-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spule mit mindestens einer mäanderförmig ausgebildeten Wicklung. Solche elektrischen Spulen können insbesondere für Elektromotoren, wie sie beispielsweise in
DE 10 2017 204 072 A1 beschrieben sind, eingesetzt werden. Die elektrischen Spulen können insbesondere Wicklungen aufweisen, die alternierend mit radial nach außen und nach radial nach innen mäanderförmig gebogene Bereiche, zwischen den geradlinig verlaufende Bereiche vorhanden sind, aufweisen.
-
Die Herstellung dieser elektrischen Spulen bereitet Probleme, wobei es besonders problematisch ist, diese elektrischen Spulen mit mehreren übereinander angeordneten Wicklungen herzustellen. Bei der Formgebung kann es zu Ungleichmäßigkeiten kommen, die wiederum zur Ausbildung ungleichförmiger elektrischer oder elektromagnetischer Felder führen können. Am ungünstigsten ist dabei sogar die Gefahr des Auftretens von Brüchen des eingesetzten elektrisch leitfähigen Drahtes, der mit einer elektrischen Isolation an seiner Oberfläche versehen ist.
-
Es besteht auch die Gefahr der Beschädigung der elektrischen Isolation bei der Verformung des elektrisch leitfähigen Drahtes, was wiederum zu Kurzschlüssen führen kann.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die Herstellung mäanderförmig ausgebildeter elektrischer Spulen erreichbar ist, bei denen die Herstellung gleichmäßig in guter Qualität erreichbar ist, und ungleichmäßige Verformungen des eingesetzten Drahtes sowie Beschädigungen der elektrischen Isolation vermieden werden können.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 9 definiert ein Herstellungsverfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind erste und zweite Formgebungs- und Spannelemente in einer Ausgangsposition auf jeweils einem Radius und abwechselnd zueinander angeordnet. Erste Formgebungs- und Spannelemente weisen eine radial nach außen gerichtete Formgebungsstirnseite und zweite Formgebungs- und Spannelemente eine radial nach innen gerichtete Formgebungsstirnseite auf. Die Formgebungsstirnseiten sind so ausgebildet, dass sie die geometrische Gestalt der herzustellenden elektrischen Spule in den radial innen und radial außen angeordneten mäanderförmigen Bereichen der elektrischen Spule vorgeben.
-
In der Ausgangsposition sind die Formgebungsstirnseiten der ersten Formgebungs- und Spannelemente auf einem kleineren Radius als die Formgebungsstirnseiten der zweiten Formgebungs- und Spannelemente angeordnet, so dass die Wicklung(en) der herzustellenden elektrischen Spule entlang der Oberflächen der Formgebungsseiten der ersten Formgebungs- und Spannelemente ausbildbar sind und ein für die Herstellung der elektrischen Spule eingesetzter elektrisch leitfähiger mit einer äußeren elektrischen Isolation versehener Draht zumindest mit seiner einzigen oder ersten Wicklung an den Oberflächen der Formgebungsstirnseiten der ersten Formgebungs- und Spannelemente anliegt.
-
Die zweiten Formgebungs- und Spannelemente, die jeweils mittig zwischen zwei ersten Formgebungs- und Spannelementen angeordnet sind, werden mit einer Einrichtung translatorisch in Richtung des gemeinsamen Mittelpunktes der Radien auf den die ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelemente angeordnet sind, aus der Ausgangsposition bewegt, so dass eine Verformung des elektrisch leitfähigen Drahtes in Richtung des Mittelpunktes erreichbar ist und sich die Wicklung(en) gleichzeitig an den Formgebungsstirnseiten der zweiten Formgebungs- und Spannelemente abstützen und sich der elektrisch leitfähige Draht auch dort verformt. Dabei werden die ersten Formgebungs- und Spannelemente gleichzeitig infolge der Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente translatorisch in Richtung des Mittelpunktes bewegt.
-
Die Einrichtung, mit der die translatorische Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente in Richtung Mittelpunkt erreichbar ist, ist so ausgebildet, dass eine größere Kraft auf den zu verformenden elektrisch leitfähigen Draht ausgeübt wird, als die Kraftwirkung, mit der die ersten Formgebungs- und Spannelemente in radial nach außen gegen den sich verformenden elektrisch leitfähigen Draht wirken, wobei diese Kräfte an den ersten Formgebungs- und Spannelementen Zug- und/oder Reibkräfte sind, die in die jeweils entgegengesetzte Richtung gerichtet sind, als die Kräfte, die an den jeweils benachbarten zweiten Formgebungs- und Spannelementen wirken.
