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Die Erfindung betrifft Luftspulen, für rotierende elektrische Maschinen, deren Spulenseiten sich
mindestens einseitig der Achse oder Welle nähern. Sie sind vor allem aus Maschinen mit einem
Axialfeld in einem ebenen Luftspalt bekannt und sie werden als Scheibenmaschinen u. a. im
Bereich der Stellantriebe für Servoeinrichtungen als mechanisch oder elektronisch kommutierte
Gleichstrommotoren und auch seit Kurzem für Generatoren z. B. für kleine Windkraftanlagen
eingesetzt. Die Luftspulen verlaufen über beide Pole und haben mehrere Windungen, wobei sie
auch Teile einer Wellenwicklung sein können.
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Luftspulen, die für Axialfeldbereiche ausgeführt sind, haben z. B. eine Kreissegmentform, eine
Kreisform, eine ovale Form oder die Form eines Abschnittes dieser Formen. Sie liegen
nebeneinander oder axial verdreht, sich gegenseitig teilweise überlappend, zueinander über einen
Kreisumfang verteilt, und sind so Teil einer scheibenförmigen, ein oder mehrschichtigen oder
treppenförmigen Wicklung. Sie werden als geschlossene oder offene Spulen und in meander-
oder wellenförmigen Wicklungen mit Einfach- oder Mehrfachwindungen verwendet. Die Spulen
werden entweder aus Leiterdraht hergestellt, der über einen Wickeldorn zu einer Spule mit
Mehrfachwindungen aufgewickelt wird, wobei der Draht entweder direkt auf einen separaten
Wickelkörper gewickelt oder mit Draht gewickelt und anschließend vergossen oder unter
Verwendung von Backdraht zu einer selbsttragenden Spule verbacken wird, oder die Spulen
werden als Flachspulen durch Ausstanzen oder Ätzen oder Ausfräsen hergestellt, wobei der
Leiter entweder schneckenförmig (spiralförmig) als Einzelspule beispielsweise in
Kreissegmentform oder in Abschnitten einer Kreissegmentform oder in einer kreisförmigen
Aneinanderreihung von Kreissegmentformen als meander- oder wellenförmige Wicklung
ausgeführt werden.
Definition Spulenseite
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Eine Spulenseite ist der wirksame Leiter einer Spule, der im
Polflächenbereich einer Polart verläuft, der schräge zur Bewegungsrichtung verlaufen kann, und
der so eine wirksame Länge bzw. Leiterkomponente und eine unwirksame Länge bzw.
Leiterkomponente enthalten kann.
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Aus DE 32 31 966 A1 ist eine Flachspule bekannt, die segmentförmig in Spiralform oder die Teil
von mehreren offenen segmentförmig verlaufenden Spulen einer meanderförmigen Wicklung,
auf einer Leiterplatte verläuft. Bei diesen Spulen verlaufen die Spulenseiten zwar, den von
M. Faraday erforschten Idealbedingungen entsprechend, rechtwinklig zur Bewegungsrichtung,
wobei aber die Leiter, die die Spulenseiten verbinden, außerhalb der Polflächen angebracht sind
und keinen Beitrag zur Energieumwandlung bringen. Zudem verlaufen diese Leiter außerhalb
des Feldes schräg zur oder in Bewegungsrichtung, so daß selbst, wenn hier die Polfläche
erweitert werden würde, die Leiter nicht den Idealbedingungen entsprechend liegen und damit
keine optimale Leiter- und Polflächennutzung haben. Daraus resultieren Effektivitätseinbußen,
bezüglich der Maximierung der Drehmomente oder Spannungen, sowie der Leistung. Auch
werden bei der Maschine die verkürzende Wirkung der Achsannäherung, der die Spulenseiten
verbindenden Leiter, nicht voll ausgenutzt, so daß die verbindenden Leiter im achsnahen
Bereich, mit ihrem großen Abstand zur Achse oder Welle relativ lang sind und damit die
Kupferverluste innerhalb einer Spule groß sind.
