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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieses Halbzeugs.
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Bislang werden Spulen aus Runddraht gewickelt, was aufgrund der Leiterform zur mangelnden Raumnutzung speziell bei konisch ausgeführten Spulen führt, oder durch Gießen hergestellt, was ein sehr aufwendiges Verfahren ist.
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Gemäß der
EP 2 387 135 A2 hängt die erreichbare Drehmomentdichte permanenterregter Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung maßgeblich von dem Verhältnis von gesamter Kupferquerschnittsfläche zu Nutfläche, dem sogenannten Nutfüllfaktor, ab. Eine Erhöhung des Füllfaktors ermöglicht bei gleich bleibendem Drehmoment einen flacheren Aufbau des Stators oder eine Verbreiterung der Zähne zur Entlastung des Magnetkreises.
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Eine wesentliche geometrische Einschränkung liegt im Stand der Technik in den beschränkten Möglichkeiten zum Einsatz unterschiedlicher Windungsquerschnitte: Üblicherweise kommen Runddrähte für die Wicklungen zum Einsatz, bei denen selbst bei optimaler Ausnutzung immer ein nicht nutzbarer Zwischenraum zwischen den einzelnen Wicklungen verbleibt. Auch die notwendige Isolation, die Drahteinführung und die diskrete Verteilung der Leiter begrenzen den Füllfaktor. Da der letztendlich erzielte Nutfüllfaktor zudem bei der elektromagnetischen Auslegung nur geeignet geschätzt und aufgrund der Unkenntnis der späteren tatsächlichen Ausführung des Motors nicht berechnet werden kann, werden die Motoren aufgrund der höheren notwendigen Massen (Kupfer der Wicklungen und Blechpakete des Stators und des Rotors) tendenziell (zu) schwer und (zu) groß.
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Die wesentliche fertigungstechnische Schwierigkeit besteht im Aufbringen der Wicklungen auf den Zahn.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit den heute üblichen Verfahren der Herstellung von Spulenwicklungen technische und wirtschaftliche Grenzen der Nutfüllung mit einzelnen Windungen bestehen. Ein Nutfüllfaktor von 70 % ist bereits ein sehr guter Wert, die technisch wie wirtschaftlich sinnvoll machbaren Grenzen liegen momentan bei ca. 75 % bis 80 % (Quelle: Müller, Vogt, Ponick: „Berechnung elektrischer Maschinen“, S. 168, 6. Auflage, Wiiey-VCH, Weinheim, 2008.")
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Das aus der
EP 2 387 135 A2 bekannte Verfahren ermöglicht die Herstellung von Spulen durch Gießen unter Erfüllung der o. g. Anforderungen, ist jedoch unwirtschaftlicher als eine umformende Herstellung von Spulen (keine verlorene Form etc.).
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Laut
EP 2 387 135 A2 umfasst der Stand der Technik mehrere konventionelle Fertigungsverfahren. Ein Verfahren zur maschinellen Herstellung ist die Nadelwickeltechnik, bei der die Drähte einzeln durch das Fenster zwischen zwei Zähnen hindurchgeführt werden. Hierfür ist ein bestimmter Freiraum erforderlich, der konstruktiv berücksichtigt werden muss und sich negativ auf den Füllfaktor auswirkt. Eine weitere Möglichkeit ist das so genannte „Einträufeln“ von Wicklungen in das Nutfenster über den Zahn hinweg. Dies ist jedoch ein Vorgang, der manuell durchgeführt wird und daher entsprechend kostenintensiv ist. Des Weiteren offenbart die
EP 2 387 135 A2 eine Spulengießtechnik, mit welcher sich zwar der Füllfaktor erhöhen lässt, welche aber wesentlich unwirtschaftlicher ist, als eine umformend herzustellende Spule (verlorene Form etc.). Aus den Schutzrechten
DE 10 2013 012 659 A1 und
DE 10 2014 000 636 A1 gehen Fertigungsverfahren hervor, welche den Drahtquerschnitt erst nach dem Wickeln der Elektrospule umformtechnisch beeinflussen. Aufbauend auf der
DE 10 2013 012 659 A1 und der
DE 10 2014 000 636 A1 ergeben sich neue Restriktionen aus der Wirtschaft, welche eine geometrische Sollform des Drahtabschnittes für den Wirkbereich sowie die belassene Eingangsform des Drahts für den Bereich des Wickelkopfes der elektrotechnischen Spule fordern. Weiterhin besteht künftig die Notwendigkeit zur Fertigung größerer Stückzahlen von Motoren.
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Mit allen o.g. Schutzrechten wird außerdem kein gewollter Unterschied in der Größe der Querschnittsfläche des Leiters zwischen Wickelkopf und Wirkbereich der Spule genannt.