-
Die zweiten Formgebungs- und Spannelemente sind so weit bewegbar, bis der vorgegebene kleinste Innenradius der elektrischen Spule erreicht ist, woraufhin die Bewegung der ersten Formgebungs- und Spannelemente ebenfalls endet.
-
Vorteilhaft sollten erste und zweite Formgebungs- und Spannelemente in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sein.
-
Zumindest die ersten Formgebungs- und Spannelemente können in Längsführungen, die in einem scheibenförmigen Träger ausgebildet sind, formschlüssig und/oder reibschlüssig gehalten sein. Dabei sollten jeweils gleiche Reibkräfte zwischen den ersten Formgebungs- und Spannelementen und den Oberflächen des Trägers wirken.
-
Die ersten Formgebungs- und Spannelemente können in den Längsführungen mit Klemmelementen fixiert sein. Die Klemmelemente können einstellbar sein, um jeweils eine gleiche Reibkraftwirkung der ersten Formgebungs- und Spannelemente zu erreichen. An einem Klemmelement kann mindestens ein plattenförmiges Element vorhanden sein, das mit einer definierten Kraft gegen eine Oberfläche eines scheibenförmigen Trägers angepresst wird. Dazu kann eine Feder genutzt werden, deren Kraft eingestellt werden kann. Die Einstellung kann beispielsweise mittels mindestens einer Schraube erreicht werden. Bei bekannter Berührungsfläche und Reibkoeffizient kann so die jeweilige Reibkraft gezielt beeinflusst werden.
-
Werden die zweiten Formgebungs- und Spannelemente radial nach innen bewegt, führt diese Bewegung einmal zur gewünschten Verformung des die Wicklung(en) bildenden elektrisch leitfähigen Drahtes und zur Bewegung der ersten Formgebungs- und Spannelemente radial nach innen in Richtung des Mittelpunktes der beiden Radien auf denen die Formgebungs- und Spannelemente angeordnet sind.
-
Wegen der unterschiedlichen Kraftwirkungen an den ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelementen legen die zweiten Formgebungs- und Spannelemente einen geringfügig größeren Weg zurück, als die ersten Formgebungs- und Spannungselemente und es wirken zwischen den ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelementen Zugkräfte.
-
Bei der Verformung des elektrisch leitfähigen Drahtes wird die Oberflächenkontur der Formgebungsstirnseiten der Formgebungs- und Spannelemente nachgebildet und die Wicklung(en), die mit dem elektrisch leitfähigen Draht ausgebildet wird/werden, nimmt/nehmen an den radial innen und radial außen mäanderförmig gebildeten Bereichen die Gestalt der Oberflächenkontur der Formgebungsstirnseiten der Formgebungs- und Spannelemente an. Vorteilhaft sind in den mäanderförmig geformten Bereichen der elektrischen Spule jeweils zwei entgegengesetzt zueinander konkav gebogene Bereiche ausgebildet. Zwischen konkav gebogenen Bereichen ist ein geradlinig ausgebildeter Bereich vorhanden bzw. er kann dort vorhanden sein. Auch die Bereiche der Wicklung(en), die zwischen den radial inneren und äußeren mäanderförmigen Bereichen angeordnet sind, können im Wesentlichen geradlinig ausgebildet werden.
-
Dadurch, dass eine gleichzeitige Bewegung der ersten und der zweiten Formgebungs- und Spannelemente möglich ist, kann trotz der Verformung des elektrisch leitfähigen Drahtes in den mäanderförmig zu biegenden Bereichen, verhindert werden, dass sich der Querschnitt des elektrisch leitfähigen Drahtes in unzulässiger Weise in gebogenen Bereichen soweit reduziert, dass der elektrische Stromfluss durch die elektrische Spule zu ungleichmäßig wird.
-
In der Ausgangsposition sollten die nebeneinander angeordneten ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelemente bzw. deren Radien, auf denen die ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelemente angeordnet sind, einen Abstand zueinander aufweisen, der zumindest annähernd so groß ist, wie der Abstand zwischen radial innen und außen an einer elektrischen Spule angeordneten mäanderförmigen Bereichen ist.