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Aus DE 32 17 283 C2 sind eisenlose Einzelspulen für eine scheibenförmige
Gleichstromkollektormaschine bekannt, die kreissegmentförmig oder rund in einer Ebene ausgeführt sind,
wobei ein Teil der Leiter außerhalb des Feldes angebracht sind und die Spulenseiten nicht ideal,
den Idealbedingungen entsprechend, zur Bewegungsrichtung liegen. Außerdem sind die Spulen
als Einzelspulen stramm gewickelt mit großem Kupferfüllfaktor, was zum Nachteil hat, daß die
Spulenseiten nicht die volle radiale Länge, die die Maschinen und Polfläche zuläßt, nutzen,
bevor sie mit in Bewegungsrichtung verlaufenden, die Spulenseiten verbindenden Leitern,
verbunden sind oder in eine andere Spulenseite übergehen, die auf einem anderen Radius liegt
und unter dem entgegengesetzten Pol verläuft. So wird nicht die maximale Polfläche genutzt und
auch nicht das maximale Drehmoment, die maximale Spannung und Leistung erreicht.
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Aus PCT WO 00/30238 sind Luftspulen bekannt, die im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung
gebogen oder gefaltet sind und sich dabei der Achse oder Welle ein- oder beidseitig mit dem
jeweiligen Wickelkopf nähern. Dies sind zwar hochwirksame Spulen, da bei ihnen der
Wickelkopf im Umfangsbereich entfällt, aber im achsnahen Bereich der Spulenwindungen ist die
Effizienz noch zu verbessern. Wird die Breite der Spulenbündel in Bewegungsrichtung groß
gewählt, ist keine Achsnähe zu erreichen, ähnlich wie bei der Maschine in dem zuvor
beschriebenen Patent. Die Maschinenflächennutzung in Achsnähe bleibt so auch hier begrenzt.
Luftspulen, die sich einseitig der Achse oder Welle nähern, verlaufen im axialen Schnitt in
einem rechtwinklig oder gebogenen oder schräg zur Achse liegenden Luftspalt oder
Luftspaltbereich. Alle Betrachtungen der Luftspulen eines rechtwinklig zur Achse liegenden
Luftspaltes also eines Axialfeldbereiches im ebenen Luftspalt, können auf solche schräg oder
bogenförmig verlaufenden Spulen, mit ein oder beidseitiger Achsannäherung, im nicht ebenen
Luftspalt übertragen werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß sich in jüngster Zeit die Einsatzgebiete der
Luftspulenmaschinen aufgrund ihrer guten Eigenschaften, die die Anforderungen an moderne
elektrische Maschinen in einem hohen Maße erfüllen, immer mehr ausweiten. Die Effizienz der
eingesetzten elektrischen Maschinen wird immer wichtiger. Es werden Antriebe mit hoher
Leistung, geringem Durchmesser, mit hoher Dynamik, geringem Gewicht, großem
Leistungsgewicht und Leistungsvolumen, sowie hohem Wirkungsgrad verlangt. Im Bereich der
Generatoren hat der Durchmesser, das Leistungsvolumen, das Anlaufverhalten und der
Wirkungsgrad eine immer größere Bedeutung.
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Ein Problem dieser bekannten scheibenförmigen Luftspulenmaschinen und Luftspulenmaschinen
mit ein- oder beidseitiger Achsannäherung besteht, allerdings darin, daß die Leistung, das
Drehmoment und die Spannung nicht beliebig erhöht werden können, weil dies zu unpraktischen
Maschinendurchmessern und Fliehkraftproblemen führt. Deshalb müssen andere Wege gefunden
werden eine Steigerung diesbezüglich für diese Maschinen zu erreichen.
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Außerdem ergaben neuere Untersuchungen, daß die Anschaffungskosten nur wenige Prozent der
Betriebskosten einer elektrischen Maschine ausmachen und 70% des industriellen
Stromverbrauches durch elektrische Antriebe entstehen. Dadurch hat ein hoher Wirkungsgrad
der Maschinen eine große betriebswirtschaftliche, volkswirtschaftliche und umwelterhaltende
Bedeutung. Die Anschaffungs- und Konstruktionskosten der Antriebe spielen in Zukunft kaum
mehr eine Rolle, so daß nun auch aufwendigere Konstruktionen und Herstellungsverfahren
möglich sind, wenn sie zu energiesparenden Maschinen führen. Hohe Wirkungsgrade werden
erreicht durch optimale Energieumsetzung, was eine effiziente Nutzung der eingesetzten
Maschinenmittel voraussetzt.
