DE102009009018A1

DE102009009018A1 - Arbeitsverfahren und Vorrichtung zum Wickeln einer dreidimensional geformten elektrischen Spule aus bandförmigen Leitern und danach gewickelte Spule

Info

Publication number: DE102009009018A1
Application number: DE102009009018A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. rer. nat. Zimmermann
Original assignee: Steinert Elektromagnetbau GmbH
Current assignee: Steinert Elektromagnetbau GmbH
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-09-16

Abstract

Gemäß einem Arbeitsverfahren zur Wicklung von dreidimensional sich erstreckenden elektrischen Spulen (1) wird mittels einer Vorrichtung ein von einem Rollenkörper (5) ablaufender bandförmiger Leiter (2) um einen Formkörper (6) geführt, wobei die Funktionen für den dreidimensionalen Wickelvorgang zwischen dem Formkörper (6) und dem Rollenkörper (5) von einem Manipulator (11) mehrachsig gelenkt werden und nach jedem abgeschlossenen Wickelvorgang die weitgehend selbsttragende Spule (1), die um eine neutrale Faser des bandförmigen Leiters (2) wendelartig gedrehte Wicklungsabschnitte aufweist, ohne weitere Formgebung fertig entnommen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren und eine Vorrichtung zum Wickeln einer dreidimensional geformten elektrischen Spule aus bandförmigen Leitern, und zwar wie sie z. B. als Spulenwicklungen mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen und dazwischen längs verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten u. a. für elektrische Maschinen verwendet werden. Ferner betrifft die Erfindung eine dreidimensional gewickelte Spule.
Stand der Technik
In der DE 10 2006 009 250 A1 wurde eine so genannte sattelförmige Spulenwicklung unter Verwendung bandförmiger Supraleiter und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Spulenwicklungen beschrieben. Im weiteren Sinne kann diese in ihrer Endform sattelförmige wie nicht-ebene Spulenwicklung auch als dreidimensionale Spulenwicklung definiert werden.
Die Fachwelt vertritt offensichtlich die Auffassung (so auch in der DE 10 2006 009 250 A1 = WO 2006111527 A1 = EP 1 872 3777 A1 offenbart), daß derartige Spulenwicklungen aus bandförmigen Leitern erst nach einem ebenen, hier so genannten zweidimensionalen Wickelvorgang – wie z. B. als Rennbahnspule (race track coil) – in ihre endgültige Form durch Formgebung – wie über eine Rohrmantelfläche – dreidimensional gebildet werden können, weil eine von vornherein dreidimensionale Wicklung von bandförmigen Leitern einen hohen technologischen Aufwand (aufwendige Wickelvorrichtungen) erfordern und/oder die Materialeigenschaften von z. B. bandförmigen Supraleitern oder Leitern aus anodisiertem Aluminium überfordern würde.
Auch die in den JP 06-196314 A und 2003-255032A dreidimensional geformten Spulen aus bandförmigen Leitern offenbaren sowohl vom Verfahren als auch von ihrer Form her, daß diese sattelförmigen Spulenwicklungen endgültig geformt werden müssen.
Sattelförmige wie nicht-ebene, hier so genannte dreidimensionale Spulenwicklungen aus bandförmigen Leitern werden insbesondere für elektrische Maschinen, wie Rotoren und Statoren in Motoren und Generatoren vorgesehen. Die hierbei als bandförmige Leiter aus Supraleitermaterial oder anodisiertem Aluminium ausgeführten Spulen sollen sich runden Formen, wie bei Rotoren oder Statoren von elektrischen Maschinen, ohne Vernachlässigungen elektrotechnischer Parameter anpassen lassen.
In der Regel umfassen diese sattelförmigen wie nicht-ebenen, dreidimensionalen Spulenwicklungen aus bandförmigen Leitern

– parallelliegende gerade Wicklungsabschnitte und
– dazwischen an gegenüberliegenden Stirnseiten aus der Ebene gebogene und gerundete Wicklungsabschnitte wie so genannte Wickelköpfe.

Es gibt aber auch andere Wicklungen für spezielle Anwendungen mit dreidimensionaler Erstreckung, die z. B. Ausbildungen ohne jegliche Symmetrieachsen aufweisen und in ihrer sphärischen Form eher unregelmäßig geformten (Kartoffel-)Chips oder getrockneten Apfelringen gleichen, jedoch aus bandförmigen Leitern gewickelt sein müssen.
Die einschlägige Fachwelt geht offensichtlich davon aus, daß derartige Formen nach einem ebenen Wickeln der bandförmigen Leiter zwar leicht zu biegen, aber nicht oder nur aufwendig zu wickeln sind.
Nach einem Ausblick (Veröffentlichung aus Maschinenmarkt – PopUp Seiten – Druckansicht Page 2 of 2 http://www.maschinenmarkt.vogel.de/Dr.-Ing. Johannes Wößner am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart) auf ein entfernteres Anwendungsgebiet von Spulen ist es bekannt, die in einem Kernspintomographen eingebauten Spulen aus isolierten Kupfer-Flachdrähten zu wickeln. Dieser bisher manuell durchgeführte Vorgang wurde bereits automatisiert und mit einem Portalroboter umgesetzt. Dabei werden die Flachbanddrähte direkt von den auf einer Z-Achse mitgeführten Drahtspulen in ein Verlegebrett (gleich einem Wickelkörper) eingelegt. Die endgültige Fixierung erfolgt bekannterweise mittels Epoxydharz-Verklebung (analog DE 10 2006 009 250 A1 = WO 2006111527 A1 = EP 1 872 3777 A1 ).
Während der Wicklung wird dort durch Richtrollen sichergestellt, dass die Flachbanddrähte nach dem Abwickeln von den Coils gerade (flach verlegt) sind und keine Ausgangsverformungen aufweisen. Anschließend werden die Einzeldrähte durch den Verlegekopf des Roboters gefördert und zu einem Drahtbündel zusammengeführt. Mit Hilfe von zwei Biegerollen wird dann das Drahtbündel entsprechend dem vorgegebenen Bahnverlauf der Spulen gebogen und in das Verlegebrett eingedrückt.
Bei dem Wicklungsablauf müssen jedoch elf interpolierende Achsen gesteuert werden, die in ihrer Geschwindigkeit so aufeinander abgestimmt werden, dass das Drahtbündel spannungsfrei in das Verlegebrett eingesetzt werden kann.
Die erforderliche Anordnung und Steuerung von elf interpolierenden Achsen ist aufwendig und somit nachteilig.
Neben den vier Roboterachsen erfordert dies die beiden Biegeachsen sowie die Antriebe der fünf Drahtvorschübe. Die einzelnen Drahtvorschübe sind also neben der Verfahrgeschwindigkeit des Roboters zusätzlich von dem jeweils zu biegenden Radius abhängig. Dabei braucht der außen liegende Flachbanddraht entsprechend mehr Länge als der innen liegende, so auch die mittleren Drähte.
Auf Grund der schneckenförmig bedingten Wickelbahn (im Kern mit über 20 Windungen) muss sich die Z-Achse beim Wickeln des Kernes über 20-mal um 360° drehen, weshalb sie als Endlosdrehachse ausgelegt ist. Erforderlich sind Korrekturfaktoren für die Anpassung des Werkzeugkoordinatensystems an die Robotersteuerung.
Dieser Ausblick zeigt, daß hier keine Anregungen für ein rationelles Wickeln einer dreidimensional geformten elektrischen Spule aus bandförmigen Leitern, wie sie z. B. als Spulenwicklungen mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen und dazwischen längs verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten gebraucht werden, geholt werden können: Es ist tatsächlich aufwendig,

– ein Drahtbündel entsprechend dem vorgegebenen Bahnverlauf der Spulen nach dem Wickeln zu biegen,
– elf interpolierende Achsen zu steuern und
– Korrekturfaktoren für die Anpassung der tatsächlichen Lagenlängen und des Werkzeugkoordinatensystems von vornherein zu berechnen und zu steuern.

