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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wickeln von Spulen für elektrische Geräte und Maschinen, insbesondere Spulen für Statoren und Rotoren von Elektromotoren und Generatoren, auf eine im Querschnitt im wesentlichen rechteckige Umfangsfläche, wobei ein von einer Vorratsrolle abgezogener Wickeldraht mittels eines als Drahtbremse wirkenden Elektromotors mit entgegengesetzt zur Drahtabzugsrichtung angetriebener Drahtbremsrolle unter einer steuerbaren Zugspannung durch einen Drahtführer der Spule zugeführt wird und als Drahtbremse ein Servomotor verwendet wird, wobei eine von dem Servomotor zurückgezogene Drahtlänge unter Beibehaltung einer reibschlüssigen Anlage des Wickeldrahts an der der Drahtbremsrolle zwischen dieser und der Vorratsrolle vorübergehend gespeichert wird.
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Es ist bekannt, die Spulen eines Stators unmittelbar auf dessen Eisenkern zu erzeugen, indem der Wickeldraht während des Wickelvorgangs Windung für Windung in die Statornuten eingelegt wird. Das Verfahren ist verhältnismäßig langsam. Rationeller ist es, die Spulen entweder mittels einer rotierend antreibbaren Schablone oder eines um eine feststehende Schablone umlaufenden Drahtführers, eines sog. ”Flyers”, vorzuwickeln und dann axial in den Stator einzuziehen. Allerdings lassen sich mit diesem Verfahren nur Füllfaktoren von bis zu etwa 90% erzielen. Außerdem ergeben sich verhältnismäßig große Wickelköpfe an den Stirnseiten des Stators.
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Um höhere Füllfaktoren zu erreichen und die Drahtlänge in den Wickelköpfen zu minimieren, ist es auch schon bekannt, mittels Flyer Spulen für Statoren möglichst genau in der Form, die sie nach der Montage im Stator einnehmen sollen, auf im Querschnitt rechteckigen Trägerkörpern, die während des Wickelvorgangs undrehbar gehalten werden, vorzuwickeln und diese anschließend zusammen mit den Spulen an dem Eisenkern eines Stators zu montieren. Die zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene, bekannte Spulenwickelmaschine hat zwischen einer Drahtbremse mit einem Wirbelstrommotor und dem Flyer einen Drahtspeicher in Form einer gewichts- und federkraftbelasteten Tänzerrolle, die vorübergehend eine mehr oder weniger große Drahtschlaufe bildet und auf diese Weise Ungleichmäßigkeiten der Drahtabzugsgeschwindigkeit kompensiert. Die Bremswirkung des Wirbelstrommotors kann durch ein Potentiometer oder Programm gesteuert werden.
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Leider hat ein Wirbelstrommotor ein verhältnismäßig großes Massenträgheitsmoment und damit eine für eine Drehmomentsteuerung in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Wickelbewegung ungeeignete Momentenkennlinie, ganz abgesehen davon, daß eine Wirbelstrombremse nur bei hohen Drehzahlen bzw. Drahtabzugsgeschwindigkeiten in der Lage ist, ein zum Biegen eines verhältnismäßig dicken Wickeldrahts ausreichendes Drehmoment zu erzeugen. Um unabhängig von der Drahtabzugsgeschwindigkeit die Zugspannung im Draht in jeder Phase der Wickelbewegung momentan zwischen dem Wert 0 und einem Maximalwert, z. B. entsprechend einem Drehmoment von 30 Nm, steuern zu können, wären Zusatzeinrichtungen erforderlich, die aber separate Antriebe benötigten, welche eine elektrische, pneumatische, hydraulische oder mechanische Totzeit mit sich bringen und dadurch die Dynamik des Wickelprozesses behindern würden.