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Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieses Halbzeugs zur Verfügung zu stellen, mit dem eine elektrotechnische Spule unter Erzielung eines erhöhten Füllfaktors bzw. Nutfüllfaktors auf zuverlässige und einfache Art und Weise reproduzierbar wirtschaftlich hergestellt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule gemäß Anspruch 1 die folgenden Schritte:
- - Schritt A: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts (1) in Wellenform (W) durch Verlegen des Drahts (1) in einer Legerichtung (L) unter abwechselnder Bildung von entgegengesetzt gekrümmten ersten und zweiten Schleifen (1a, 1b) mit jeweils einem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen (1a, 1b) ausgebildeten Umformabschnitt (1c).
- - Schritt B: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels (2) mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1).
- - Schritt C: Umformen des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1) in wenigstens einem Umformabschnitt (1c) unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs (3) durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts (1).
- - Schritt D: Fördern des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1) in seiner Erstreckungsebene.
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Durch Anordnung des Drahts in Wellenform wird ein flächiges Gelege gebildet, welches durch das Verbindungsmittel in seiner flächigen Form fixiert wird. In diesem Zustand kann auf besonders einfache Weise eine lokale Veränderung der Querschnittsform des Drahts unter Ausbildung eines oder mehrerer Umformbereiche erfolgen. Sodann kann eine Aufwicklung des wellenförmig angeordneten Drahts derart erfolgen, dass die Umformbereiche exakt oder im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse ausgerichtet sind, damit die Umformbereiche bei der Aufwicklung nicht zusätzlich gekrümmt werden. Bei der nachträglichen Rückabwicklung des wellenförmig angeordneten Drahts aus dem aufgewickelten Zustand bleibt der lineare bzw. ungekrümmte Zustand der Umformbereiche erhalten.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die relativ einfache Fertigung von gleichmäßig oder konisch ausgeführten Spulen mit konstanter oder sich ändernder Leiterquerschnittsform bei gleichem Flächeninhalt des Leiters und zielt auf die Nutzung der Vorteile der umformenden Herstellung (kein/wenig Materialverlust) und die damit einhergehende Verkürzung von Prozessketten durch den Wegfall von Fertigungs- und Bearbeitungsschritten ab.
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Es kann von Vorteil sein, wenn das Verfahren wenigstens einen der folgenden zusätzlichen Schritte aufweist:
- - Schritt D: Fördern des in Wellenform angeordneten Drahts in einer Förderrichtung, welche einer Legerichtung des Drahts entgegengesetzt ist.
- - Schritt E: Aufbringen einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf den Draht, vorzugsweise nach Schritt C und/oder vor Schritt G.
- - Schritt F: Trocknen der Beschichtung.
- - Schritt G: Aufwickeln des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise derart, dass der wenigstens eine Umformbereich exakt oder im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse ausgerichtet ist.
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Durch die genannten Schritte kann der Draht für die abschließende Spulenwicklung bereits weitgehend vorgefertigt werden. Durch die Beschichtung kann ein Kurzschluss zwischen den sich möglicherweise kontaktieren Spulenwindungen vermieden werden, insbesondere wenn die Spulenwindungen durch Ausübung einer Druckkraft entlang der Windungsachse zusätzlich verdichtet werden.
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Gängige Praxis war z.B. gemäß der
EP 2 387 135 A2 die Fertigung und anschließende Beschichtung der Spulen. Das Umstellen der Prozesskette nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist durch Beschichtungsproblematik in Verbindung mit der Umformung motiviert. Die hier vorliegende Prozesskette teilt den Umformvorgang in Vorformen und Wickeln.
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Bisher ist Umformen, Beschichten und Wickeln der Spulen nur ohne eine Zwischenlagerung als Coilmaterial möglich. Die vorliegende Erfindung erzielt eine Erhöhung der Produktivität und der Transportfähigkeit vorgeformter, beschichteter Drahtabschnitte für zu wickelnde Spulen.
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Es kann aber auch nützlich sein, wenn Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
- - Schritt A1: Bereitstellen des Drahts, vorzugsweise als Endlosdraht, bevorzugt durch Strangpressen, Extrusion oder Abwickeln von einer Spule, wobei der Draht vorzugsweise eine über die Länge konstante Querschnittsform aufweist, bevorzugt eine kreisförmige oder rechteckige Querschnittsform.
- - Schritt A2: Verlegen des Drahts in einer Legerichtung unter abwechselnder Bildung von entgegengesetzt gekrümmten ersten und zweiten Schleifen mit jeweils einem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen ausgebildeten Umformabschnitt.