Für die eingangs erwähnten z. B. Rotoren und Statoren in Motoren und Generatoren von elektrischen Maschinen ist jedoch die Verwendung bandförmiger Leiter aus besagten Materialien insbesondere im Hinblick auf z. B. die Stromdichte trotz ihrer materialbedingten Dehnungsempfindlichkeit unabdingbar.
Verfolgt wurde auch die Tendenz, eben gewickelte „Rennbahnspulen” als Stapel quasi dreidimensional für obige elektrische Maschinen einzusetzen. Dazu müßten diese ebenen, flach gewickelten Rennbahnspulen aus bandförmigen Leitern in elektrischen Maschinen derart angebracht werden, wie sie gemäß der DE 199 43 783 A1 angeordnet sind. Damit müssten aber auch wieder reduzierte Feldstärken in Kauf genommen werden, die wiederum besagte dreidimensional verformte Sattelspulen vermeiden sollen.
Die Forderung für die verformten Sattelspulen, gegenüber ebenen Spulen die elekrischen Eigenschaften trotz Formung zu gewährleisten, sind gerechtfertigt, werden aber auch mit Nachteilen erkauft.
Es wurde auch versucht – u. a. nach WO 01/08173 A1 –, (demnach relativ einfach wickelbare) konisch geformte Spulenwicklungen einzusetzen. Die elektrischen Vorteile der Sattelspulen und ihre vorgesehenen Anwendungsgebiete werden jedoch damit nicht erreicht.
Des Weiteren wurde auch die Herstellung von sattelförmigen wie nicht-ebenen Spulenwicklungen mit bandförmigen Leitern mit einer geringförmigen dreidimensionalen Erstreckung in IEE Trans. Appl. Supercond, Vol. 9, No. 2, Juni 1999, S. 293–296 schon dargestellt. Das dort beschriebene Wickelverfahren erzeugt jedoch keine Wicklungen, wie sie für rotierende elektrische Maschinen, wie Motoren oder Generatoren mit den gewünschten elektrischen Parameter verwendbar sind.
Werden aber Spulenwicklungen aus dehnungsempfindlichen bandförmigen Material wie Supraleitern oder anodisiertem Aluminium gemäß einem weiteren Stand der Technik nach der EP 1 471 363 A1 hergestellt, bleibt es bei den hier zu kritisierenden Nachteilen sowohl der nachträglichen Verformung nach dem Wickelvorgang als auch den aufwendigen Wickelvorrichtungen. Hinzu kommt noch die anordnungsbedingte und elektrische Nichteignung für rotierende elektrische Maschinen.
Verfolgt nun der Fachmann die gemäß der eingangs skizzierten DE 10 2006 009 250 A1 = WO 2006111527 A1 = EP 1 872 3777 A1 hergestellten, nach dem Wickelvorgang geformten Sattelspulen weiter, so findet er zwar die gewünschte und für rotierende elektrische Maschinen geeignete Form, die aus der ebenen Spulenform vom Rennbahntyp auf einer Rohrmantelfläche geformt ist.
Auch wenn diese Formung praktisch erscheint, beinhaltet sie aber Nachteile, welche darin bestehen, daß

– sich die jeweilige Umlauflänge des bandförmigen Leiters in der Sattelform von der in der ebenen Spulenform unterscheidet,
– für bestimmte Dimensionen eine radiale Höhe des Rohrdurchmessers zu berücksichtigen ist,
– schon bei der Ausbildung der ebenen Spulenform zwischen den Windungen Abstände berechnet und zugesetzt sowie ggf. Abstandshalter eingesetzt und wieder entfernt werden müssen,
– nachteilige Dehnungen oder Stauchungen des bandförmigen Leitermaterials während der Verformung nicht vermeidbar sind.

Durch die Stauchung und Streckung des bandförmigen Leitermaterials bei dem nachträglichem „In-Form-Pressen” werden die kristallinen Materialen stark beansprucht.
Das kann zu einer Zerstörung der benötigten Stabilität des Hochtemperatursupraleiter oder der isolierenden Aluminiumoxid-Schicht auf einem Aluminiumband und somit zu Beeinträchtigungen der elektrischen Eigenschaften führen. Bei den Hochtemperatursupraleitern bedeutet das den Verlust der supraleitenden Eigenschaften, und bei dem anodisierten Aluminiumband tritt der Verlust der isolierenden Eigenschaften der nur einige μm dicken Oxidschicht ein.
Diese Nachteile sind temperaturunabhängig. Für einen möglichen Einsatz von anodisiertem Aluminium als Supraleiter (bekanntlich geht Aluminium bei einer Temperatur von ungefähr 1,14° Kelvin in den supraleitenden Zustand über), würde nach dem ebenen Wickelvorgang durch die Stauchungen und Dehnungen beim dreidimensionalen Formen die umgebende Oxidschicht der Gefahr einer übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt und die Spule funktionell zerstört werden.
Der Fachmann sucht deshalb weiter nach Verfahren, mit denen von vornherein dreidimensionale Wicklungen von Spulen aus bandförmigen Leitern rationell erzeugt werden können, wenn er die zuvor beschriebenen Nachteile vermeiden will.
Praktisch wird es aufwendig und kompliziert, bei nach dem zweidimensionalen Wickeln dreidimensional zu formenden Spulen die für die elektrischen Werte wie Feldstärken mit entscheidende Lage dicht-bei-dicht, d. h. mit einem hohen Füllfaktor des Querschnitts der Lagen des bandförmigen Leiters zu gewährleisten.
Es ist andererseits festzustellen, daß die zweidimensionalen Wickelverfahren von Spulen durchaus weiterentwickelt wurden, wie es z. B. in der EP 1 833 062 B1 beschrieben ist.
Dieses Verfahren zum Wickeln einer Spule erfolgt auf einem Wickelkörper, der einen ersten Teil, einen zweiten Teil und eine Stufe zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil umfasst, wobei der erste Teil einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Teil.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Aufnehmen eines Leitungsdrahtes (der nicht unbedingt als bandförmiger Leiter zu definieren ist) in einer nutartigen Vertiefung im ersten Teil,
– Führen des Leitungsdrahtes in der nutartigen Vertiefung auf den zweiten Teil,
– Wickeln des Leitungsdrahtes auf den zweiten Teil und
– nach dem Wickeln auf den zweiten Teil: Wickeln des Leitungsdrahtes auf den ersten Teil.

