzeugs 103 manuell oder mittels eines Werkzeugs
eingelegt. Hierbei wird die Drahtführung 100 nicht
mehr weiter bewegt, so dass durch das Schild 104 weiter
Druck auf die bereits gewickelten Bereiche der Spule 1 ausgeübt
werden kann.
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Zur
Fixierung der Wicklungen kann, beispielsweise bei der Verwendung
von elektrischen Leitungen 2, 2' mit einer thermoplastischen
Kunststoffumhüllung, bereits während des Wickelns
mittels eines Infrarotstrahlers oder eines heißen Luftstromes die
Kunststoffumhüllung über die Erweichungstemperatur
der Kunststoffschicht erhitzt werden. Nach dem Abkühlen
des Wickels unter die Erweichungstemperatur der Kunststoffumhüllung
kann die fertig gewickelte Spule 1 aus dem Wickelwerkzeug 102, 103 genommen
werden. Die Enden der elektrischen Leitungen 2, 2' werden
zuvor zumindest teilweise aus den schlitzförmigen Vertiefungen 105 der
beiden Hälften des Wickelwerkzeugs genommen, so dass die
Enden nicht verkanten können.
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Zur
Stabilisierung des Wickels kann auch UV-härtender Klebstoff
verwendet werden, der während des Wickelns eingebracht
wird. In diesem Fall können beliebige elektrische Leitungen 2, 2' verwendet
werden. Der Klebstoff kann den ganzen Wickel durchsetzen, oder alternativ
nur Teilbereich wie Anfang oder Ende des Wickels. In einer weiteren
Ausführungsform können die Teile der Anordnung,
die in Berührung mit dem Klebstoff kommen, aus Teflon bestehen.
Dadurch ist es möglich, Epoxyd- oder Acrylharze zur Stabilisierung
der Spule 1 einzusetzen, ohne dass es zu Problemen beim
Entformen kommt.
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Bei
der Verwendung eines zusätzlichen Spulenkörpers,
um den die elektrischen Leitungen 2, 2' gewickelt
werden, müssen nur der Wicklungsanfang und das Ende fixiert
werden.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte
Anzahl möglicher Weiterbildung der Erfindung beschrieben werden
konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es
ist prinzipiell möglich weitere mögliche Anordnungen
einzusetzen, mit denen eine zuvor beschriebene Spule hergestellt werden
kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt.
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Die
Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht
auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt,
vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen,
soweit technisch sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden.
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- 1
- Spule
- 2,
2'
- elektrische
Leitungen
- 3
- Wickelzentrum
- 4
- elektrische
Kontakte
- 5
- Ferritkern
- A
- Ausschnitt
- 10
- erste
Andruckrolle
- 11
- zweite
Andruckrolle
- 12
- Führungsrolle
- 13
- Führungen
- 14
- Auffangbecher
- 15
- Infrarot
Linienstrahler
- 16
- mechanische
Verbindung
- 100
- Drahtführung
- 101
- rotierende
Achse
- 102,
103
- Wickelwerkzeug
- 104
- Schild
- 105
- Vertiefung
- 106
- Magnet
- 107
- Kupplung
- d
- Abstand
von einer elektrischen Leitung (2, 2') zum Wickelzentrum 3
- D1
- Innendurchmesser
der Spule 1
- D2
- Außendurchmesser
der rotierenden Achse 101
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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