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Um allen diesen Anforderungen gerecht zu werden, muß die zur Verfügung stehende
Maschinen- und Polfläche und das eingesetzte Leitermaterial optimal genutzt werden.
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Dies geschieht bei den bekannten segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitten, die in
Luftspaltbereichen oder Luftspalten verlaufen, die sich ein- oder beidseitig der Achse nähern,
nur unzureichend. Oft werden sogar nur, wie bei Scheibenläufern, die im mittleren radialen
Bereich liegenden Abschnitte der Kreissegmentflächen der Maschinen genutzt.
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Die Spulen werden aus Leitern, die dicht nebeneinander liegen und/oder zu Bündeln
aufgewickelt, ausgeführt. Dabei wird nicht die maximal mögliche Maschinenfläche genutzt und
nicht möglichst viel Leiter innerhalb jeder Spule wirksam ins Feld maximalen Ausmaßes gelegt.
Insbesondere im Umfangsbereich und/oder im achsnahen Bereich der Maschine, je nach
Ausführung, wird Maschinenfläche, die mit magnetischen Polen und wirksamen Leitern gefüllt
sein könnte, verschenkt. Auch in den Ecken der jeweiligen Leiterlage der kreissegmentförmigen
Maschinenflächenabschnitte geht wertvolle Maschinenfläche ungenutzt verloren, sowie
wertvolle, mögliche hocheffektive Leiterlänge.
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Beim gängigen Verfahren zur Wicklung von Spulen, mit Hilfe eines Wickeldornes, wird der
Draht um einen kantigen Wickelkörper, in der Regel für kreissegmentförmige Spulen mit
dreieckigem Querschnitt, der die Spulenform vorgibt, gewickelt. Bei diesem Verfahren schleift
sich die Form der Spule ab, je mehr Leiterlagen übereinanderliegen, was sich beim
Zusammensetzen in eine kreisförmige Scheibenwicklung zusätzlich nachteilig in der
mangelhaften Maschinenflächenausnutzung im achsnahen Bereich und im Umfangsbereich der
Segmentform bemerkbar macht. Die Form der gezeichneten Spule 1 in Bild 1 ist hier ein nicht
praktisch umzusetzender Idealfall. Bei einer realen Spule sind die Bögen in den Ecken immer
ganz stramm ausgeführt, weil die Lagen beim Wichelvorgang hier erhöhtem Druck ausgesetzt
sind und im restlichen Bereich die Leiter relativ entspannt nebeneinander liegen. So sind die
Verhältnisse einer herkömmlichen Spule noch schlechter als hier dargestellt. Für im Schnitt quer
zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen besteht das Problem in ähnlicher Weise.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit und Spulenformen zu finden, die die
Maschinenfläche und die darin enthaltene maximal mögliche magnetische Polfläche, bezogen
auf die Leistungs-, Spannungs-, Drehmoment, Wirkungsgradmaximierung und der
Maximierung der Kupfernutzung innerhalb jeder Spule, optimal nutzt und die beschriebenen
Grenzen der Maschineneigenschaften ausweitet und die genannten Nachteile beseitigt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Leiter so gelegt oder gewickelt werden, daß sie
die kreissegmentförmigen Teile der Maschinenfläche, in denen die segmentförmigen Spulen
oder Spulenabschnitte liegen, aber von ihnen nur teilweise ausgenutzt werden, im Sinne der
Faraday'schen Idealbedingungen, die sich aus der Faraday'schen Anschauung und seiner
exakten Beschreibung ergeben und die mathematisch ausgedrückt in der Rechtwinkligkeit der
Vektoren ≙, l, ≙ zueinander bestehen und sich in der Maximierung der Induktion der Ruhe
(Motorbedingung) ≙ = I( ≙ × ≙) und der
Induktion der Bewegung (Generatorbedingung) U = ( ≙ × ≙)l für die Relativbewegung
von freien Leitern gegenüber einem sie durchdringenden Magnetfeld ausdrücken, voll ausgenutzt
werden und damit eine sich lohnende Maximierung der Polflächen ermöglichen.