- - Schritt A3: Biegen des Drahts in Wellenform unter Verwendung von ersten und zweiten Halteeinrichtungen mit jeweils einer Vielzahl von entlang einer Linie angeordneten Halteabschnitten, die vorzugsweise identisch ausgebildet und/oder regelmäßig voneinander beanstandet sind, wobei die Linien, entlang derer die Halteabschnitte der ersten und zweiten Haltereinrichtungen angeordnet sind, bevorzugt horizontal und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei der Teilschritt A3 vorzugsweise die folgenden Teilschritte umfasst:
- - Schritt A3-1: Bildung einer ersten Schleife durch Führung des von der zweiten Halteeinrichtung kommenden Drahts um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der ersten Halteeinrichtung und wieder zurück in Richtung der zweiten Halteeinrichtung, vorzugsweise unter Ausbildung einer Biegung mit kontinuierlichem Biegeradius und/oder in einem Winkel im Bereich von 160° bis 200°, bevorzugt im Bereich von 170° bis 190°, besonders bevorzugt 180°, ohne dass sich der Draht überkreuzt, wobei sich der Draht vorzugsweise entlang der gesamten ersten Schleife oder zumindest eines Teils davon biegeinnenseitig an dem Halteabschnitt der ersten Halteeinrichtung abstützt.
- - Schritt A3-2: Bildung einer zweiten Schleife durch Führung des von der ersten Halteeinrichtung kommenden Drahts um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der zweiten Halteeinrichtung und wieder zurück in Richtung der ersten Halteeinrichtung, vorzugsweise unter Ausbildung einer Biegung mit kontinuierlichem Biegeradius und/oder in einem Winkel im Bereich von 160° bis 200°, bevorzugt im Bereich von 170° bis 190°, besonders bevorzugt 180°, ohne dass sich der Draht überkreuzt, wobei sich der Draht vorzugsweise entlang der gesamten zweiten Schleife oder zumindest eines Teil davon biegeinnenseitig an dem Halteabschnitt der zweiten Halteeinrichtung abstützt.
- - Schritt A3-3: Aufbringen einer Zugspannung auf den Draht, sodass die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schleifen angeordneten Umformabschnitte des Drahts gespannt sind und sich entlang einer geraden Linie erstrecken, wobei die Umformabschnitte vorzugsweise exakt oder im Wesentlichen gleich lang sind und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder regelmäßig voneinander beabstandet sind.
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Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine plastische Verformung des zunächst linearen Drahts in Wellenform erzielt werden. Die Biegeverformung des Drahtes wird dabei durch entsprechend geformte Halteabschnitte der Halteeinrichtungen sowie durch Ausübung einer Zugkraft, vorzugsweise ausgehend von dem in Legerichtung führenden Ende des Drahtes, begünstigt. Die Biegeradien des Drahtes im Bereich der ersten und zweiten Schleifen sowie die daraus resultierenden Abstände der Umformabschnitte können je nach Beschaffenheit und Dicke des Drahts individuell festgelegt werden. Vorzugsweise sind die Krümmungsradien der Halteabschnitte der Halteeinrichtungen auf die gewünschten Biegeradien des Drahts an den jeweiligen Biegeinnenseiten der ersten und zweiten Schleifen abgestimmt. Durch Ausübung einer Zugkraft auf den Draht wird die Formgebung des Drahts begünstigt. Insbesondere wird verhindert, dass der Draht unter dem Einfluss seiner eigenen Gewichtskraft durchhängt, sodass die Umformabschnitte, soweit technisch möglich, in möglichst kleinen Abständen parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Abstand zweier benachbarter Umformabschnitte liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 1000 % des (unverformten) Drahtdurchmessers, bevorzugt im Bereich 200 bis 500 % des (unverformten) Drahtdurchmessers, besonders bevorzugt im Bereich 300 bis 400 % des (unverformten) Drahtdurchmessers. Die Biegeradien im Bereich der ersten und zweiten Schleifen entsprechen dementsprechend den halben Abständen zweier benachbarter Umformabschnitte. Jeder Umformabschnitt erstreckt sich vorzugsweise von einer ersten Schleife bis zu einer darauf folgenden zweiten Schleife oder von einer zweiten Schleife bis zu einer darauf folgenden ersten Schleife.
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Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
- - Schritt B1: Bereitstellen wenigstens eines strangförmigen Verbindungsmittels, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, durch Strangpressen oder Extrusion.
- - Schritt B2: Verbinden des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels mit einem ersten Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise mit einem Umformabschnitt.
- - Schritt B3: Anordnen des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels in Legerichtung des Drahts und/oder quer, vorzugsweise senkrecht, zu dem ersten Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, wobei bevorzugt mehrere strangförmige Verbindungsmittel quer oder senkrecht zur Legerichtung des Drahts gleichmäßig von einander beabstandet sind.
- - Schritt B4: Verbinden des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels mit einem zweiten Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise mit einem Umformabschnitt, bevorzugt derart, dass mehrere strangförmige Verbindungsmittel parallel zueinander und/oder parallel zur Legerichtung des Drahts ausgerichtet sind.
- - Schritt B5: Verbinden des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels mit jedem weiteren in Legerichtung folgenden Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise mit jedem weiteren Umformabschnitt, den das wenigstens eine strangförmige Verbindungsmittel in Legerichtung kreuzt.
