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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Einrückrelais bekannt, die bei bzw. in Startvorrichtungen dazu dienen, ein Ritzel in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine einzuspuren. Diese Einrückrelais umfassen typischer Weise zwei konzentrisch zueinander liegende Wicklungen bzw. Spulen gleicher Windungszahl für unterschiedliche Aufgaben. Die eine Wicklung bzw. Spule wird als Einzugswicklung bezeichnet und dient dazu, beim so genannten Einspurvorgang das Ritzel in den Zahnkranz einzuspuren. Eine Haltewicklung dient dazu, dass eingespurte Ritzel in der eingespurten Position zu halten. Aufgrund des unterschiedlichen Kraftbedarfs der beiden beschriebenen Funktionen unterscheiden sich die Drahtdurchmesser für Einzugs- und Haltewicklung. Dies gilt typischer Weise ganz besonders, wenn für die beiden Drähte der Einzugs- und Haltewicklung das gleiche Material, typischer Weise Kupfer, verwendet wird. Bei einem bekannten Serienprodukt mit der Teilenummer 1334210282 (im Handel bekannt) aus der Fertigung des Anmelders dieser Anmeldung, hat die Einzugswicklung einen Draht mit 0,95 mm Durchmesser und die Haltewicklung einen Draht mit dem Durchmesser 0,55 mm.
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Die beiden unterschiedlichen Drahtdurchmesser der beiden Wicklungen ermöglichen es nicht, die äußere Wicklung, welche typischer Weise die so genannte Haltewicklung ist, in sich orthozyklisch zu wickeln. Eine orthozyklisch angeordnete Wicklung weist das Merkmal auf, dass in ihrer einfachsten Form auf eine erste Lage der Wicklung, welche zylindrisch angeordnet ist, eine zweite Lage folgt, wobei der Draht der zweiten Lage gleichmäßig zwischen zwei Drahtquerschnitten der ersten Lage zu liegen kommt. Dies bedeutet für einen gleichen Drahtdurchmesser bei einer ersten und einer zweiten Lage, dass bei runden Drahtquerschnitten die Mittelpunkte der drei Drahtquerschnitte aus der ersten und der zweiten Lage ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die radial innenliegende Wicklung, typischer Weise die Einzugswicklung, kann orthozyklisch gewickelt werden, da die Grundlage ein typischer Weise zylindrischer Wicklungsträger ist. Die radial außenliegende Wicklung würde sich beim Wickelvorgang in die Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Drähten der radial innenliegenden Wicklung legen. Dabei entstünde eine so genannte „wilde“ Wicklung mit ungleichmäßigen Außendurchmesser. Um dies zu vermeiden bzw. zu verhindern, wird oftmals auf die radial innen liegende Wicklung ein Klebestreifen als Zwischenlage zwischen den beiden Wicklungen aufgebracht. Dieser Klebestreifen dient dazu eine annähernd glatte Unterlage mit einer annähernd zylindrischen Außenkontur für die radial äußere Wicklung darzustellen. Bedauerlicher Weise führt diese nur angenähert glatte Unterlage nur teilweise zu einer orthozyklisch gewickelten äußeren Wicklung. Es ist vorgesehen, für eine radial äußere Wicklung eine verbesserte Unterlage zu ermöglichen und dadurch die Orthozyklizität zu verbessern und dadurch einen Füllfaktor einer Spulenanordnung bzw. eines Relais, vorzugsweise Einrückrelais, zu steigern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zur Herstellung einer Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch dieses ermöglicht wird, zwischen zwei unmittelbar benachbarten Drahtquerschnitten einer radial äußersten Lage der ersten Spule eine annähernd zylindrische Oberfläche ausgebildet werden kann. Dies ermöglicht bei der darüber gewickelten zweiten Spule sehr weitgehend, jedenfalls deutlich gesteigert gegenüber dem Stand der Technik, eine orthozyklische Anordnung der einzelnen Windungen. Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt bzw. Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass ein nicht bzw. noch nicht fester Füllstoff an einer Position geglättet wird, die zumindest an einer radial äußersten Stelle der ersten Lage ist. Dies ermöglicht mit geringem Materialaufwand hinsichtlich des Füllstoffs eine zumindest weitgehend zylindrische Gestaltung der Außenkontur. Wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beim Glätten ein Abstand zwischen der äußersten Lage der ersten Spule und einem Glättungsmittel eingestellt, ist es weiter verbessert möglich, eine zylindrische Oberfläche anzustreben bzw. anzunähern. Dadurch wird ein Einfluss der Außenkontur der äußersten Lage der ersten Wicklung verringert. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird angestrebt, dass eine zweite Lage der zweiten Spule orthozyklisch gewickelt wird, dadurch ein Füllfaktor der zweiten Spule weiter verbessert und dadurch ein Außendurchmesser, der erforderlich ist, entweder eingehalten bzw. verkleinert werden kann. Mit der Spulenanordnung gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch werden die gleichen vorerwähnten Vorteile erreicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Darstellung einer Startvorrichtung mit einem Starterrelais,
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2 eine schematische Ansicht einer Spulenanordnung,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung,
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4 einen Verfahrensschritt beim ersten Ausführungsbeispiel,
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung,
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6 einen Verfahrensschritt beim zweiten Ausführungsbeispiel,
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7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung,
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8 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung,
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9 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung,
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10 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung.