-
Die zweiten Formgebungs- und Spannelemente sollten jeweils mittels radial von außen angreifenden teleskopförmigen Zylindern, einem radial von außen wirkenden Linearantrieb oder jeweils mittels eines Zugseils, mit jeweils gleicher konstanter Geschwindigkeit bewegt werden.
-
An den ersten Formgebungs- und Spannelementen können teleskopförmige Zylinder, Linearantriebe oder Zugseile angreifen, mit denen eine radial nach außen gerichtete Kraftwirkung auf die ersten Formgebungs- und Spannelemente ausübbar ist.
-
Insbesondere pneumatisch oder hydraulisch betätigbare Zylinder oder Linearantriebe (mit und ohne Getriebeübersetzung) können an Formgebungs- und Spannelemente angreifen oder gar mit ihnen verbunden sein, um die jeweilige translatorische Bewegung zu initiieren. Die Bewegung solcher Antriebe oder auch die mit Zugmitteln, wie Zugseilen erreichbare Bewegung kann mit einer elektronischen Steuerung beeinflusst werden. Für den Fall, dass auch Sensoren, beispielsweise Weg- oder Positionssensoren an der Vorrichtung vorhanden sind, kann auch eine Regelung genutzt werden.
-
Die zweiten Formgebungs- und Spannelemente können auch jeweils mittels einer Gewindespindel oder einem Schneckenantrieb innerhalb einer Längsführung translatorisch bewegt werden. Die Antriebe der Gewindespindeln oder der Schneckenantriebe können dazu an eine elektronische Steuerung zu ihrer synchronen Bewegung angeschlossen sein. Die einzelnen Gewindespindeln können jeweils einen Zapfen bewegen, der in einer Längsführung geführt ist.
-
Die ersten Formgebungs- und Spannelemente können mit jeweils einer Zugfeder verbunden sein, deren Zugkraft einstellbar ist. Die Zugkraft soll dabei in entgegengesetzter Richtung zur translatorischen Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente wirken. Die Einstellung der Zugfedern kann mit jeweils mindestens einer Schraube in an sich herkömmlicherweise erfolgen. Bei der Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente werden die ersten Formgebungs- und Spannelemente gegen die Kraft der jeweiligen Zugfeder translatorisch in Richtung des Mittelpunktes M bewegt, so dass auch in den radial nach außen weisenden Bereichen der Wicklung(en) eine Formgebung erreicht werden kann.
-
Die Bewegung der Formgebungs- und Spannelemente sollte in jedem Fall so erfolgen, dass die zweiten Formgebungs- und Spannelemente gleichzeitig und mit konstanter gleicher Geschwindigkeit bewegt werden, so dass sie jeweils den gleichen Weg zurück legen.
-
Dieser Sachverhalt sollte auch bei der Bewegung der ersten Formgebungs- und Spannelemente eingehalten sein. Dies kann insbesondere auch dadurch eingehalten werden, indem an allen zweiten Formgebungs- und Spannelementen und auch an allen ersten Formgebungs- und Spannelementen die gleichen Kräfte entweder radial nach innen für die zweiten Formgebungs- und Spannelement und radial nach außen für die ersten Formgebungs- und Spannelemente wirken.
-
Werden Zugseile eingesetzt, mit denen eine Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente erreichbar ist, können diese über einen Antrieb durch den oder in Richtung auf den Mittelpunkt der Radien, in denen die Formgebungs- und Spannelemente angeordnet sind, geführt werden. Die Zugseile können auf eine geeignete Trommel oder Spindel aufgewickelt werden. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass alle Zugseile gleichmäßig aufgewickelt werden, so dass die damit bewegten Formgebungs- und Spannelemente bei der Bewegung jeweils den gleichen Weg zurück legen.
-
Zumindest mit den Längsführungen in denen die zweiten Formgebungs- und Spannelemente geführt sind, können Endanschläge gebildet sein, mit denen die Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente beendet werden kann, wenn die gewünschte Form der jeweils herzustellenden elektrischen Spule erreicht worden ist und bei Erreichen des Endanschlages ein Antrieb für die Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente abgeschaltet wird.