In dessen weiterer Ausführung kann der Leitungsdraht von der nutartigen Vertiefung über einen Auslauf in der Stufe auf den zweiten Teil und/oder von einer Führung durch einen Eingangsbereich automatisch oder gerade in die nutartige Vertiefung geführt werden.
Dabei sind sowohl der erste Teil als auch der zweite Teil von einer jeweiligen Stirnwand begrenzt und die nutartige Vertiefung kann die Form einer Spirale aufweisen, wobei dann das Führen des Leitungsdrahtes in der nutartigen Vertiefung zum zweiten Teil durch ein relatives Verdrehen zwischen dem Wickelkörper und der Leitungsdrahtzufuhr und eine gleichzeitige relative axiale Verschiebung zwischen dem Wickelkörper und der Leitungsdrahtzufuhr erfolgt. Die relative Verdrehung wird dann durch Drehen des Wickelkörpers oder durch Drehen der Leitungsdrahtzufuhr erzielt.
Weiterhin ist die nutartige Vertiefung in Form einer Linie ausgebildet, die zur Oberfläche des zweiten Teils hin abfällt. Hierbei erfolgt das Führen des Leitungsdrahtes in der nutartigen Vertiefung zum zweiten Teil durch radiales Festhalten des Wickelkörpers in Bezug zum Leitungsdraht und gleichzeitiges relatives Verschieben des Wickelkörpers und des Leitungsdrahts gegeneinander.
Auch die relative axiale Verschiebung kann dabei durch Bewegen des Wickelkörpers oder durch Bewegen der Leitungsdrahtzufuhr erfolgen.
Der für das Verfahren maßgebende Wickelkörper umfasst – wie zuvor in den Arbeitsschritten beschrieben – den ersten Teil zum Wickeln, den zweiten Teil zum Wickeln und die Stufe zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil, wobei der Durchmesser des ersten Teils größer ist als der des zweiten Teils, und besitzt in dem ersten Teil die nutartige Vertiefung, die zu dem zweiten Teil führt. Diese nutartige Vertiefung bildet besagten Auslauf, der über die Stufe zu dem zweiten Teil führt.
Die im Verfahren beschriebene Führung verläuft dabei vorzugsweise gerade durch einen Eintrittsbereich zu der nutartigen Vertiefung. Sowohl der erste Teil als auch der zweite Teil ist von der oben erwähnten jeweiligen Stirnwand begrenzt. Die nutartige Vertiefung weist die Form einer Spirale und die nutartige Vertiefung die Form einer Linie auf, die zur Oberfläche des zweiten Teils hin abfällt.
Die nach diesem Verfahren mit dem beschriebenen Wickelkörper hergestellte Spule umfasst einen gewickelten Leitungsdraht, der über die nutartige Vertiefung in den zweiten Teil eintritt und auf den zweiten Teil gewickelt wird, bevor er auf den ersten Teil gewickelt wird. Die beiden Enden des Leitungsdrahtes enden an jeweiligen Endstücken in oder hinter der entsprechenden Stirnwand.
Nach einschlägiger Analyse auch dieses Verfahrens und dessen Wickelkörper ist die zum Wickeln der eingangs geforderten Gattung von dreidimensional zu wickelnden Spulen aus bandförmigen Leitern nicht angesprochen, wobei auch eine technologische Verwertung von vornherein für das hier zu lösende Problem nicht geeignet ist.
Darstellung des Wesens der Erfindung
Aufgabe
Entgegen den Entwicklungstendenzen des analysierten Standes der Technik (und auch allgemeinen Urteilen der Fachwelt) stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Arbeitsverfahren und eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Wickeln einer elektrischen Spule aus bandförmigen Leitern, und zwar wie sie z. B. gemäß 1 als Spulenwicklungen mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen und dazwischen längs verlaufenden, geraden Wicklungsabschnitten verwendet werden können, sowie eine derart gewickelte Spule von Anfang an zu schaffen, wobei

– die gewickelten Lagen ohne jegliche Vorberechnungen bezüglich der bereitzustellenden Länge zur gewickelten Länge erfolgen,
– der Wickelvorgang mittels eines den bandförmigen Leiter abgebenden Coils und um einen Wickelkörper dreidimensional mit einer optimierten Anzahl von Achsen manipuliert wird,
– die fertige Spule einer jeglichen dreidimensionalen Form und Gewährleistung elektrischer Parameter zur Verwendung in z. B. elektrischen Maschinen, wie Rotoren und Statoren in Motoren und Generatoren entsprechen kann und
– die dreidimensionale Wicklung des bandförmigen Leiters weitgehend ohne wesentliche Dehnungen und oder Stauchen seines Materials erfolgt.

Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Arbeitsverfahren gelöst, bei dem der von einem Rollenkörper als Coil geführte und ablaufende bandförmige Leiter unter Verwendung von einem den bandförmigen Leiter temporär aufnehmenden und die elektrische Spule eine dreidimensionale Erstreckung gebenden Formkörper als Wickelkörper die Lagen dicht-bei-dicht gewickelt und die Funktionen wie Relativbewegungen für den dreidimensionalen Wickelvorgang von einem Manipulator zwischen dem Formkörper und dem Rollenkörper mehrachsig gelenkt werden, der bandförmige Leiter während des Wickelvorgangs um seine neutrale Faser ohne wesentliche Dehnungen seines Materials dreidimensional gewickelt und nach jedem technologisch abgeschlossenen Wickelvorgang die fertige Spule ohne weitere Formgebung weitgehend selbsttragend erzeugt wird.
Das Verfahren umfasst im Einzelnen die folgenden Arbeitsschritte:

a) Der Formkörper wird mittels des dreidimensional operierenden Manipulators aus Teilen zusammengesetzt und sodann ein Anfangsabschnitt des bandförmigen Leiters mittels des vom Manipulator betätigten Rollenkörpers, der vom Manipulator mindestens einachsig betätigt wird, an einer durch die Zusammensetzung des Formkörpers dreidimensional gebildeten und begrenzten sowie endlos umlaufenden Kontur des Formkörpers, der vom Manipulator mindestens einachsig betätigt wird, angelegt,
b) der vom Rollenkörper ablaufende bandförmige Leiter wird entlang der Kontur des Formkörpers mehrmals herumlaufend bis zu einem Endabschnitt des bandförmigen Leiters geführt und sodann getrennt, wobei sowohl die Relativbewegungen zwischen Rollenkörper und Formkörper als auch dessen Teilung vom Manipulator gelenkt werden und
c) die dreidimensional gewickelte Spule wird nach Teilung des ersten Teils und zweiten Teils des Formkörpers mittels des Manipulators entnommen.

Die Teilbarkeit des Formkörpers kann in Ausbildung der Erfindung auch der Schaffung von Modulen dienen, um entsprechende Formen und Abmessungen der zu wickelnden Spule baukastenartig zusammenstellen zu können.
Im Sinne der Erfindung ist es auch möglich und ausführbar, daß die Entnahme der dreidimensional gewickelten Spule nicht nur durch besagte Trennung teilbarer Formkörper, sondern allgemein durch Veränderung der Konturen seines Volumens erfolgen kann. Darin waren somit Formkörper aus flexiblem Material, so auch mit Hohlräumen, eingeschlossen, die im Volumen ihrer Ausgangsform reduzierbar und nach der Entnahme der Spule dann wieder rekonstruierbar ist.
Gerichtet auf die Herstellung von Spulen mit parallelliegenden geraden Wicklungsabschnitten und dazwischen an den gegenüberliegenden Stirnseiten aus der Ebene gebogenen und gerundeten Wicklungsabschnitten wie Wickelköpfe kann die dreidimensional gebildete und begrenzte sowie endlos umlaufende Kontur des Formkörpers „achterbahnartig” herum laufen, wobei der Rollenkörper mit dem davon ablaufenden bandförmigen Leiter um die dreidimensional begrenzte Kontur ebenfalls „achterbahnartig” (analog einem Wagen auf einer Achterbahn) herum geführt wird.
Der Formkörper kann gemäß einer Variante entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur ablaufenden bandförmigen Leiters um eine erste Achse schwenkend gedreht sowie um eine zweite Achse schwenkend gedreht werden. Dabei wird der Rollenkörper in einer vom Formkörper entfernt liegenden Position geführt.
In einer anderen Variante kann der Formkörper entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur ablaufenden bandförmigen Leiters um mindestens eine erste Achse schwenkend gedreht sowie wahlweise zusätzlich um mindestens eine zweite Achse schwenkend gedreht werden. Der Rollenkörper wird dann ebenfalls in einer vom Formkörper entfernt liegenden Position geführt.
Nach einer weiteren Variante kann der Formkörper um mindestens eine der ersten oder zweiten Achse schwenkend gedreht und dabei die Lage einer anderen Drehachse des vom Formkörper entfernt geführten Rollenkörpers entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur ablaufenden bandförmigen Leiters verändert oder geschwenkt werden.
Diese Varianten verstehen sich in Ausübung der Funktion des Manipulators, der den Formkörper oder den Rollenkörper entsprechend der jeweils erforderlichen Position mehrachsig zwecks Wicklung des bandförmigen Leiters auf der dreidimensional begrenzten Kontur führt.
Der bandförmige Leiter wird während seiner Führung an der dreidimensional gebildeten und begrenzten sowie endlos umlaufenden Kontur lediglich in entsprechenden Wicklungsabschnitten um seine neutrale Faser gedreht, ohne wesentliche oder nachteilige Verformungen in seiner Materialstruktur zu erfahren.
Das derart umrissene Verfahren wird durch eine Vorrichtung ausgeführt, welche grundsätzlich umfasst:

a) Den besagten dreidimensional operierenden Manipulator mit – ersten Mitteln zum Fügen und Lösen von Teilen des Formkörpers, – zweiten Mitteln zum Anlegen und/oder Abtrennen des bandförmigen Leiters sowie Abnehmen der gewickelten Spule, – dritten Mitteln zur achterbahnartigen Führung des Rollenkörpers mit dem ablaufenden bandförmigen Leiter um die dreidimensional begrenzte Kontur, – vierten Mitteln zur Drehung des Formkörpers um mindestens eine erste Achse sowie Schwenkung um mindestens eine zweite Achse und/oder – fünften Mitteln zur Drehung des Formkörpers um mindestens die erste Achse sowie Veränderung oder Schwenkung der Lage der Drehachse des vom Formkörper entfernt angeordneten Rollenkörpers entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur ablaufenden bandförmigen Leiters,
b) den ggf. teilbaren Formkörper mit einer sich dreidimensional erstreckenden, endlos umlaufenden Kontur, welche Kontur eine sphärisch verlaufende wie „achterbahnartige” Begrenzung für den bandförmigen Leiter der zu wickelnden elektrischen Spule bildet und
c) den zur begrenzenden Kontur des Formkörpers korrespondierenden Rollenkörper.

Der Formkörper kann lösbar in einen ersten Teil und einen zweiten Teil mit einer sich dreidimensional erstreckenden, endlos umlaufenden Trennfuge gefügt werden, welche Trennfuge der Form der sphärisch verlaufenden Begrenzung wie „Achterbahn” bildet.
In dieser Ausbildung wird zweckmäßig das erste Teil durch einen Quader mit zwei abgerundeten Stirnkanten, zwischen denen eine Aussparung verläuft, gestaltet. In dieser Aussparung ist das zweite Teil, welches im Querschnitt einen kurvenförmigen Abschnitt aufweist, derart eingepasst, dass die umlaufende Trennfuge die dreidimensional begrenzte Kontur wie „achterbahnartige” Führung für die elektrische Spule bildet. Dabei bestehen – querschnittsmäßig gesehen – im so gefügten Formkörper rechtwinklig zueinander stehende Flächen für Auf-/Anlagen von in einer ersten Dimension, in einer zweiten und in einer dritten Dimension „achterbahnartig” verlaufenden Kontur- oder Wicklungsabschnitten der zu wickelnden Spule. Deren in ihrer neutralen Faser dann gewendelt verlaufende Flächen bilden die Form der dreidimensional zu wickelnden Spule.
Von den in der ersten Dimension verlaufenden Längsflächen bilden erste Flächenschenkel eine Auflage für eine Flachseite und zweite Flächenschenkel eine Anlage für eine Kantenseite des bandförmigen Leiters. Von den in der zweiten und dritten Dimension verlaufenden Flächen bilden dritte Flächenschenkel die Auflage für die Flachseite und vierte Flächenschenkel die Anlage für die Kantenseite des bandförmigen Leiters.
Die entlang der Trennfuge umlaufende dreidimensional begrenzte Kontur kann als Führungsnut für die zu wickelnde elektrische Spule entsprechend einem Querschnitt von Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule ausgespart werden, wobei diese Führungsnut dann die „Achterbahn” darstellt.
Der zusammengesetzte Formkörper wird vorteilhaft in einem jeweiligen Bereich, in dem sich die Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule zwischen längs verlaufenden Wicklungsabschnitten und stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen befinden, zu einer Form ausgebildet, die zu einer wendelartigen Drehung der Querschnitte der Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule führt, wobei diese wendelartige Drehung um die neutrale Faser für eine material- und strukturschonende Formung des z. B. bandförmigen Leiters aus anodisiertem Aluminium oder supraleitendem Material sorgt.
In diesem Zusammenhang ist nochmals auf die teilbaren Formkörper zu verweisen, um der gewickelten Spule entsprechende und geometrisch zweckmäßige Entnahmemöglichkeiten zu gewähren.
Die Teilbarkeit der Formkörper soll auch der Schaffung von Modulen dienen, um der zu wickelnden Spule entsprechende Formen und Abmessungen baukastenartig zusammenstellen zu können.
Die Möglichkeit, daß die Entnahme der dreidimensional gewickelten Spule nicht nur durch besagte Trennung teilbarer Formkörper, sondern auch durch Veränderung der Konturen seines Volumens erfolgen kann, eröffnet neue Wege, um Formkörper aus flexiblem Material, so auch mit Hohlräumen, zu schaffen. Damit kann mittels geeigneter Medien das Volumen der Ausgangsform reduziert und nach der Entnahme der Spule dann wieder rekonstruiert werden.
Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mittels der Vorrichtung aus bandförmigen Leitern dreidimensional gewickelten Spule können beliebige Materialen, wie Metalle mit Metalloxiden, so insbesondere anodisiertes Aluminium, aber auch supraleitende Materialien verwendet werden, ohne Einbußen für die gewünschten elektrischen Parameter hinnehmen zu müssen.
Damit wird in vorteilhafter Weise eine dreidimensional gewickelte Spule aus bandförmigen Leiter aus beliebigem Material erzeugt, die als neue Merkmale aufweist:

a) Um eine neutrale Faser des bandförmigen Leiters wendelartig gedrehte Wicklungsabschnitte und
b) eine wendelartige Drehung von Lagen des bandförmigen Leiters in längs verlaufenden Wicklungsabschnitten zu Lagen des bandförmigen Leiters im Scheitel von Wickelköpfen in ihrem Querschnitt und ihrer neutralen Faser sowie
c) Bildung einer in längs verlaufenden Wicklungsabschnitten jeweils oben oder unten liegende Flachseite jeder einzelnen Lage des bandförmigen Leiters im Scheitel von Wickelköpfen zur jeweils unten oder oben liegenden Flachseite.