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Die in 1 dargestellte elektrische Maschine ist eine Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine und weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Welle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Welle 5 gekoppelt ist. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Spulenanordnung 7 sowie einen Anker 8 umfasst, der bei Bestromung der Spulenanordnung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Anker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Ankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition eingesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung der Welle 5 bzw. des Starterritzels 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Planetengetriebe 12 mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 werden die Welle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
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Der Startvorrichtung 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Bei einer axialen Stellbewegung des Ankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch die Stellbewegung des Ankers 8 der elektrische Stromkreis des Startermotors 11 geschlossen, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt. Das Schließen des Stromkreises des Startermotors 11 wird dadurch bewirkt, dass der Anker 8 ein Schaltglied, das Träger einer elektrisch leitenden Kontaktbrücke ist, gegen zwei Gegenkontakte 13, 14 im Stromkreis verstellt, so dass die Gegenkontakte 13, 14 über die Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden.
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In 2 ist schematisch die Spulenanordnung 7 dargestellt, wie sie für ein Starterrelais 6 vorgesehen ist. Die Spulen sind um einen Trägerraum 20 gewickelt, der von einer Hülse 23 umgeben ist. Dieser Trägerraum 20 ist prismatisch und weist eine Längsachse 26 auf, die senkrecht zu einer nicht näher bezeichneten Grundfläche des prismatischen Trägerraums angeordnet ist. Radial außerhalb der Hülse 23 befindet sich eine erste Spule 29, um die herum eine zweite Spule 32 gewickelt ist. Ein ebenso schematisch dargestelltes Gehäuse 35 umgibt die Spulenanordnung 7.
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In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung 7 dargestellt. Diese Spulenanordnung 7 zeigt schematisch eine erste Spule 29 und eine zweite Spule 32. Beide Spulen 29, 32 sind als in ihrer einfachsten Form einlagige Spulen ausgeführt. Die erste Lage der ersten Spule 29 ist hier in diesem Fall auch eine radial äußerste Lage 38 der ersten Spule. Hierzu wird ein Draht 41 in zumindest einer Lage um den bereits erwähnten prismatischen Trägerraum 20 gewickelt. Aufgrund der hier in diesem Fall zylindrischen Außenkontur der Hülse 23 ergibt sich für die erste und hier radial äußerste Lage 38 eine sehr regelmäßige zylindrische Anordnung der radial äußersten Lage 38. Der Draht 41 wird in dem dargestellten Längsschnitt in der 3 dabei in regelmäßig angeordneten unmittelbar benachbarten Drahtquerschnitten abgebildet. Wie in 3 gut erkennbar ist, befindet sich zwischen Drahtquerschnitten 43 der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 Material eines Füllstoffs 46. Der hier im Ausführungsbeispiel eine zylindrische Oberfläche aufweisende Füllstoff 46 bietet einer ersten Lage 49 der zweiten Spule 32 eine zylindrische Oberfläche, die dadurch ermöglicht, die erste Lage 49 der zweiten Spule 32 sehr regelmäßig, d. h. zylindrisch um die Hülse 23 bzw. um die erste Spule 29 herum anzuordnen. Ein Draht 52 der zweiten Spule 32 wird auch hier regelmäßig geradlinig und damit letztlich zylindrisch angeordnet. Der Füllstoff 46 wird dabei als fließfähiger, d. h. zunächst nicht fester Füllstoff 46 in Zwischenräume 55 zwischen zwei Drahtquerschnitten 43 der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 eingebracht.