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Die Faraday'schen Anschauungen werden nicht in ihrer Gesamtheit gesehen, so daß sich die
daraus ergebenen Idealbedingungen nicht, unter diesem Namen mit dieser Bewertung, bekannt
sind und hier als solche definiert sind und es bis jetzt nicht Ziel war sie in ihrer Gesamtheit
umzusetzen. Mathematisch gesehen ist die dargestellte Ausdrucksform des Induktionsgesetzes
zwar bekannt, aber sie findet in ihrer Gesamtheit keine Beachtung, weil sich die Wissenschaft
und Maschinentechnik auf andere Ausdrucksformen des Induktionsgesetzes konzentriert, die vor
allem in der Maximierung der Flußänderung dΦ pro Zeit dt innerhalb einer Spulenfläche A
bestehen und sich auf die Verkürzung des Luftspaltes und einer Maschinenverstärkung durch
Einsatz von Eisen konzentrieren.
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Ein hilfreiches Maß, um den Grad der Umsetzung der Faraday'schen Idealbedingungen zu
messen, ist der Spulenausnutzungsgrad ξSp, der hier folgendermaßen definiert wird:
lw wirksame Länge der Spule,
l Gesamtleiterlänge der Spule
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Er besagt, wieviel Leiter innerhalb der Spule ideal, den Faraday'schen Idealbedingungen
entsprechend, bezogen auf den Gesamtleiter der Spule, im Feld liegt.
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Eine verbesserte Umsetzung der Faraday'schen Idealbedingungen innerhalb einer Spule und
damit ein erhöhter Spulenausnutzungsgrad und eine effizientere Maschinenflächennutzung wird
erreicht, indem die Spulenseiten der äußeren axialen Wicklungslage(n) die reale oder radial
projizierte Kreissegmentform der Maschinenfläche einer Spulenweite voll ausnutzen. So
verlaufen sie entweder bis nahe der Umfangs- und der Achsgrenze im wesentlichen radial, bis sie
abknicken und um einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei in
Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder eine andere Spulenseite sind,
übergehen, oder die Spulenseiten verlaufen im wesentlichen radial oder radial projiziert von
einem axialen Bereich zum Umfangsbereich und darüber hinaus vorzugsweise zum zweiten
axialen Bereich und sie in jedem axialen Bereich entsprechend abknicken und um einen sehr
kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei in Leiter, die im wesentlichen in
Bewegungsrichtung verlaufen oder die eine andere Spulenseite sind, übergehen. Die
innenliegenden Spulenwindungen oder axialen Spulenlagen, als Einzelleiter oder als
Leiterbündel der Spule, werden im Bereich der Spulenseiten vorzugsweise parallel zu den
äußeren Spulenseiten nach innen versetzt ausgeführt und folgen diesem, im wesentlichen
radialen, Verlauf, so weit, wie die sie umgebende axiale Spulenlage dies zuläßt, um dann
ebenfalls in gleicher Weise abzuknicken, oder um einen sehr kleinen Radius zu verlaufen und
dabei in die, die Spulenseiten verbindenden, Leiter oder direkt in eine andere Spulenseite
überzugehen.
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Bei einer Ausgestaltung mit gestanzten, gefrästen oder geätzten Flachspulen und/oder
Flachwicklungen wird dies erreicht, indem die Einzelleiter schneckenförmig (spiralförmig) den
Kreissegmentbereich der maximal möglichen Maschinen- oder Polfläche ausfüllen und dabei
jeder Leiter einzeln, so weit die Maschinenfläche und benachbarte Leiter das zulassen, radial
verläuft, bevor er an den, so vorgegebenen Grenzen, im umfangsnahen Bereich und im
achsnahen Bereich, seine Richtung wechselt, im umfangsnahen Bereich in Bewegungsrichtung
verläuft und im achsnahen Bereich entweder scharfeckig die Richtung auf einen anderen,
achsverdrehten Radius wechselt oder auf eine Parallelversetzung zu diesem, oder in dem er hier
seine Richtung wechselt oder abknickt und in einen kurzen, die Spulenseiten verbindenden
Leiter übergeht, um dann wieder abzuknicken und in eine andere Spulenseite übergeht, die unter
dem anderen Pol im wesentlichen auf einem anderen Radius oder bei geringfügiger Abweichung
davon, vorzugsweise dazu parallel versetzt, verläuft.