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Durch das Verbindungsmittel wird der in Wellenform angeordnete Draht in seiner flächigen Ausdehnung fixiert. Dies erweist sich insbesondere für den nachgelagerten Schritt der Umformung des Drahtes unter Ausbildung eines oder mehrerer Umformbereiche durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts als vorteilhaft, weil dazu mit Kraft auf den Draht eingewirkt werden muss. Dies kann dazu führen, dass die Wellenform des Drahts gestört und/oder unterbrochen wird. Genau dies wird durch das Verbindungsmittel verhindert. Das Verbindungsmittel hat demnach eine stabilisierende Funktion, sowohl während der Förderung des in Wellenform angeordneten Drahts in seiner Erstreckungsebene als auch bei einer möglichen nachgelagerten Aufwicklung sowie der entsprechenden Rückabwicklung aus dem aufgewickelten in einen ebenen Zustand. Nach Erfüllung seiner Stabilisierungsfunktion kann das Verbindungsmittel entfernt werden. Aus praktischer Sicht kann das Verbindungsmittel aus dem gleichen Material wie der Draht bestehen. Dabei wird das Verbindungsmittel beispielsweise stranggepresst extrudiert oder von einer Rolle abgewickelt und in einem plastischen und verformbaren Zustand mit dem Draht in Kontakt gebracht, um beim Erkalten eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Draht einzugehen. Das Verbindungsmittel kann stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Draht verbunden werden. Vorzugsweise wird an jeder Verbindungsstelle die gleiche Verbindungsart gewählt.
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Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
- - Schritt C1: Umformung des Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs unter Beibehaltung der Querschnittsfläche des Drahts, wobei die Querschnittsform vorzugsweise ausgehend von einer runden oder rechteckigen Querschnittsform in eine ovale, rechteckige oder trapezförmige Querschnittsform geändert wird.
- - Schritt C2: Umformung des Drahts unter Ausbildung mehrerer Umformbereiche, welche jeweils die gleiche Länge und/oder die gleiche Querschnittsform aufweisen.
- - Schritt C3: Umformung des Drahts unter Ausbildung mehrerer voneinander beanstandeter Umformbereiche innerhalb desselben Umformabschnitts des Drahts, wobei sich die mehreren Umformbereiche vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Verbindungsmitteln befinden.
- - Schritt C4: Umformung des Drahts unter Ausbildung mehrerer voneinander beanstandeter Umformbereiche innerhalb desselben Umformabschnitts des Drahts, wobei sich die mehreren Umformbereiche vorzugsweise auf unterschiedlichen Seiten desselben Verbindungsmittels befinden.
- - Schritt C5: Umformung des Drahts in mehreren oder allen Umformabschnitten des Drahts nach einem sich wiederholenden Muster, vorzugsweise derart, dass mehrere oder alle Umformabschnitte des Drahts identische Umformbereiche aufweisen.
- - Schritt C6: Umformung des Drahts durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts gemäß der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 224 837 A1 .
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Die Umformung des Drahtes dient der vorgreiflichen Veränderung der Querschnittsform, sodass der Draht bei einer entsprechenden Biegung im Wege der Herstellung der elektrotechnischen Spule idealerweise wieder die ursprüngliche Querschnittsform im unverformten Zustand einnimmt. Entsprechende Techniken sind in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2016 224 837 A1 beschrieben, deren Inhalte durch Bezugnahme vollumfänglich in der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung enthalten sind.
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Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn Schritt G wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
- - Schritt G1: Bereitstellen einer Einrichtung zum Aufwickeln des in Wellenform angeordneten Drahts, sodass die Wicklungsachse der Einrichtung unterhalb des in Wellenform angeordneten Drahts angeordnet ist.
- - Schritt G2: Fördern des in Wellenform angeordneten Drahts in Förderrichtung in einer zur Wicklungsachse parallelen Ebene.
- - Schritt G3: Aufrollen des in Förderrichtung vorderen Endes des in Wellenform angeordneten Drahts um die Wicklungsachse, sodass der wenigstens eine Umformbereich des Drahts, vorzugsweise die Umformabschnitte des Drahts, parallel zur Wicklungsachse ausgerichtet ist/sind.
- - Schritt G4: Fixieren des in Wellenform angeordneten Drahts in einem um die Wicklungsachse aufgewickelten Zustand.
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Durch diese Maßnahmen kann der in Wellenform angeordnete Draht besonders kompakt in Coilform angeordnet werden, wobei eine unbeabsichtigte Verformung der parallel zur Wicklungsachse ausgerichteten Umformabschnitte vermieden werden kann.
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Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend:
- - Eine Einrichtung zur Anordnung eines elektrisch leitenden Drahts in Wellenform, vorzugsweise umfassend wenigstens eines der folgenden Merkmale:
- - Eine Spule, von welcher der Draht vorzugsweise kontinuierlich abgewickelt werden kann.