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In 4 ist die Vorbereitung und damit ein Verfahrensschritt dargestellt, wie eine zylindrische Oberfläche 58 erreicht wird. 4 zeigt hierzu die Situation nach dem Wickeln der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29. Zwischen die Drahtquerschnitte 41 der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 wird hier das Material des Füllstoffs 46 eingebracht. Dieser aushärtungsfähige Füllstoff 46 ist zunächst nicht fest und wird zwischen zwei unmittelbar benachbarte Drahtquerschnitte 43 der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 eingebracht. Der nicht feste Füllstoff 46 wird mittels einer Glättungsvorrichtung 60 geglättet. Hierzu wird ein Glättungsmittel 63 der Glättungsvorrichtung 60 mit einem gewünschten Abstand h zur radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 eingestellt. Dieser Abstand h kann beispielsweise Null sein, wie dies beispielsweise in 4 der Fall ist. Hier ist der Abstand h symbolisch dargestellt. Zum Glätten kann beispielsweise ein Glättungsmittel 63 verwendet werden, das beispielsweise eine Art Kante darstellt. Die Kante wird im Falle dessen, dass diese axial kürzer ist als die radial äußerste Lage 38, in axialer Richtung über den Füllstoff 46 geführt und dadurch ein Glätten herbeigeführt. Dabei kann beispielsweise die erste Spule 29 auf der Hülse 23 bzw. mit dieser zusammen rotiert werden. Es stellt sich dabei die erwähnte zylindrische Oberfläche 58 ein. Das Glättungsmittel 63 kann auch die volle axiale Länge einer ersten Spule 29 aufweisen, so dass kein axiales Verschieben des Glättungsmittels 63 erforderlich ist. Vielmehr ist dann von Bedeutung, dass dieses Glättungsmittel 63, beispielsweise von radial außen auf die radial äußerste Lage 38 der ersten Spule 29 zugestellt wird (hier Abstand h = 0) und dann eine Relativdrehbewegung zwischen Glättungsmittel 63 und der äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 herbeigeführt wird. Ob dabei die Spule 29 oder das Glättungsmittel 63 gedreht wird, ist dabei nicht von Bedeutung. Gemäß dem Vorbeschriebenen ist vorgesehen, dass der nicht feste Füllstoff 46 – der ggf. bereits nicht mehr die ursprüngliche Viskosität aufweist, sondern bereits etwas verfestigt ist – an einer Position, die an zumindest einer radial äußersten Stelle der radial äußersten Lage 38 ist, mittels einer Glättungsvorrichtung 60 geglättet wird. Gemäß dem weiteren Verfahrensablauf verfestigt sich der Füllstoff 46. Nach dem Aushärten des Füllstoffs 46 wird dann mit dem Wickeln der zweiten Spule 32 begonnen und hierbei die erste Lage 49 der zweiten Spule auf die zylindrische Oberfläche 58 des Füllstoffs 46 gewickelt (3).
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In 5 ist ein ähnliches Beispiel, wie in 3 dargestellt. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der Abstand h und damit der Abstand zwischen der radial äußersten Lage 38 der erste Spule 29 und der ersten Lage 49 der zweiten Spule 32 nicht Null ist, sondern größer Null, beispielsweise einen Millimeter beträgt. In 6 ist prinzipiell dargestellt, wie dieser Abstand h ungleich Null hergestellt wird. Das Verfahren unterscheidet sich von dem Verfahren, welches zu 4 beschrieben ist, lediglich dadurch, dass beim Glätten eine Position des Glättungsmittels 63 der Glättungsvorrichtung 60 derartig ist, dass zwischen dem Glättungsmittel 63 und der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 ein Abstand h so eingestellt ist, dass dieser ungleich Null ist.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, welches in 7 dargestellt ist, bildet der Füllstoff 46 zwar eine nach radial außen gerichtete feste Oberfläche, wie dies auch bei den anderen Ausführungsbeispielen der Fall ist; allerdings ist diese feste Oberfläche 65 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Drahtquerschnitten 43 einer radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 ein Wellental 68. Grundsätzlich kann das vor dem Aushärten des Füllstoffs 46 abgelaufene Verfahren genauso abgelaufen sein, wie dies zu dem Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 beschrieben ist. Es kann jedoch, beispielsweise aus Gründen der Materialwahl für den Füllstoff 46 dazu führen, dass während des Aushärtens des Füllstoffs 46 ein Schrumpfungsvorgang einhergeht. Durch diesen Schrumpfungsvorgang kann eine ehemals zylindrische Oberfläche 58, die beim Glätten erzielt wurde, sich derartig verändern, dass die bereits erwähnten Wellentäler 68 zwischen den einzelnen Drahtquerschnitten 43 auftreten. Typischer Weise sind die Schrumpfungsvorgänge entweder nicht vorhanden oder so gering, dass trotzdem ein sehr regelmäßiger Aufbau der ersten Lage 49 der zweiten Spule 32 möglich ist.