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Bei einer gestanzten oder geätzten Spule kann die Flächennutzung in den Eckbereichen der
Segmentform, innerhalb der Spule, vorteilhafterweise, für jeden Windung einzeln, optimal
angepaßt werden.
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Bei einer anderen Ausgestaltung, mit von Draht gewickelten Spulen, sind die Spulen im Prinzip
in gleicher Weise aufgebaut, vorzugsweise mit dem Unterschied, daß nicht jeder einzelne Leiter
soweit wie möglich in den Kreissegmentecken verläuft, sondern ein ganzes Leitungsbündel,
genau gesagt, mehrere axiale Windungslagen. So entstehen zwischen den einzelnen axialen
Lagen solcher Leiterbündel in den Segmentecken der Spulenlage Freiräume, die auch notwendig
sind, um Wickelpfosten oder Stifte aufzunehmen und den Wickelvorgang in dieser Weise zu
ermöglichen, ohne Maschinenflächenverluste zwischen den im wesentlichen radial, verlaufenden
axialen Wicklungslagen in Kauf nehmen zu müssen. Anders gesagt, wird bei gewickelten Spulen
die optimale Nutzung erreicht, indem die Leiter um Pfosten, Stifte, Wickelpilze oder ähnliches
gewickelt werden, die in kurzen Abständen in den Eckbereichen der jeweiligen Spulenlage
stehen. Damit die Anzahl der Pfosten nicht zu groß wird und sie auch einen ausreichend stabilen
Durchmesser haben müssen, ist es zu bevorzugen nur nach mehreren axialen Wicklungslagen
Pfosten in den Ecken zu plazieren, um die die Leiter gewickelt werden. Ein Wickelverfahren um
Pfosten ist grundsätzlich bekannt, und wird hier in besonderer Weise eingesetzt. Neben der
besseren Flächen-, Magnetpol- und Kupfernutzung wird hier das beschriebene Abschleifen der
Spulenform vermieden, weil die Spule nur nach wenigen axialen Lagen um neue Stifte gewickelt
wird, die den Verlauf der Leiter erneut ideal ausrichten.
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Für viele Anwendungen, sowie für den Generatorbetrieb ist es vorteilhaft die Spulen auch in
ihrem Flächenzentrumsbereich mit Leitern auszufüllen, was bei allen Ausgestaltungen leicht
durchgeführt werden kann.
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In weiteren Ausgestaltungen mit Spulen mit beidseitiger Achsannäherung verlaufen die
Spulenseiten im gesamten Umfangsbereich im wesentlichen radial, wobei die Spulenseiten
entsprechend der beiden zuvor beschriebenen Ausgestaltungen im achsnahen Bereich
dementsprechend verlaufen. Wicklungen mit beidseitiger Achsannäherung bieten durch die
ideale Spulenausnutzung im Umfangsbereich schon einen sehr guten Spulenausnutzungsgrad.
Die Verbesserung liegt hier einerseits in der besseren Maschinenflächennutzung im Bereich der
Achsannäherung, die aber entsprechend der Fig. 1 doppelt lohnenswert ist, weil es sich um zwei
solcher Luftspaltbereiche pro Spule handelt und andererseits im verbesserten
Spulenausnutzungsgrad, wenn in Bewegungsrichtung breite Spulenbündel verwendet werden,
und daß diese überhaupt verwendet werden können ohne Maschinenflächeneinbußen und ohne
eine Verschlechterung des Spulenausnutzungsgrades.