Somit zeigt die Erfindung eine überraschend neuartige Wirkung, indem nachteilige Dehnungen oder Stauchungen des Materials außerhalb der neutralen Faser des bandförmigen Leiters, wie sie die gemäß dem bisherigen, eingangs beschriebenen Stand der Technik nach dem Wickelvorgang geformte Sattelspulen aufweisen können, vermieden werden.
Insgesamt wird mit der Erfindung

– nach jedem technologisch beendeten Wickelvorgang die fertige Spule ohne weitere Formgebung weitgehend selbsttragend erzeugt,
– jede Lage der Spule ohne Vorberechnungen oder Korrekturfaktoren dicht-bei-dicht mit einem hohen Füllfaktor des Querschnitts der Lagen gewickelt,
– der Wickelvorgang zwischen einem mehrteiligen Wickelkörper und einem den bandförmigen Leiter abgebenden Rollenkörper optimal mehrachsig manipuliert,
– erreicht, daß eine dreidimensional zu wickelnde Spule einer jeglichen Form und Gewährleistung elektrischer Parameter zur Verwendung insbesondere in elektrischen Maschinen angepasst werden kann,
– der jeweilige bandförmige Leiter während des Wickelvorgangs weitgehend entsprechend seiner neutralen Faser ohne wesentliche Dehnungen seines Materials geformt

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel mit Varianten an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen zeigen in schematischen, perspektivischen Darstellungen gemäß
1 eine dreidimensional gewickelte Spule 1 mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen 15.1 und dazwischen längs verlaufenden, geraden, parallelliegenden Wicklungsabschnitten 15,
2 einen teilbaren Formkörper 6 mit entsprechend 1 gewickelter Spule 1,
3 den teilbaren Formkörper 6 nach 2 mit korrespondierendem Rollenkörper 5 in Phasen eines Wickelvorgangs mit ablaufendem bandförmigem Leiter 2 und „achterbahnartiger Führung” des Rollenkörpers 5 mit dem ablaufenden bandförmigen Leiter 2 um die dreidimensional begrenzte Kontur 7 gemäß 2,
4 den teilbaren Formkörper 6 nach 2 mit korrespondierendem Rollenkörper 5 sowie einem Manipulator 11 mit vierten Mitteln 11.4 zur Drehung des Formkörpers um eine erste Achse 8 sowie Schwenkung um eine zweite Achse 9,
5 den teilbaren Formkörper 6 nach 2 mit korrespondierendem Rollenkörper 5 sowie dem Manipulator 11 mit fünften Mitteln 11.5 zur Veränderung oder Schwenkung der Lage der Drehachse 10 des vom Formkörper 6 entfernt angeordneten Rollenkörpers 5 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 (2) ablaufenden bandförmigen Leiters 2,
6 eine angedeutete alternative Teilbarkeit des Formkörpers 6 mit ersten Mitteln 11.1 zum Fügen und Lösen in Teile 6.1 und 6.2,
7 die zu wickelnde Spule 1 nach 1 mit „achterbahnartig” geführten Rollenkörpern 5 während eines Wickelvorgangs,
8 eine Variante des teilbaren Formkörpers 6 mit zweiten Mitteln 11.2 nebst Fixierstangen 11.2.1 zum Anlegen, Fixieren und/oder Abtrennen des bandförmigen Leiters 2 sowie Abnehmen der gewickelten Spule 1 und
9 den teilbaren Formkörper 6 nach 2 mit korrespondierendem Rollenkörper 5 sowie dem Manipulator 11 mit fünften Mitteln 11.5 zur Drehung des Formkörpers um die erste Achse sowie Veränderung oder Schwenkung der Lage der Drehachse 10 des vom Formkörper 6 entfernt angeordneten Rollenkörpers 5.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Das Ausführungsbeispiel ist auf eine gewickelte Spule 1 gerichtet, wie sie in 1 mit stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen 15.1 und dazwischen längs verlaufenden, geraden, parallelliegenden Wicklungsabschnitten 15 dargestellt ist.
Aus 1 ist ersichtlich, daß die fertige Spule 1 vorteilhaft um eine neutrale Faser eines bandförmigen Leiters 2 gedrehte Wicklungsabschnitte 15, 15.1 mit wendelartiger Drehung 15.2 aufweist. In den längs verlaufenden Wicklungsabschnitten 15 bildet eine jeweils oben oder unten liegende Flachseite 2.1 jeder einzelnen Lage des bandförmigen Leiters 2 im Scheitel der Wickelköpfe 15.1 dann nach ihrer wendelartigen Drehung 15.2 die jeweils unten oder oben liegende, d. h. um ca. 180° gedrehte Flachseite 2.1.
Der bandförmige Leiter 2 besteht aus anodisiertem Aluminium, wobei dessen nicht dargestellte Oxydschicht dem Gefügezustand der Oxydschicht des bandförmigen Leiters 2 vor dem Wickeln entspricht.
Im Folgenden wird ersichtlich, daß die dreidimensionale Wicklung des bandförmigen Leiters 2 – anders als im eingangs beschriebenen Stand der Technik – weitgehend ohne wesentliche Dehnungen und oder Stauchen seines Materials erfolgen kann.
Dadurch werden die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik, wie

– durch die Stauchung und Streckung des bandförmigen Leitermaterials bei dem nachträglichem „In-Form-Pressen” bewirkte Beanspruchung von kristallinen Materialen,
– Zerstörung der benötigten Stabilität eines Hochtemperatursupraleiters oder der isolierenden Aluminiumoxid-Schicht auf einem Aluminiumband,
– Beeinträchtigungen der elektrischen Eigenschaften,
– Verlust supraleitender oder isolierender Eigenschaften