- - Erste und zweite Halteeinrichtungen mit jeweils einer Vielzahl von entlang einer Linie angeordneten Halteabschnitten, wobei die Linien, entlang derer die Halteabschnitte der ersten und zweiten Halteeinrichtungen angeordnet sind, vorzugsweise horizontal und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Halteabschnitte der ersten Halteeinrichtung und/oder die Halteabschnitte der zweiten Halteeinrichtung bevorzugt gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
- - Ein Drahtverlegewerkzeug, welches ausgebildet ist, um in Legerichtung des Drahts abwechselnd eine erste Schleife um einen Halteabschnitt der ersten Halteeinrichtung und eine zweite Schleife um einen Halteabschnitt der zweiten Halteeinrichtung zu bilden, sodass sich jeweils ein Umformabschnitt des Drahts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen erstreckt.
- - Eine Einrichtung zur Verbindung des Verbindungsmittels mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform angeordneten Drahts.
- - Eine Einrichtung zur Umformung des in Wellenform angeordneten Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts.
- - Es kann nützlich sein, wenn die Vorrichtung wenigstens eines der folgenden Merkmale aufweist:
- - Eine Einrichtung zur Förderung des in Wellenform angeordneten Drahts in seiner Erstreckungsebene, vorzugsweise eine Einrichtung zur simultanen Förderung der Halteabschnitte der ersten und zweiten Halteeinrichtungen in Förderrichtung entlang der jeweiligen Linie, entlang der die Halteabschnitte der jeweiligen Halteeinrichtung angeordnet sind, bevorzugt kontinuierlich oder diskontinuierlich, besonders bevorzugt in Förderrichtung und/oder entgegen der Legerichtung des Drahts.
- - Eine Einrichtung zur Aufbringung einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf den Draht.
- - Eine Einrichtung zur Trocknung der Beschichtung.
- - Eine Einrichtung zur Aufwicklung des in Wellenform angeordneten Drahts, wobei die Einrichtung vorzugsweise als Haspel ausgebildet ist und um eine zur Erstreckungsebene des in Wellenform angeordneten Drahts parallele Achse drehbar ist, wobei die Förderrichtung des Drahts exakt oder im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung der Einrichtung verläuft.
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Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule, vorzugsweise hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend:
- - Einen in Wellenform angeordneten, elektrisch leitenden Draht.
- - Wenigstens ein Verbindungsmittel, das mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform angeordneten Drahts verbunden ist.
- - Wenigstens einen Umformbereich, in welchem der in Wellenform angeordnete Draht unter Veränderung seiner Querschnittsform umgeformt ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, umfassend die Schritte:
- - Schritt X: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts, so dass wenigstens zwei Abschnitte des Drahts exakt oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
- - Schritt Y: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels mit wenigstens zwei exakt oder im Wesentlichen parallelen Abschnitten des Drahts.
- - Schritt Z: Umformen des Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts.
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Das Verfahren nach diesem Aspekt der Erfindung kann mit allen hierin offenbarten Ausbildungen kombiniert werden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch Kombination der Merkmale, die in den Ansprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung offenbart sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule.
- 2 eine perspektivische schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Vorrichtung 10 umfasst im einen rechteckigen und ebenen Arbeitsbereich 10A mit einer horizontalen Oberfläche zur Anordnung des Drahtes 1 in Wellenform W sowie eine an eine kürzere Seite des rechteckigen Arbeitsbereichs 10A anschließende Haspel/Trommel 10B zur Aufwicklung des flächigen Drahtgeleges entlang seiner Legerichtung L.
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Im ersten Arbeitsbereich 10A befindet sich eine Endlosspule 11, von der ein Draht 1 aus elektrisch leitendem Material wie zum Beispiel Kupfer oder Messing oder einer Legierung abgerollt und einem sich quer zur Legerichtung L hin- und herbewegenden Drahtlegewerkzeug 12 zugeführt wird.
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Entlang des rechteckigen und horizontalen Arbeitsbereichs 10A erstrecken sich beidseitig davon erste und zweite Halteeinrichtungen 13a und 13b mit einer Vielzahl von regelmäßig beabstandeten Halteabschnitten (nicht dargestellt), die zur Verlegung des elektrisch leitenden Drahts 1 in Wellenform W dienen. Die Halteabschnitte befinden sich jeweils an Zugketten (nicht dargestellt), die in einer Ebene senkrecht zur Blattebene umlaufen und können jeweils simultan zueinander schrittweise oder kontinuierlich in Förderrichtung F bewegt werden.
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Unter Verwendung der ersten und zweiten Halteeinrichtungen 13a und 13b wird nun der Draht wellenförmig angeordnet, indem (nach Fixierung des führenden Endes des Drahts 1) abwechselnd erste und zweite Schleifen 1a, 1b unter Verwendung der ersten und zweiten Halteeinrichtungen 13a, 13b gebildet werden, sodass jeweils ein sich in gerader Linie erstreckender Umformabschnitt 1c zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen 1a, 1b angeordnet ist, der sich von einer dieser Schleifen 1a, 1b bis zur darauf folgenden Schleife 1b, 1a erstreckt.