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Die erfindungsgemäßen drahtgewickelten Ausgestaltungen entfaltet ihren Gewinn vor allem in
der Anwendung einer weiteren gleichzeitig angemeldeten Erfindung, einer speziellen
Spulenwicklung. Denn bei den herkömmlichen Luftspulen besteht das Problem, daß der Anfang
des Leiters innerhalb der Spule liegt und das Ende an ihrem Außenumfang der Spule. Hier ist es
notwendig das innenliegende Leiterende über das ganze Spulenbündel hinweg z. B. zum axial
sitzenden Kommutator zu leiten. Dies wird bisher über den axialen Wickelkopf gemacht, der
dann von dem Luftspalt ausgenommen wird, weil sonst der gesamte Luftspalt um die Leiterdicke
erweitert werden müßte, was jedoch in beiden Fällen Verluste verursacht. Dieses Problem hat
man auch bei den hier vorgestellten, quer zur Bewegungsrichtung ungefalteten, erfundenen
Spulen, wenn man die Spuleninnenfläche ohne Luftspalterweiterung nutzen will. Bei gefalteten
Spulen besteht dieses Problem zumeist nicht, weil diese Leiterführung in den meisten
Ausführungen im Faltbereich stattfinden kann. Durch die gleichzeitig mit dieser eingereichten
Patentanmeldung "Luftspule II", wird dieses Problem auf elegante Weise auch für die
ungefalteten Spulen gelöst, indem jeder Spule aus zwei Spulen halber Länge, die deckungsgleich
aber entgegengesetzt gewickelt sind, zusammengesetzt wird, wobei die Leiteranfänge innerhalb
der beiden Spulenteile miteinander verbunden werden, so daß für die zusammengesetzte und
vorteilhafter Weise zusammengeklebte Spule, Stromein- und Stromausgang am Umfang der
Spule zugänglich sind.
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Das Verfahren der Wicklung der, quer zur Bewegungsrichtung, ungefalteten Spulen mit
Leiterdraht wird mit einem speziellen Wickeldorn vorgenommen, der einerseits die Spule in
axialer Richtung des Wickeldornes beidseitig begrenzt und andererseits in dieser Begrenzung
Löcher aufweist, in die die Wickelpfosten oder Wickelstifte während des Wickelvorganges
eingesetzt werden oder von außen durchgeschoben werden, wobei die Löcher in den beiden axial
gegenüberliegenden Spulenbegrenzungen des Dornes deckungsgleich ausgeführt sind. So sind
im Falle der kreissegmentförmigen Spulen, am Anfang des Wickelvorganges drei Pfosten im
Zentrum der Spule fest eingebaut oder ein Körper mit dreieckförmiger Schnittfläche ist zwischen
den Begrenzungen vorhanden. Während des Wickelvorganges werden die Pfosten lagenweise
vom Innenbereich der Spule zum Außenbereich axial eingesetzt oder eingeschoben. Soll die
Spule freitragend sein, wird sie durch Erhitzen anschließend verfestigt (verbacken) oder sie wird
vergossen.
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Der gleiche Wickelvorgang wird, in einer Ausgestaltung dieses Herstellungsverfahrens, auf
einem separaten Wickelkörper, auf dem Dorn sitzend, vorgenommen, der die gleichen Löcher
aufweist für die Stifte, wie die axialen Spulenbegrenzungen des Dornes, wobei die Stifte in
diesem Fall nach der Wicklung vorzugsweise in der Wicklung bleiben. Um die fertige Spule
oder die Spule samt Wickelkörper zu entnehmen, ist die eine axiale Spulenbegrenzung des
Dornes abnehmbar.
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Der Wickelvorgang für eine Spule, die nur einen umfangsseitigen Abschnitt der
Kreissegmentform belegt, wird im Unterschied zur kreissegmentförmigen Spule mit 4 Stiften pro
Spulenbündellage vorgenommen. Auch mehr Stifte pro Lage sind in einer anderen
Ausgestaltung ausgeführt, um beispielsweise den umfangsseitigen Kreisbogen zu gestalten.
Die gleichen Wicklungsverfahren können angewendet werden für die quer zur
Bewegungsrichtung gefalteten Spulen mit z. B. beidseitiger Achsannäherung, in dem die Spulen
aufgeklappt in einer Ebene auf einem rautenförmigen Wickelgrundkörper gewickelt und
anschließend in die Endform gefaltet und gepreßt werden.
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Die drahtgewickelten Spulen bieten durch die Löcher, wo beim Wickelvorgang die Stifte
platziert waren, die Möglichkeit der effektiven Kühlung, in dem durch die Löcher Kühlmittel
während des Betriebes geleitet werden kann, so daß größere Stromdichten erreicht werden
können.