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In den 8, 9 und 10 sind weitere speziellere Ausführungsbeispiele dargestellt, die auf den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen basieren. So zeigt die 8, beispielsweise eine erste Spule 29, bei der die radial äußerste Lage 38 mit einer radial innersten Lage 70 nicht identisch ist. Auf die radial äußerste Lage 38 der ersten Spule 29 wurde, wie bereits zu dem Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 beschrieben, Füllstoff 46 auf die radial äußerste Lage 38 aufgetragen bzw. aufgefüllt und dieser mittels einer Glättungsvorrichtung 60 geglättet. Nach dem Aushärten des Füllstoffs 46 wurde eine erste Lage 49 auf die zylindrische Oberfläche 58 aufgewickelt. Aufgrund dieser idealtypischen Oberfläche ist es gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 8 möglich, nicht nur eine regelmäßige erste Lage 49 aufzuwickeln, sondern darüber hinaus eine zweite Lage 73 und eine dritte Lage 76. Dabei wird erreicht, dass die einzelnen Drahtquerschnitte 80 des Drahts 52 der ersten Lage 49 und der der zweiten Lage 73 bei zueinander nächstliegender Anordnung, wie bereits oben erwähnt, orthozyklisch angeordnet sind. Aufgrund der Regelmäßigkeit der zweiten Lage 73 und der ersten Lage 49 ist es darüber hinaus auch möglich, die einzelnen Drahtquerschnitte 80 zueinander nächstliegend angeordneter Drahtquerschnitte 80 der zweiten Lage 73 und der dritten Lage 76 zueinander orthozyklisch anzuordnen.
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Das gleiche gilt für die Ausführung nach 9. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 8 lediglich darin, dass ein Abstand h zwischen der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 und der radial innersten Lage 70 der zweiten Spule 32 ungleich Null ist. Das hierbei angewendete Verfahren zur Glättung ist, wie zu 6 beschrieben, durchgeführt worden. Das Ausführungsbeispiel nach 10 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 8 darin, dass auch hier die bereits zu 7 erwähnten Wellentäler 68 auftauchen. Wie dargestellt ist es dennoch möglich, eine orthozyklische Wicklung der zweiten Spule 32 zu erreichen. Der Füllstoff 46 ist, wie zum Ausführungsbeispiel nach 7 erwähnt, ebenfalls geschrumpft und bildet daher zwischen den einzelnen Drahtquerschnitten 43 der radial äußersten Lage 38 der ersten Spule 29 die erwähnten Wellentäler 68.
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Allgemein sei noch erwähnt, dass der Materialauftrag des Füllstoffs 46 sowohl über ein so genanntes Vergießen und ggf. Abstreichen der Flüssigkeit mit anschließendem Aushärten erfolgen oder alternativ über ein Verstreichen einer Paste mit anschließendem Aushärten erfolgen kann. Hierzu kommen vorzugsweise Reaktionsharze, wie beispielsweise Imprägnierharze zur Anwendung. Durch dieses Aufbringen eines Füllstoffs 46 ist es möglich, letztlich eine wilde Wicklung zu vermeiden, dadurch größere Radien für die äußerste Erstreckung einer radial äußersten Lage einer zweiten Spule 32 zu verringern und letztlich bei gleicher Wicklungszahl, z. B. den Füllfaktor zu erhöhen. Bei gleichbleibendem Außendurchmesser für die Anordnung der ersten Spule 29 und der zweiten Spule 32 kann durch Erhöhung der Windungszahl und alternativ durch Vergrößerung der Drahtdurchmesser die Leistungsdichte der Spulenanordnung 7 gesteigert werden. Zudem ist es möglich, durch gezielte Auswahl des Füllstoffs 46, beispielsweise mit zusätzlichen festen Füllstoffpartikeln, die z. B. eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Matrix des Füllstoffs aufweisen, die Wärmeleitfähigkeit zwischen der ersten Spule 29 und der zweiten Spule 32 zu verbessern. Darüber hinaus kann beispielsweise die Feuchtigkeitsaufnahme der Spulenanordnung 7 sowie ein Paramagnetismus verringert sein. Darüber hinaus wird durch den effektiv verringerten Abstand zwischen der ersten Spule 29 und der zweiten Spule 32 die Wärmeleitung verbessert. Zusätzlich ist eine Kontaktfläche zwischen erster Spule 29 und dem Füllstoff 46 wesentlich größer als eine Kontaktfläche zwischen der ersten Spule 29 und einer Zwischenlage, wie sie eingangs dieser Beschreibung erwähnt wurde. Der Füllstoff 46 kann feste Füllstoffpartikel aufweisen, die andere physikalische Eigenschaften aufweisen, wobei die Füllstoffpartikel vorzugsweise eine andere, insbesondere höhere Wärmeleitfähigkeit oder eine andere Dichte oder ein anderes Schrumpf-/Schwindungsverhalten oder ein anderes Feuchtigkeitsaufnahmeverhalten haben.