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Die Bildung einer ersten Schleife 1a wird bewerkstelligt durch Führung des von der zweiten Halteeinrichtung 13b (d.h. aus dieser Richtung) kommenden Drahtes 1 um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der ersten Halteeinrichtung 13a und wieder zurück in Richtung der zweiten Halteeinrichtung 13b mit kontinuierlichem Biegeradius und einem Biegewinkel von 180°, sodass sich der Draht 1 nicht überkreuzt.
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Im Wesentlichen spiegelsymmetrisch dazu wird die Bildung einer zweiten Schleife 1b bewerkstelligt durch Führung des von der ersten Halteeinrichtung 13a (d.h. aus dieser Richtung) kommenden Drahts 1 um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der zweiten Halteeinrichtung 13b und wieder zurück in Richtung der ersten Halteeinrichtung 13a mit kontinuierlichem Biegeradius und einem Biegewinkel von 180°, sodass sich der Draht 1 nicht überkreuzt und die jeweils benachbarten Umformabschnitte 1c horizontal und parallel zueinander in regelmäßigen Abständen sowie senkrecht zu den beiden Halteeinrichtungen 13a und 13b ausgerichtet sind.
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Um ein Einknicken des Drahtes 1 im Bereich der ersten und zweiten Schleifen 1a, 1b zu vermeiden, wird der Draht 1 vorzugsweise im gesamten Biegebereich der ersten und zweiten Schleifen 1a, 1b biegeinnenseitig an den jeweiligen Halteabschnitten der ersten bzw. zweiten Halteeinrichtung 13a, 13b abgestützt.
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Die Formgebung des Drahts 1 in Wellenform kann dadurch unterstützt werden, dass beispielsweise durch das Drahtlegewerkzeug 12 eine Zugspannung auf den Draht 1 aufgebracht wird, sodass sich der Draht 1 spannt und sich die Schleifen 1a, 1b eng um die jeweiligen Halteabschnitte der Halteeinrichtungen 13a und 13b legen und die Umformabschnitte 1c straff gespannt sind und unter der Einwirkung ihrer eigenen Gewichtskraft nicht durchhängen.
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In diesem Zustand sind die ersten und zweiten Schleifen 1a, 1b sowie Umformabschnitte 1c untereinander jeweils identisch ausgebildet und erstrecken sich exakt in einer horizontalen Ebene. Der Draht 1 umfasst eine Vielzahl von Wellen, die jeweils aus einer ersten Schleife 1a, einer zweiten Schleife 1b und einem dazwischen angeordneten Umformabschnitt 1c bestehen. Alle Wellen weisen die gleiche Form auf und sind hinsichtlich ihrer Länge und Breite gleich.
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Das dadurch gebildete, flächige Drahtgelege mit dem in Wellenform W angeordneten Draht 1 wird durch einen symmetrischen Antrieb der Halteeinrichtungen 13a, 13b in einer zur Drahtlegerichtung L entgegengesetzt ausgerichteten Förderrichtung F gefördert. Die Förderung ist dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich, wobei die Fördergeschwindigkeit auf die Produktionsgeschwindigkeit des Drahtlegewerkzeugs 12 abgestimmt ist, sodass jede von dem Drahtlegewerkzeug 12 neu erzeugte Welle der in Wellenform W angeordnete Draht 1 um die Länge einer Welle in Fördererrichtung F gefördert wird.
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In Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun Querverbindungen zwischen dem in Wellenform W angeordneten Draht 1 hergestellt, indem strangförmige Verbindungsmittel 2 mit voneinander beanstandeten Abschnitten des Drahtes 1 verbunden werden. Eine entsprechende Einrichtung 14 zur Bereitstellung von Verbindungsmitteln 2 stellt im vorliegenden Beispiel drei jeweils als Endlosstrang ausgebildete Verbindungsmittel 2 bereit, die sich parallel zueinander sowie parallel zu der Förderrichtung F und parallel zu den Halteeinrichtungen 13a und 13b erstrecken und in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Verbindungsmittel 2 aus demselben Material wie der Draht 1 hergestellt, weisen jedoch eine geringere Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise wird jedes strangförmige Verbindungsmittel 2 von der Einrichtung 14 in Endlosform und in einem plastischen Zustand bereitgestellt, sodass durch geringfügige Ausübung von Druck auf das Verbindungsmittel 2 in Richtung des damit zu verbindenden Drahts 1, gegebenenfalls ausschließlich unter dem Einfluss der Schwerkraft, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel 2 und dem Draht 1 erzielt werden kann. Das erste Verbindungsmittel 2 (in Fördererrichtung F links) erstreckt sich dabei jeweils (in Förderrichtung F rechts) knapp neben den ersten Schleifen 1a senkrecht zu den zueinander parallelen Umformabschnitten 1c. Das zweite Verbindungsmittel 2 (in Fördererrichtung F weiter rechts) erstreckt sich in einem etwas größeren Abstand von den zweiten Schleifen 1b senkrecht zu den zueinander parallelen Umformabschnitten 1c. Das dritte Verbindungsmittel 2 verläuft mittig auf halbem Abstand zwischen den ersten und zweiten Verbindungsmitteln 2 senkrecht zu den zueinander parallelen Umformabschnitten 1c.