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Einige Ausgestaltungen der Erfindung und eine Herstellungsvorrichtung werden nachfolgend
anhand von Zeichnungen beschrieben. Sie zeigen in
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Fig. 1 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und in der rechten Hälfte
erfindungsgemäße kreissegmentförmige Spulen, mit ihren Polflächen, auf einer kreisförmigen
Maschinenfläche angeordnet; und in
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Fig. 2 einen axialen Querschnitt durch einen Wickelkörper eines Wickeldornes, mit fertig
gewickelter kreissegmentförmiger Spule; und in
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Fig. 3 eine Lage einer zweilagigen Leiterplattenwicklung bestehend, aus kreissegmentförmigen
Spulen mit effizienter Maschinenflächennutzung; und in
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Fig. 4 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und in der rechten Hälfte
erfindungsgemäße Spulenabschnitte von gebogenen und/oder gefalteten Spulen, die sich der
Achse nähern.
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Fig. 1 zeigt verschiedene kreissegmentförmige Spulen für Axialfeldbereiche, die kreisförmig
als Teil einer Scheibenwicklung angeordnet sind. Zum Vergleich der Flächennutzung sind
herkömmlich gewickelte Spulen 1 auf der linken Kreishälfte und deren Polfläche 13 zusammen
mit der erfundenen gewickelten Spule 3 und deren Polfläche 10 auf der rechten Kreisfläche
angeordnet. Bei den herkömmlichen Spulen sind die großen ungenutzten Bereiche 7, 8 der
Polfläche gut sichtbar, wobei die Leiter in diesen Bereichen bogenförmig oder in
Bewegungsrichtung verlaufen und damit, selbst, wenn die Pole diese gesamte Spulenfläche
abdecken, eine geringe Wirksamkeit aufweisen, weil ihre maximal wirksame Länge im
achsnahen Bereich nur in einem Punkt der Maschinendrehung wirksam wird und im
Umfangsbereich nur im Bereich der in Bewegungsrichtung verlaufenden geraden Leiter.
Hingegen bei den erfindungsgemäßen Spulen 3, verlaufen die Leiter in den Ecken der
Kreissegmentform im wesentlichen weiter gerade und sind damit hochwirksam, wobei die
Kreissegmente der Maschinenfläche in den Ecken voll genutzt werden, so wie auch die maximal
möglichen Polflächen bis hin in den achsnächsten Bereich.
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Weiterhin ist eine Wirksamkeitsberechnung (z. B. Spannungserzeugung im Generatorbetrieb) für
die Spulenseiten des äußeren Spulenbündels eingezeichnet. Der Gewinn an wirksamer
Leiterlänge ist im achsnahen Bereich zwar größer als im Umfangsbereich, dafür sind die
Umfangsgeschwindigkeiten dort größer, so daß hier auch nur kurze Gewinne von wirksamen
Leiterlängen eine wesentliche Steigerung der Effizienz der Maschine zur Folge haben.
So liefert beispielsweise beim äußeren Spulenbündel 31 der Spule 3 der herkömmlich genutzte
Polbereich 13 bzw. Maschinenflächenbereich 58,3% der Spannung, wohin gegen der
erfindungsgemäße Spulenaufbau zur Folge hat, daß im relativ langen Leitergewinn des
achsnahen Bereiches 19,76% und im relativ kurzen Leitergewinn des Umfangsbereiches 21,94%
der Gesamtspannung dieses Spulenstranges erzeugt werden, und dies über die volle Polweite.
Dies entspricht vergleichsweise einem Gewinn von 70% gegenüber dem entsprechenden äußeren
Spulenbündel der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13. Der Spulenausnutzungsgrad der
herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13 beträgt ξSp = 0,42 und bei Verwendung der
Polfläche 14 aus Fig. 4 ξSp = 0,59. Der Spulenausnutzungsgrad steigert sich erheblich durch die
Verwendung der Spule 3 mit der Polfläche 10 zu ξSp = 0,74. Hinzu kommt, daß wesentlich mehr
Maschinenfläche auch effizienter genutzt wird. Werden die Spulen 1 und 3 spulenbündelweise
verglichen werden, ergibt dies, daß das äußere Spulenbündel, welches bei der Spule 3 bis zum
achsnahen Bereich 31 reicht und welches bei der Spule 1 einen weiten Bogen außerhalb der
Polflächen vollzieht, bei der Spule 3 eine 2,31 mal so große Leistung ergibt wie bei der Spule 1.