Weiter ist in 1 symbolisch in einem Querschnitt Q eine Lage „dicht-bei-dicht”, d. h. mit einem hohen Füllfaktor des Querschnitts Q, dargestellt, die für die elektrischen Werte wie große Feldstärken mit entscheidend ist. Dies wird durch die erfindungsgemäß gewickelten Lagen und ohne jegliche Vorberechnungen bezüglich der bereitzustellenden Länge zur gewickelten Länge ermöglicht.
Schließlich ist in 1 eine Kantenseite 2.1 bezeichnet, auf die weiter unten noch eingegangen wird.
Eine derartig mit der unten beschriebenen Vorrichtung und nach dem schließlich zu beschreibenden Verfahren gewickelte Spule 1 ist insbesondere für elektrische Maschinen, wie Rotoren und Statoren in Motoren und Generatoren mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Parameter einsetzbar.
In 2 ist als eine Funktionsgruppe der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die gemäß 1 gewickelte Spule 1 ein die dortige dreidimensionale Erstreckung gebender teilbarer Formkörper (6) als Wickelkörper dargestellt. Dieser weist ein erstes Teil 6.1 und ein zweites Teil 6.2 mit einer endlos umlaufenden Kontur 7 auf, wobei letztere eine sphärisch verlaufende wie „achterbahnartige” Begrenzung für den bandförmigen Leiter 2 der elektrischen Spule 1 bildet. Der Formkörper 6 weist zugleich eine sich dreidimensional erstreckende, endlos umlaufende Trennfuge 7.1 auf, welche die Form der sphärisch verlaufenden Begrenzung wie „Achterbahn” bildet. Diese Trennfuge 7.1 teilt den Formkörper 6 in das erste Teil 6.1 und das zweite Teil 6.2.
Aus 2 ist weiter ersichtlich, daß das erste Teil 6.1 durch einen Quader 12 mit zwei abgerundeten Stirnkanten 13, zwischen denen eine angedeutete Aussparung 13.1 verläuft, gestaltet ist. In diese Aussparung 13.1 ist das zweite Teil 6.2, welches im Querschnitt einen kurvenförmigen Abschnitt aufweist, derart eingepasst, dass die dadurch gebildete umlaufende Trennfuge 7.1 die dreidimensional begrenzte Kontur 7 für die elektrische Spule 1 bildet.
In entsprechenden Querschnitten des so gefügten Formkörpers 6 betrachtet bildet dieser rechtwinklig zueinander stehende Flächen 14 für Auf- oder Anlagen für die in einer ersten Dimension, einer zweiten und einer dritten Dimension verlaufenden Kontur- oder Wicklungsabschnitte 15. Diese bestimmen die in ihrer neutralen Faser gewendelt verlaufenden Flächen 14 und die Form der dreidimensional zu wickelnden elektrischen Spule 1.
Von den in der ersten Dimension verlaufenden Längsflächen 14 bilden erste Flächenschenkel 14.1 des ersten Teils 6.1 eine Auflage für die Flachseite 2.1 (1) und zweite Flächenschenkel 14.2 des zweiten Teils 6.2 eine Anlage für die Kantenseite 2.2 (1) des bandförmigen Leiters 2 der Spule 1.
Des Weiteren bilden von den in der zweiten und dritten Dimension verlaufenden Flächen 14 dritte Flächenschenkel 14.3 ersten Teils 6.1 die Auflage für die Flachseite 2.1 (1) und vierte Flächenschenkel 14.4 des zweiten Teils 6.2 die Anlage für die Kantenseite 2.2 (1) des bandförmigen Leiters 2.
Zweckmäßig kann die entlang der Trennfuge 7.1 umlaufende dreidimensional begrenzte Kontur 7 als Führungsnut für die zu wickelnde elektrische Spule 1 entsprechend dem Querschnitt Q (1) von Wicklungslagen der elektrischen Spule 1 ausgespart sein, was hier nicht näher dargestellt ist.
Damit kann dieser zusammengesetzte Formkörper 6 in einem jeweiligen Bereich, in dem sich gemäß 1 die Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule 1 zwischen längs verlaufenden Wicklungsabschnitten 15 und stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen 15.1 befinden, zu einer Form ausgebildet werden, die zu einer wendelartigen Drehung 15.2 der Querschnitte Q der Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule 1 führt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist nicht näher dargestellt, daß der Formkörper 6 – wie eingangs offenbart – aus flexiblem Material gebildet oder in Modulen zur Schaffung entsprechender Formen und Abmessungen baukastenartig aufteilbar sein kann. Das eröffnet andere Möglichkeiten für die Entnahme der dreidimensional gewickelten Spule, als sie durch die noch zu beschreibende Trennung des teilbaren Formkörpers 6 hier weiter unten dargestellt sind. So können z. B. auch durch Veränderung der Konturen des Volumens des Formkörpers 6 andere Wege erschlossen werden, in dem z. B. mit Formkörpern 6 aus flexiblem Material, wie auch mit Hohlräumen, mittels geeigneter Medien oder Module das Volumen der Ausgangsform reduziert und nach der Entnahme der Spule dann wieder rekonstruiert wird.
Aus der 3, 4, 5, 7 und 9 ist ersichtlich, daß korrespondierend zum Formkörper 6 als weitere Funktionsgruppe der Vorrichtung ein Rollenkörper 5 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 ablaufenden bandförmigen Leiters 2 angeordnet ist und geführt wird.
Gemäß 3 bis 9 ist ein mehrachsig operierender Manipulator 11 für die Führung des dreidimensionalen Wickelvorgangs als den Rollenkörper 5 mit einem Coil für den ablaufenden bandförmigen Leiter 2 und den Formkörper 6 lenkende Funktionsgruppe vorgesehen.
Aus 4 ist ersichtlich, daß mittels des Manipulators 11 der Formkörper 6 um mindestens eine erste oder zweite Achse 8, 9 gedreht und gemäß 5 die Lage einer Drehachse 10 des vom Formkörper 6 entfernt angeordneten Rollenkörpers 5 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 für eine Wicklung ablaufenden bandförmigen Leiters 2 verändert oder geschwenkt werden kann.
Die Funktions- oder Baugruppen, wie Formkörper 6, Rollenkörper 5 und Manipulator 11 bilden zusammen die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei darin der Manipulator 11 durch

– erste Mittel 11.1 zum Fügen und Lösen der Teile 6.1, 6.2 des Formkörpers 6 gemäß 6,
– zweite Mittel 11.2 zum Anlegen, Fixieren und/oder Abtrennen des bandförmigen Leiters 2 sowie Abnehmen der gewickelten Spule 2 gemäß 8, wobei zum Fixieren der Spule 1 Fixierstangen 11.2.1 vorgesehen sind, die eine Drehung der Spule um die Langsachse unterbinden,
– dritte Mittel 11.3 zur Führung des Rollenkörpers 5 mit dem achterbahnartig auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 des Formkörpers 6 ablaufenden bandförmigen Leiters 2 gemäß 5,
– vierte Mittel 11.4 zur Drehung des Formkörpers 6 um eine erste Achse 8 und/oder Schwenkung um eine zweite Achse 9 gemäß 4 und/oder
– fünfte Mittel 11.5 gemäß 9 zur Drehung des Formkörpers 6 um mindestens die erste Achse 8 (4) sowie Veränderung oder Schwenkung der Lage einer Drehachse 10 des vom Formkörper 6 entfernt angeordneten Rollenkörpers 5 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 ablaufenden bandförmigen Leiters 2

Hervorzuheben ist, daß die Fixierstangen 11.2.1 der zweiten Mittel 11.2 dabei mit eine wesentliche Funktion erfüllen: Sie unterbinden beim Herausnehmen eine Drehung der Spule 1 um die Langsachse, welche zur ungewünschten Rückbildung einer ebenen „quasi Rennbahnspule” führen würde. Die erfindungsgemäße Spule 1 kann somit einer weiteren Verarbeitung, wie z. B. über eine Stabilisierung der dreidimensional gewickelten Form mit Epoxidharz, zur Verwendung in der Zielform, wie z. B. von Rotoren oder Statoren elektrischer Maschinen, direkt zugeführt werden.
Zur Wicklung der erfindungsgemäß sich auszeichnenden dreidimensionalen Spule 1, d. h. ohne die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile, wie u. a. die wesentlichen Dehnungen und/oder Stauchungen des Materials des bandförmigen Leiters 2, wird das wesentlich gegenüber dem Stand der Technik veränderte Arbeitsverfahren unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung eingesetzt, welches die Lagen dicht-bei-dicht, d. h. mit einem hohen Füllfaktor des Querschnitts Q, wickelt. Die Funktionen wie Relativbewegungen für den dreidimensionalen Wickelvorgang werden von dem mehrachsig operierenden Manipulator 11 zwischen dem Formkörper 6 und dem Rollenkörper 5 gelenkt. Der bandförmige Leiter 2 wird während des Wickelvorgangs lediglich um seine neutrale Faser drehend ohne wesentliche Dehnungen seines Materials dreidimensional gewickelt. Nach jedem technologisch abgeschlossenen Wickelvorgang wird die fertige Spule 1 ohne weitere Formgebung weitgehend selbsttragend erzeugt.
Das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren ist im Einzelnen durch folgende Arbeitsschritte definiert:

a) Der Formkörper 6 wird mittels des dreidimensional operierenden Manipulators 11 aus Teilen 6.1, 6.2 (2 bis 6 sowie 8 und 9) zusammengesetzt und dann ein in 2 angedeuteter Anfangsabschnitt 3 des bandförmigen Leiters 2 mittels des vom Manipulator 11 betätigten Rollenkörpers 5, der vom Manipulator 11 mindestens einachsig betätigt wird (5, 7, 9), an einer durch die Zusammensetzung des Formkörpers 6 dreidimensional gebildeten und begrenzten sowie endlos umlaufenden Kontur 7 (2, 3) des Formkörpers 6, der vom Manipulator 11 mindestens einachsig betätigt wird (4, 9), angelegt,
b) sodann wird der vom Rollenkörper 5 ablaufende bandförmige Leiter 2 (3 bis 5, 7 und 9) entlang der Kontur 7 des Formkörpers 6 mehrmals herumlaufend bis zu einem ein in 2 angedeuteten Endabschnitt 4 des bandförmigen Leiters 2 und Trennung desselben geführt, wobei sowohl die Relativbewegungen zwischen Rollenkörper 5 und Formkörper 6 als auch dessen Teilung vom Manipulator 11 gelenkt werden und
c) schließlich wird die dreidimensional gewickelte Spule 1 mittels des Manipulators 11 nach Teilung des Formkörpers 6 entnommen (8).