-
Bei geeigneter Auswahl bzw. eine Einhaltung der an den ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelementen in entgegengesetzter Richtung wirkenden Kräften, mit denen die Verformung der Wicklung(en) erreicht werden kann, kann auch die Bewegung der ersten Formgebungs- und Spannelemente mit der Abschaltung des Antriebs der zweiten Formgebungs- und Spannelemente beendet werden.
-
Insbesondere an den Formgebungsstirnseiten von Formgebungs- und Spannelementen können seitliche Führungselemente vorhanden sein, mit denen ein seitliches Verrutschen der Wicklung(en) verhindert werden kann.
-
Mit der Erfindung können unterschiedliche elektrisch leitfähige Drähte also auch Flachdrähte verarbeitet werden, die ein großes Verhältnis von Breite zu Dicke aufweisen, also erheblich breiter als dicker sein können.
-
Eine elektrische Spule mit mehreren Wicklungen kann so hergestellt werden, dass der jeweilige elektrisch leitfähige Draht spiralförmig auf die Formgebungsstirnseiten der ersten Formgebungs- und Spannelemente abgelegt wird, bevor die zweiten Formgebungs- und Spannelemente radial nach innen bewegt werden, und die Verformung der die elektrische Spule bildenden Wicklung(en) beginnt.
-
Wie bereits angesprochen, kann zuerst mindestens eine Wicklung eines elektrisch leitfähigen Drahtes um die radial nach außen weisenden Formgebungsstirnseiten der ersten Formgebungs- und Spannelemente herum gelegt werden, bis mindestens eine gewünschte Wicklung oder mehrere spiralförmige übereinander liegende Wicklungen ausgebildet ist/sind.
-
Dabei befinden sich die ersten Formgebungs- und Spannelemente in einer Ausgangsposition, die einen kleineren Abstand zum Mittelpunkt der Radien, auf dem die ersten und die zweiten formgebungs- und Spannelemente angeordnet sind, aufweisen, als die zweiten Formgebungs- und Spannelemente.
-
Nach der Ausbildung der Wicklung(en) werden die zweiten Formgebungs- und Spannelemente radial nach innen translatorisch bewegt. Dabei legen sich die Formgebungsstirnseiten der zweiten Formgebungs- und Spannelemente an die radial außen angeordnete Oberfläche der Wicklung(en) an und es beginnt die Verformung des elektrisch leitfähigen Drahtes in Richtung zum Mittelpunkt. Die Verformung in Richtung radial Inneres beginnt und gleichzeitig bzw. kurzzeitig zeitversetzt beginnt auch die Verformung an den radial nach außen weisenden Formgebungsstirnseiten der ersten Formgebungs- und Spannelemente.
-
Je weiter sich die Formgebungsstirnseiten der ersten und der zweiten Formgebungs- und Spannelemente voneinander entfernen, umso weiter sind die mäanderförmig verformten Bereiche voneinander entfernt. Dabei bewegen sich sowohl die zweiten, wie auch die ersten Formgebungs- und Spannelemente radial nach innen in Richtung Mittelpunkt, dadurch steht ausreichend Länge an elektrisch leitfähigem Draht in der/den Wicklung(en) zur Verfügung, so dass wenn überhaupt nur eine geringfügige Dehnung des elektrisch leitfähigen Drahtes, mit dem die mäanderförmig ausgebildete(n) Wicklung(en) ausgebildet werden, zu verzeichnen ist.
-
Dies kann durch die größeren in Richtung Mittelpunkt der Radien, auf denen die Formgebungs- und Spannelemente angeordnet sind, an den zweiten Formgebungs- und Spannelementen wirkenden Kräfte und dadurch, dass die zweiten Formgebungs- und Spannelemente einen geringfügig größeren Weg zurück legen, als die ersten Formgebungs- und Spannelemente, erreicht und so eine mäanderförmige elektrische Spule ausgebildet werden.
-
Nach der Ausbildung der geometrischen Form der elektrischen Spule können die Formgebungs- und Spannelemente in die Ausgangsposition zurück bewegt und die fertig hergestellte elektrische Spule aus der Vorrichtung entfernt werden. Die fertig hergestellte elektrische Spule kann dabei bevorzugt in eine Aufnahmekontur eines Spulenträgers eingeführt werden, so dass ein weiterer zusätzlicher Montageschritt eingespart werden kann.