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Darüber hinaus verursachen Rechteckspulen beim Wickelvorgang ungleichförmige Abzugsgeschwindigkeiten und erfordern deshalb ein massearmes Drahtabzugssystem, das bei der bekannten Wickelvorrichtung nicht gegeben ist. Auch eine kontinuierliche Drahtzugsteuerung ist nicht möglich, weil zeitweise der Drahtzug zwischen dem Flyer und der Spule nicht durch die Drahtbremse, sondern durch die Belastung und Beschleunigung der Tänzerrolle bestimmt ist.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind aus der
DE 41 04 087 A1 bekannt. Die
DE 198 60 608 A1 beschreibt eine Drahtbremse für Spulenwickelmaschinen, während die
EP 0 564 018 A2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsregulierung eines Wickeldrahtes für elektrische Spulen zeigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wickeltechnik für solche Spulen, die bereits durch den Wickelvorgang in ihrer endgültigen äußeren Form hergestellt werden und dann zu montieren sind, dahingehend weiterzuentwickeln, daß im automatisierten Wickelprozeß die Genauigkeit der Lage der einzelnen Spulenwindungen und damit die reproduzierbare Formgenauigkeit der Spulen insgesamt verbessert wird. Dazu ist es erforderlich, den Draht jeweils in exakt definierten Lagen in die Spule zu wickeln. Diese soll in jeder Drahtlage auf den Hauptflanken in Längsrichtung möglichst planparallel, also nicht konvex ausbauchend, gewickelt werden. Weiterhin bedingt die Erfindungsaufgabe in Verbindung mit dem im Radialschnitt durch einen runden Stator konischen Querschnitt der Statornuten und der darin aufgenommenen Spulenstränge, daß die äußeren Lagen in Stufen konisch steigend zu wickeln sind, wobei die Verlegekreuzungen des Drahts in den Wickelköpfen liegen müssen. Daraus ergibt sich als Anforderung an die Spulenwickelmaschine, daß sich während des Wickelvorgangs zumindest bei den örtlich definierten Übergängen jeweils von einer Drahtlage zur nächsten die Zugspannung im Wickeldraht vorübergehend reduzieren und dann wieder erhöhen läßt, um mit verhältnismäßig geringem Drahtzug den Draht im Spulenkopf über eine oder mehrere Windungen hinweg kreuzend verlegen und anschließend mit hohem Drahtzug exakt einbiegen zu können. Auch zum Biegen des Kupferdrahts, der normalerweise einen Durchmesser zwischen 0,4 und 1,7 mm hat, an den Spulenecken braucht man einen phasenweise erhöhten Drahtzug.
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Vorstehende Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei bildet die Verwendung eines Servomotors als Drahtbremse die Voraussetzung dafür, daß die Bremskraft in Abhängigkeit von der momentanen Drehwinkelstellung der Relativbewegung zwischen der Spule und dem Drahtführer gesteuert werden kann. Ein hochdynamischer Servomotor, wie z. B. aus der Baureihe 1FK7 der Firma Siemens, ist im Gegensatz zu einer Wirbelstrombremse in seinem die Bremskraft bestimmenden Drehmoment von der Drehzahl unabhängig, und sein Massenträgheitsmoment beträgt weniger als 1/10 des Massenträgheitsmoments einer Wirbelstrombremse, die wenigstens bei einer Drehzahl von 1500 U/min dasselbe Bremsmoment erzeugen kann. Infolge des wesentlich kleineren Massenträgheitsmoments des eingesetzten Servomotors kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Drahtbremse sehr schnell auf Steuerbefehle reagieren und theoretisch jeweils nach einem kleinen Winkelschritt der umlaufenden Wickelbewegung eine gegenüber dem vorhergehenden geänderte Bremskraft erzeugen.