Das zweite Spulenbündel, welches als nächstes daran anschließend innen liegt, erreicht bei der
Spule 3 (Spulenbündel 32) noch eine 1,78 fache Leistung gegenüber dem gleichen Spulenbündel
der Spule 1.
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Das dritte Spulenbündel 33, welches dann als nächstes daran anschließend innen liegt, ist bei
beiden Spulen 1 und 3 gleich, so daß es gleich große Leistung erbringt.
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Insgesamt hat die Spule 3 eine ca. 1,65 fach größere Leistung als Spule 1, wobei 1,9 mal so viel
Polfläche belegt wird und 1,57 mal so viel Leiter innerhalb der gleichen Maschinenfläche
genutzt wird. Bei der Spule 4, die ein viertes Spulenbündel im Zentrum nutzt, steigt die
Leistungsamplitude noch einmal um 21,4% gegenüber der Leistungsamplitude von Spule 1, so
daß sich bei Spule 4 eine 1,84 fache Leistungsamplitude einstellt, ohne daß zusätzliche Polfläche
verwendet werden muß.
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Außerdem wird in Fig. 1 eine Ausgestaltung der Erfindung mit der Spule 11 gezeigt. Die
Verbesserungen treffen hier in abgeschwächter Form zu.
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Einfachheitshalber sind die Lagen der Spulen 3 und 11 hier, sowie auch in Bild 2, nicht
spiralförmig gezeichnet, sondern konzentrisch.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Spulenhalterung eines Wickeldornes 16, zwischen
einer fertig gewickelten Spule 3 und Halterungsrahmen, der als axiale Spulenbegrenzung wirkt
und abnehmbar ausgeführt ist (hier nicht sichtbar), wobei der Betrachter in axialer Richtung des
Wickeldornes blickt. Hier sind die Stifte 17 der Wickelvorrichtung gut sichtbar, um die die
Spulen mit jeweils mehreren axialen Lagen gewickelt sind, wobei der andere Halterungsrahmen
19 sichtbar ist.
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Fig. 3 zeigt beispielhaft erfindungsgemäße flächenförmige Spulen 6, die durch ausstanzen,
ätzen oder ausfräsen entstanden sein könnten, für eine zweilagige Wicklung, wobei hier nur die
obere Lage sichtbar ist. Die andere Spulenlage ist ähnlich aufgebaut, wobei zwischen den Lagen
Durchkontaktierungen 7 bestehen. Gut sichtbar ist hier die Vollausnutzung der Ecken der
kreissegmentförmigen Maschinen- und Polflächen (ähnlich wie Polfläche 10 in Bild 1) im
Umfangsbereich und in Achsnähe. Hier wird für jeden einzelnen Leiter das Optimum gemäß der
Aufgabe der Erfindung erreicht.
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Bei einer anderen Ausführung als Wicklung eines Elektronikmotors, ist es vorteilhaft, um keine
Spulenfläche zu verschenken, nötige Magnetfeldsensoren außerhalb des Spulenbereiches
umfangsseitig anzubringen, die dort das Streufeld sensieren.
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Fig. 4 zeigt in ähnlicher Weise wie Fig. 1 einen Vergleich von Spulenbereichen, die sich der
Achse nähern, zwischen herkömmlich gefalteten Spulen 23 und der erfindungsgemäßen Spule
21. Hier ist der Gewinn ausschließlich im achsnahen Bereich der Spulenwindungen und in der
Maschinenflächennutzung zu sehen. Zum Beispiel liefert das äußere Spulenbündel des
dargestellten Spulenabschnittes der Spule 21 im gewonnenen axialen Bereich ca. 20% seiner
Leistung und das entspricht einem Spannungszuwachs von ca. 25% gegenüber dem gleichen
Spulenbündel der Spule 22 mit der Polform 14. Der Spulenausnutzungsgrad des dargestellten
Spulenabschnittes der Spule 22 mit der Polfläche 14 liegt bei ξSp = 0,82 und bei der Spule 21 bei
ξSp = 0,98.
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Außerdem wird der Spulenabschnitt der Spule 20 gezeigt, für den die Vorteile in abgeschwächter
Form gelten.