-
Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Vorrichtungen in einer Reihenanordnung einzusetzen, so dass gleichzeitig mehrere elektrische Spulen hergestellt werden können. Es besteht auch die weitere Möglichkeit, an einem scheibenförmigen Träger an beiden Oberflächen erste und zweite Formgebungs- und Spannelemente vorzusehen, die entsprechend ausgebildet und angetrieben sind. Dadurch können ebenfalls zwei elektrische Spulen gleichzeitig hergestellt werden.
-
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
-
Dabei zeigen:
- 1 eine Aufsicht auf ein Beispiel eines bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Formgebungs- und Spannelements und
- 2 eine Seitenansicht eines bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren scheibenförmigen Trägers.
-
Das in 1 gezeigte Beispiel eines Formgebungs- und Spannelements 1 kann sowohl als erstes, wie auch als zweites Formgebungs- und Spannelement 1 eingesetzt werden. In der Darstellung ist es ausgerichtet, wie ein zweites Formgebungs- und Spannelement 1 an der Vorrichtung. Die Formgebungsstirnseite 1.1 weist in Richtung des Mittelpunkts M eines Radius auf dem die Formgebungs- und Spannelemente 1 angeordnet sind. Bei Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente 1 radial nach innen, legt sich ein hier nicht gezeigter elektrisch leitfähiger Draht an die Formgebungsstirnseite 1.1 an und es erfolgt dort eine Verformung des elektrisch leitfähigen Drahtes, wenn die zweiten Formgebungs- und Spannelemente 1 radial nach innen bewegt werden. Die Bewegung aller zweiten Formgebungs- und Spannelemente 1 sollte synchron erfolgen.
-
Erste Formgebungs- und Spannelemente 1 sind um 180 ° gedreht ausgerichtet, so dass ihre Formgebungsstirnseite 1.1 radial nach außen weist.
-
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind am Formgebungs- und Spannelement 1 mehrere Bohrungen oder Durchbrechungen ausgebildet. Diese können als Kraftangriffs- oder Befestigungspunkte für ein Antriebsmittel, mit dem die translatorische Bewegung erreicht werden kann, genutzt werden. Sie können aber auch zur Befestigung eines Klemmelementes (nicht gezeigt), mit dem das jeweilige dann bevorzugt erste Formgebungs- und Spannelement 1 in einer Längsführung 3 befestigt werden kann, genutzt werden. Mit einem Klemmelement lassen sich gezielt Reibkräfte einhalten, mit denen bevorzugt die Bewegung der ersten Formgebungs- und Spannelemente 1 beeinflusst werden kann, da die Reibkräfte zu Zugkräften zwischen den nebeneinander an geordneten ersten und zweiten Formgebungs- und Spannelementen 1 führen, die über den die Wicklung(en) bildenden elektrisch leitfähigen Draht wirken.
-
So kann beispielswiese an der in 1 vertikal unten angeordneten Bohrung 4 ein Zugseil (nicht gezeigt) befestigt sein, dass durch eine entsprechend angeordnete Bohrung 5, die durch einen scheibenförmigen Träger 2 ausgebildet ist, hindurch geführt werden kann. Zur Bewegung des jeweiligen zweiten Formgebungs- und Spannelement 1 wird das Zugseil durch die Bohrung 5 eingezogen und dadurch bewegt sich das entsprechende zweite Formgebungs- und Spannelement 1 radial nach innen in Richtung auf den Mittelpunkt M hin. Vorteilhaft wirken sich die im scheibenförmigen Träger 2 ausgebildeten Längsführungen 3 aus, die in Form einer Nut oder eines Langloches ausgebildet sein können.
-
Mit der Bewegung der zweiten Formgebungs- und Spannelemente 1 radial nach innen in Richtung auf den Mittelpunkt M, werden auch die ersten Formgebungs- und Spannelemente 1 in Richtung Mittelpunkt M gezogen, wenn mindestens eine Wicklung um die Formgebungsstirnseiten 1.1 der ersten Formgebungs- und Spannelemente 1 gelegt worden ist.
-
Mit den Bewegungen und wirkenden Kräften kann die gewünschte mäanderförmige Verformung der elektrischen Spule an den Formgebungsstirnseiten 1.1 der Formgebungs- und Spannelemente 1 erreicht werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017204072 A1 [0001]