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In Schritt C wird der in Fördererrichtung F geförderte und in Wellenform W angeordnete Draht 1 einer Umformung unter Ausbildung mehrerer Umformbereiche 3 durch Veränderung der Querschnittsform des Drahtes 1 unterzogen, genauer gesagt unter Ausbildung von insgesamt vier Umformbereichen 3 für jeden Umformabschnitt 1c. In jedem Umformabschnitt 1c sind zwei Umformbereiche 3 zwischen dem ersten und dem dritten Verbindungsmittel 2 angeordnet, und jeweils zwei Umformbereiche 3 sind zwischen dem zweiten und dem dritten Verbindungsmittel 2 angeordnet. In diesen Umformbereichen 3 ist die Querschnittsform des Drahtes 1 beispielsweise von rund auf oval, rechteckig oder trapezförmig vorgreiflich geändert, sodass bei einer nachträglichen Biegung des Drahtes 1 in jedem dieser Umformbereiche 3 im Wege der Herstellung der elektrotechnischen Spule nach der erfolgten Biegung wieder der Ausgangsquerschnitt vor der Umformung vorliegt. Ein Verfahren zur vorgreiflichen Änderung der Querschnittsform eines elektrischen Leiters unter Verlagerung des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform weg von der Profilachse mit anschließender Biegung zur Rückverlagerung des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform in Richtung der Profilachse ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2016 224 837 A1 bekannt. Die Inhalte der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2016 224 837 A1 sind durch Bezugnahme vollumfänglich hierin enthalten, sodass sie zum Offenbarungsgehalt der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen der vorliegenden Anmeldung zählen.
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Optional wird das flächige Drahtgelege in Schritt E vor dem Aufwickeln noch beschichtet, beispielsweise durch eine elektrisch isolierende Schicht aus Kunststoff oder dergleichen, und in Schritt F getrocknet.
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In Schritt G erfolgt sodann das Aufwickeln des flächigen Drahtgeleges im Arbeitsbereich 10B der Vorrichtung 10 mit einer entsprechenden Einrichtung bzw. Trommel 16 um eine zur Oberfläche des Arbeitsbereichs 10A der Vorrichtung parallele und unterhalb davon angeordnete Wicklungsachse X in Förderrichtung F und entgegen der Drahtlegerichtung L. Beginnend an dem von dem Drahtlegewerkzeug 12 abgewandten Ende wird der in Wellenform W angeordnete Draht 1 nun so aufgerollt, dass alle ersten Schleifen 1a und alle zweiten Schleifen 1b an unterschiedlichen axialen Enden der Wicklung in radialer Richtung bezüglich der Wicklungsachse X übereinander liegen und alle Umformabschnitte 1c exakt parallel zur Wicklungsachse X ausgerichtet sind, sodass sie durch die Aufwicklung weder verbogen noch geknickt werden. Die notwendige Verformung des Drahts 1 zur Überführung aus dem ebenen Zustand, wie er im Abschnitt 10A der Vorrichtung 10 hergestellt wird, in den aufgewickelten oder aufgerollten Zustand, wie er zur Bevorratung sowie zum Transport des Halbzeugs im Arbeitsbereich 10B der Vorrichtung 10 erzeugt wird, wird durch Biegeverformung der randseitig angeordneten ersten und zweiten Schleifen 1a, 1b bewerkstelligt.
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In diesem aufgewickelten bzw. aufgerollten Zustand kann der in Wellenform W angeordnete Draht 1 einfach gelagert und zu seinem Bestimmungsort transportiert werden. Durch Überführung aus dem aufgewickelten bzw. aufgerollten Zustand in einen ebenen Zustand kann die Spule vor Ort fertiggestellt werden, da die für den bestimmungsgemäßen Anwendungsfall notwendigen Vorkehrungen, einschließlich der Umformung des Drahts 1 in den Umformbereichen 3, bereits getroffen worden sind. Vor der Herstellung der elektrotechnischen Spule aus dem vorbereiteten Halbzeug können die Verbindungsmittel 2 getrennt und entfernt werden, da sie primär die Funktion haben, die flächige Anordnung des Drahtgeleges zu fixieren und insbesondere vor dem Aufwickeln/Aufrollen desselben ein Verschieben der Umformabschnitte 1c bezüglich der Wicklungsachse X zu verhindern. Nach der Rücküberführung des Drahtes 1 aus dem aufgewickelten bzw. aufgerollten Zustand in den ebenen Zustand sind die Verbindungsmittel 2 in der Regel entbehrlich.
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Im Ergebnis lassen sich durch die erfindungsgemäße Vorformbildung für eine elektrotechnische Spule in Umformtechnik mit folgenden Merkmalen folgende Vorteile realisieren:
- Das hochproduktive Herstellungsverfahren für Halbzeuge einer solchen Spule nach der Erfindung betrifft insbesondere die umformende Herstellung der Vorform einer elektrotechnischen Spule aus stromleitenden Werkstoffen.