Das Arbeitsverfahren ist dabei derart gemäß 6 und 8 variierbar, daß die dreidimensional gewickelte Spule 1 mittels des Manipulators 11 nach Veränderung der ursprünglichen Konturen des Volumens des Formkörpers 6 entnommen wird, wobei das Volumen zunächst reduziert und nach der Entnahme der Spule 1 dann wieder rekonstruiert wird.
In 7 ist das Arbeitsverfahren – ohne Darstellung des Formkörpers 6 – schematisch gezeigt, um eine Variante der Führung des Rollenkörpers 5, insbesondere mit der so bezeichneten „achterbahnartigen” Führung, auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 ablaufenden bandförmigen Leiters 2 zu demonstrieren.
Nach einem aus 4 ersichtlichem ersten Prinzip des Arbeitsverfahrens gemäß 4 und 9 wird der Formkörper 6 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 (2 und 3) ablaufenden bandförmigen Leiters 2 um eine erste Achse 8 schwenkend gedreht sowie um eine zweite Achse 9 schwenkend gedreht und dabei der Rollenkörper 5 in einer vom Formkörper 6 entfernt liegenden Position geführt.
Ein zweites und ggf. zu bevorzugendes Prinzip des Arbeitsverfahrens gemäß 9 sieht vor, dass der Formkörper 6 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 ablaufenden bandförmigen Leiters 2 analog 4 um mindestens die erste Achse 8 schwenkend gedreht sowie wahlweise zusätzlich um mindestens die zweite Achse 9 schwenkend gedreht und dabei der Rollenkörper 5 in einer vom Formkörper 6 entfernt liegenden Position durch Veränderung oder Schwenkung der Lage seiner Drehachse 10 entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur 7 (2 und 3) ablaufenden bandförmigen Leiters 2 geführt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel mit Varianten ist die Erfindung entsprechend einer Reihenfolge

– Darstellung der zu wickelnden Spule 1,
– technisches Prinzip und Funktionen der Vorrichtung und
– Ablauf der Arbeitsschritte

– bestehenden Anforderungen der erfindungsgemäßen Spule 1,
– technologischen Voraussetzungen und
– danach das Verfahren

Gewerbliche Anwendbarkeit
Das entsprechend der Erfindung neu entwickelte Arbeitsverfahren und die neu konzipierte Vorrichtung gewährleisten die rationelle Herstellung von dreidimensional gewickelten Spulen 1 mit verbesserten Eigenschaften. Deren Lagen lassen sich ohne jegliche Vorberechnungen bezüglich der bereitzustellenden Länge zur gewickelten Länge wickeln. Der Wickelvorgang kann mittels des den bandförmigen Leiter 2 abgebenden Coils und des um einen Wickelkörper dreidimensional mit einer optimierten Anzahl von Achsen manipuliert werden. Die fertige Spule 1 kann einer jeglichen dreidimensionalen Form und Gewährleistung elektrischer Parameter zur Verwendung in z. B. elektrischen Maschinen, wie Rotoren und Statoren in Motoren und Generatoren entsprechen. Die dreidimensionale Wicklung des bandförmigen Leiters erfolgt weitgehend ohne wesentliche Dehnungen und oder Stauchen seines Materials und sichert optimale elektrische Werte. Es werden beliebige Materialen, insbesondere Materialien wie Metalle mit Metalloxiden, so vorzugsweise anodisiertes Aluminium oder auch supraleitende Materialien ohne Inkaufnahme der eingangs beschrieben Nachteile einsetzbar.
Damit gewährleistet die Erfindung die Erschließung eines breiten technologischen Anwendungsbebietes der dreidimensional gewickelten Spulen 1.

1: dreidimensional geformte elektrische Spule
2: bandförmiger Leiter
2.1: Flachseite
2.2: Kantenseite
3: Anfangsabschnitt des bandförmigen Leiters (2)
4: Endabschnitt des bandförmigen Leiters (2)
5: Rollenkörper
6: Formkörper
6.1: erstes Teil
6.2: zweites Teil
7: endlos umlaufende Kontur
7.1: Trennfuge
8: erste Achse
9: zweite Achse
10: Drehachse
11: Manipulator
11.1: erste Mittel
11.2: zweite Mittel
11.2.1: Fixierstange
11.3: dritte Mittel
11.4: vierte Mittel
11.5: fünfte Mittel
12: Quader
13: Stirnkante
13.1: Aussparung
14: Fläche
14.1: erster Flächenschenkel
14.2: zweiter Flächenschenkel
14.3: dritte Flächenschenkel
14.4: vierte Flächenschenkel
15: (Kontur- oder) Wicklungsabschnitt
15.1: Wickelkopf
15.2: wendelartige Drehung
Q: Querschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006009250 A1 [0002, 0003, 0009, 0022]
- WO 2006111527 A1 [0003, 0009, 0022]
- EP 18723777 A1 [0003, 0009, 0022]
- JP 06-196314 A [0004]
- JP 2003-255032 A [0004]
- DE 19943783 A1 [0017]
- WO 01/08173 A1 [0019]
- EP 1471363 A1 [0021]
- EP 1833062 B1 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.maschinenmarkt.vogel.de/Dr.-Ing. [0009]
- IEE Trans. Appl. Supercond, Vol. 9, No. 2, Juni 1999, S. 293–296 [0020]