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Im Gegensatz zu den herkömmlichen und auf Einzelspulen ausgerichteten Lösungen, die eine Umformung in Längsorientierung erfordern, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Drahtmittelachse vor dem Aufwickeln idealerweise um 90° gedreht, um eine Packetierung von Endlosdraht mit querschnittsveränderlicher Formgebung zu erreichen.
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Dabei wird das Prinzip der Nähgewirkeherstellung sinngemäß auf einen elektrisch leitenden Draht 1 übertragen, wobei jedoch kein Faden in den Halteeinrichtungen 13a, 13b eingelegt wird, sondern Drahtmaterial.
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Die Halteeinrichtungen 13a, 13b verfügen über für die Drahtaufnahme und Positionierung/Fixierung geeignete Halteabschnitte (nicht gezeigt), in denen der Draht 1 eingehängt und in Schleifen 1a, 1b geformt werden kann.
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Die kontiniuerlich bzw. quasikontinuierlich oder schrittweise angetriebenen Halteeinrichtungen 13a, 13b führen den Draht 1 einem oder mehreren Wirkbereichen/Maschinen bzw. nachgelagerten Einrichtungen 14, 15 und 16 zu.
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Mindestens eine Einrichtung 15 zur Umformung des Drahts 1 dient der abschnittsweisen Formgebung unter Veränderung der Querschnittsform des Drahts 1 in einem oder mehreren Umformbereichen 3.
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Eine Einrichtung zur Aufbringung einer Beschichtung kann integriert werden und/oder eine Einrichtung zur Temperierung / Trocknung des Drahtmaterials (nicht gezeigt).
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Zur Fixierung des in Wellenform W angeordneten Drahts 1 kann eine Einrichtung 14 zum Verbinden des Drahtes 1 mit einem Verbindungsmittel 2 bzw. eine „Einrichtung zum Vernähen“ vorgesehen werden.
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Am Ende kann das so entstandene Umform- oder Umformnähdrahtgelege auf einem Haspel 16 aufgewickelt werden.
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Der wichtigste Vorteil der Erfindung ist die Wirtschaftlichkeit der Herstellung bei geringem Einsatz an Fertigungsmitteln (vgl. Spule in Gießtechnik hat verlorenen Kern). Des Weiteren ist die Verwendung von verhältnismäßig preisgünstigen Halbzeugen (sprich Runddraht) einsetzbar.
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Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ist die Vorform vollständiger Spulenwicklungen am Endlosleiter herstellbar. Durch die kontinuierliche Fertigungsfolge ergibt sich eine sehr hohe Produktivität. Durch die kompakte Anordnung des flächigen Drahtgeleges im aufgewickelten Zustand sind auch lange vorbereitete Drahtabschnitte für die Weiterverarbeitung transportfähig und kompakt lagerbar. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Beschichtung des Drahtes 1 direkt nach der Umformung aufgebracht werden. Die Beschichtung kann extern erfolgen durch Handling in Form eines Coils; Coilbreite und Spulenwicklungslänge müssen nicht korrelieren.
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Anstelle eines Drahts 1 mit kreisförmiger bzw. runder Querschnittsform kann auch ein Draht 1 mit polygonaler, insbesondere rechteckiger Querschnittform als Halbzeug eingesetzt werden.
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Des Weiteren gilt die Erfindung für beschichtete Werkstoffe, bei denen ein anschließender notwendiger Isolationsschritt entfällt.
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Die Erfindung ist nicht an eine Spulenform gebunden, es können gerade, konvexe, konkave oder konische Spulen sowie rotations- und nicht rotationssymmetrische Spulen aus dieser Vorform hergestellt werden.
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Die Vorform wird umformend erzeugt. Durch Schliffproben (zerstörende Materialprüfung) an Windungsquerschnitten ist nachweisbar, ob eine Spule oder deren Vorform umformend hergestellt worden ist.
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Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung sind Spulen für E-Motoren die in Massenproduktion hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Draht
- 1a
- Erste Schleife
- 1b
- Zweite Schleife
- 1c
- Umformabschnitt
- 2
- Verbindungsmittel
- 3
- Umformbereich
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Drahtspule
- 12
- Drahtlegewerkzeug
- 13
- Halteeinrichtung
- 13a
- Erste Halteeinrichtung
- 13b
- Zweite Halteeinrichtung
- 14
- Verbindungseinrichtung
- 15
- Umformeinrichtung
- 16
- Aufwicklungseinrichtung/Haspel
- A
- Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts A (Drahtlegung in Wellenform)
- B
- Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts B (Querverbindungen)
- C
- Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts C (Umformung)
- D
- Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts D (Aufwickeln)
- E
- Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts E (Beschichten)
- F
- Förderrichtung
- L
- Legerichtung
- W
- Wellenform
- X
- Wicklungsachse