Claims

Arbeitsverfahren zum dreidimensionalen Wickeln einer elektrischen Spule (1) aus einem von einem Rollenkörper (5) geführten und ablaufenden bandförmigen Leiter (2) unter Verwendung von einem den bandförmigen Leiter (2) temporär aufnehmenden und die elektrische Spule (1) eine dreidimensionale Erstreckung gebenden Formkörper (6) als Wickelkörper, wobei die Lagen mit hohem Füllfaktor dicht-bei-dicht gewickelt und die Funktionen wie Relativbewegungen für den dreidimensionalen Wickelvorgang von einem mehrachsig operierenden Manipulator (11) zwischen dem Formkörper (6) und dem Rollenkörper (5) gelenkt werden, der bandförmige Leiter (2) während des Wickelvorgangs um seine neutrale Faser drehend ohne wesentliche Dehnungen seines Materials dreidimensional gewickelt und nach jedem technologisch abgeschlossenen Wickelvorgang die fertige Spule (1) ohne weitere Formgebung weitgehend selbsttragend erzeugt wird.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Arbeitsschritte, dass a) der Formkörper (6) mittels des dreidimensional operierenden Manipulators (11) aus Teilen (6.1, 6.2) zusammengesetzt und sodann ein Anfangsabschnitt (3) des bandförmigen Leiters (2) mittels des vom Manipulator (11) betätigten Rollenkörpers (5), der vom Manipulator (11) mindestens einachsig betätigt wird, an einer durch die Zusammensetzung des Formkörpers (6) dreidimensional gebildeten und begrenzten sowie endlos umlaufenden Kontur (7) des Formkörpers (6), der vom Manipulator (11) mindestens einachsig betätigt wird, angelegt wird, b) der vom Rollenkörper (5) ablaufende bandförmige Leiter (2) entlang der Kontur (7) des Formkörpers (6) analog dem Lauf eines Wagens auf einer Achterbahn („achterbahnartig”) mehrmals herumlaufend bis zu einem Endabschnitt (4) des bandförmigen Leiters (2) und Trennung desselben geführt wird, wobei sowohl die Relativbewegungen zwischen Rollenkörper (5) und Formkörper (6) als auch dessen Teilung vom Manipulator (11) gelenkt werden und c) die dreidimensional gewickelte Spule (1) mittels des Manipulators (11) nach Teilung des Formkörpers (6) entnommen wird.
Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensional gewickelte Spule (1) mittels des Manipulators (11) nach Veränderung der Konturen des Volumens des Formkörpers (6) entnommen wird, wobei das Volumen zunächst reduziert und nach der Entnahme der Spule (1) dann wieder rekonstruiert wird.
Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenkörper (5) mit dem „achterbahnartig” auf der dreidimensional begrenzten Kontur (7) ablaufenden bandförmigen Leiter (2) herum geführt wird.
Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (6) entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur (7) ablaufenden bandförmigen Leiters (2) um eine erste Achse (8) schwenkend gedreht sowie um eine zweite Achse (9) schwenkend gedreht wird und dabei der Rollenkörper (5) in einer vom Formkörper (6) entfernt liegenden Position geführt wird.
Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (6) entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur (7) ablaufenden bandförmigen Leiters (2) um mindestens die erste Achse (8) schwenkend gedreht sowie wahlweise zusätzlich um mindestens die zweite Achse (9) schwenkend gedreht wird und dabei der Rollenkörper (5) in einer vom Formkörper (6) entfernt liegenden Position geführt wird.
Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (6) um mindestens eine der ersten oder zweiten Achse (8, 9) gedreht und dabei die Lage einer Drehachse (10) des vom Formkörper (6) entfernt geführten Rollenkörpers (5) entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur (7) ablaufenden bandförmigen Leiters (2) verändert oder geschwenkt wird.
Vorrichtung zum Wickeln einer dreidimensionalen elektrischen Spule (1) aus einem bandförmigen Leiter (2) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, aufweisend einen mehrachsig operierenden Manipulator (11) für die Führung des dreidimensionalen Wickelvorgangs (11), mindestens einen Rollenkörper (5) mit einem Coil für den ablaufenden bandförmigen Leiter (2) und einen den bandförmigen Leiter (2) mittels einer Kontur (7) eine dreidimensionale Erstreckung gebenden Formkörper (6) als Wickelkörper.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (6) aus flexiblem Material gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den ein erstes Teil (6.1) und ein zweites Teil (6.2) aufweisenden Formkörper (6) mit der sich dreidimensional erstreckenden, endlos umlaufenden Kontur (7), welche eine sphärisch verlaufende wie „achterbahnartige” Begrenzung für den bandförmigen Leiter (2) der zu wickelnden elektrischen Spule (1) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (6) eine sich dreidimensional erstreckende, endlos umlaufende Trennfuge (7.1) aufweist, welche die Form einer sphärisch verlaufenden Begrenzung wie „Achterbahn” bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (6) in Modulen zur Schaffung entsprechender Formen und Abmessungen baukastenartig aufteilbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenkörper (5) korrespondierend zur begrenzenden Kontur (7) des Formkörpers (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch erste Mittel (11.1) zum Fügen und Lösen der Teile (6.1, 6.2) des Formkörpers (6).
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zweite Mittel (11.2) zum Anlegen und/oder Abtrennen des bandförmigen Leiters (2) sowie Abnehmen der gewickelten Spule (2).
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Spule (1) durch der Manipulator (11.2) Fixierstangen (11.2.1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch dritte Mittel (11.3) zur Führung des Rollenkörpers (5) mit dem achterbahnartig auf der dreidimensional begrenzten Kontur (7) des Formkörpers (6) ablaufenden bandförmigen Leiter (2).
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch vierte Mittel (11.4) zur Drehung des Formkörpers (6) um mindestens eine erste Achse (8) sowie Schwenkung um mindestens eine zweite Achse (9).
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch fünfte Mittel (11.5) zur Drehung des Formkörpers (6) um mindestens die erste Achse (8) sowie Veränderung oder Schwenkung der Lage einer Drehachse (10) des vom Formkörper (6) entfernt angeordneten Rollenkörpers (5) entsprechend der jeweils erforderlichen Position des auf der dreidimensional begrenzten Kontur (7) ablaufenden bandförmigen Leiters (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (6.1) durch einen Quader (12) mit zwei abgerundeten Stirnkanten (13), zwischen denen eine Aussparung (13.1) verläuft, gestaltet ist, in welche Aussparung (13.1) das zweite Teil (6.2), welches im Querschnitt einen kurvenförmigen Abschnitt aufweist, derart eingepasst ist, dass die umlaufende Trennfuge (7.1) die dreidimensional begrenzte Kontur (7) für die elektrische Spule (1) bildet, wobei (in Querschnitten betrachtet) der so gefügte Formkörper (6) rechtwinklig zueinander stehende Flächen (14) für Auf-/Anlagen von in einer ersten Dimension, in einer zweiten und in einer dritten Dimension verlaufenden Kontur- oder Wicklungsabschnitten (15) bestehen, welche die in ihrer neutralen Faser gewendelt verlaufenden Flächen (14) die Form der dreidimensional zu wickelnden elektrischen Spule (1) bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass a) von den in der ersten Dimension verlaufenden Längsflächen (14) erste Flächenschenkel (14.1) eine Auflage für eine Flachseite (2.1) und zweite Flächenschenkel (14.2) eine Anlage für eine Kantenseite (2.2) des bandförmigen Leiters () bilden und b) von den in der zweiten und dritten Dimension verlaufenden Flächen (14) dritte Flächenschenkel (14.3) die Auflage für die Flachseite (2.1) und vierte Flächenschenkel (14.4) die Anlage für die Kantenseite (2.2) des bandförmigen Leiters (2) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang der Trennfuge (7.1) umlaufende dreidimensional begrenzte Kontur (7) als Führungsnut für die zu wickelnde elektrische Spule (1) entsprechend einem Querschnitt (Q) von Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule (1) ausgespart ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zusammengesetzte Formkörper (6) in einem jeweiligen Bereich, in dem sich die Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule (1) zwischen längs verlaufenden Wicklungsabschnitten (15) und stirnseitig hochgebogenen Wickelköpfen (15.1) befinden, zu einer Form ausgebildet ist, die zu einer wendelartigen Drehung (15.2) der Querschnitte (Q) der Lagen von Wicklungen der elektrischen Spule (1) führt.
Dreidimensional gewickelte Spule (2) aus bandförmigen Leiter (2) mit beliebigem Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch um eine neutrale Faser des bandförmigen Leiters (2) wendelartig gedrehte Wicklungsabschnitte (15, 15.1, 15.2).
Dreidimensional gewickelte Spule (2) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine in längs verlaufenden Wicklungsabschnitten (15) jeweils oben oder unten liegende Flachseite (2.1) jeder einzelnen Lage des bandförmigen Leiters (2) im Scheitel von Wickelköpfen (15.1) dann die jeweils unten oder oben liegende, d. h. um ca. 180° gedrehte Flachseite (2.1) bildet.
Dreidimensional gewickelte Spule (2) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der bandförmige Leiter (2) aus anodisiertem Aluminium besteht und dessen Oxydschicht dem Gefügezustand der Oxydschicht des bandförmige Leiters (2) vor dem Wickeln entspricht.