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Das weitere erfindungsgemäße Merkmal, daß die von dem Servomotor auf den Wickeldraht ausgeübte Zugspannung während des gesamten Wickelvorgangs auf den Wickeldrahtabschnitt zwischen dem Drahtführer und der Spule wirkt, bedeutet mit anderen Worten, daß sich zwischen der Drahtbremse und dem Drahtführer kein Drahtspeicher befindet, weil dieser in bestimmten Arbeitsphasen den Drahtabschnitt zwischen dem Drahtführer und der zu wickelnden Spule mit einer anderen Zugspannung beaufschlagen würde als die steuerbare Drahtbremse. Andererseits wird jedoch ein Drahtspeicher gebraucht, und deshalb sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen Drahtspeicher zwischen der Drahtbremsrolle und der Vorratsrolle vor. Der Drahtspeicher nimmt die vorübergehend von dem Motor der Drahtbremse zurückgezogene Drahtlänge auf und wirkt dabei mit einer Zugkraft auf den Wickeldraht, die für eine im wesentlichen rutschfreie, reibschlüssige Anlage des Wickeldrahts an der Drahtbremsrolle erforderlich ist. Die Notwendigkeit, mittels des Servomotors Wickeldraht zurückzuziehen und dem Drahtspeicher zuzuführen, ergibt sich z. B. immer dann, wenn bei Bewegungen des Drahtführers relativ zu der zu wickelnden Spule die Länge des Drahtabschnitts zwischen der Spule und der Drahtvorratsrolle verkürzt wird.
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In der bevorzugten praktischen Ausführungsform der Erfindung wird eine ununterbrochene reibschlüssige Anlage des Wickeldrahts an der Drahtbremsrolle durch eine in Drahtabzugsrichtung vor dieser angeordnete Drahtrückzieheinrichtung erzeugt, wodurch auf den Drahtabschnitt zwischen dieser und der Drahtbremsrolle eine Mindestzugspannung ausgeübt wird.
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Beim Wickeln von Draht auf eine im Querschnitt im wesentlichen rechteckige Umfangsfläche liegt der Draht normalerweise in den Eckbereichen an und hat die Tendenz, sich zwischen den Eckbereichen radial nach außen zu wölben. Gewünscht ist jedoch eine Lage des Drahts parallel zu den ebenen Teilflächen der im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche. Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß der Wickeldraht von dem Drahtführer oder durch Umlenkung zwischen diesem und der Spule derart bogenförmig gekrümmt wird, daß er mit der konvex gekrümmten Seite an der im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche oder den bereits darauf gewickelten Spulenwindungen zur Anlage kommt. Zu diesem Zweck kann der Drahtführer Umlenkrollen aufweisen, die den Draht in einer bestimmten Richtung biegen, wobei die Krümmungsrichtung entgegengesetzt zu der sich beim Aufwickeln ergebenden Krümmungsrichtung ist. Alternativ kann die in richtiger Richtung bogenförmige Krümmung des Wickeldrahts zwischen dem Drahtführer und der Spule z. B. dadurch erreicht werden, daß der Draht den vorzugsweise undrehbar gehaltenen, am Auslaß mit einer Biegekante ausgebildeten, z. B. düsenförmigen Drahtführer mit Bezug auf das Drehzentrum der Spule tangential verläßt, also sich normalerweise auf einer Seite an dem Drehzentrum vorbei bewegen würde. Die Spule dreht sich dabei in der Richtung, daß sich die dem Drahtführer jeweils nächstgelegene Teilfläche ihrer im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche zur anderen Seite des Drehzentrums bewegt.
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Eine optimale Füllung der Statornuten mit Draht erhält man, wenn dieser zunächst derart zu einer innersten Lage auf die im Querschnitt rechteckige Umfangsfläche gewickelt wird, daß benachbarte Drahtwindungen spurgenau nebeneinander liegen, und dann eine oder mehrere weitere Lagen gewickelt werden, in denen die Drahtwindungen jeweils in der schraubenförmigen Rille zwischen den Drahtwindungen der unmittelbar zuvor gewickelten Lage liegen, wobei nach dem Wickeln einer Lage zur Einführung des Wickeldrahts an einer bestimmten Stelle in die Rille die relative Drehbewegung zwischen der Spule und dem Drahtführer angehalten oder verlangsamt, die Zugspannung im Wickeldraht reduziert und der Drahtführer entsprechend der Richtungsänderung des Drahtes an der bestimmten Stelle positioniert wird, und anschließend nach einer relativen Drehbewegung zwischen der Spule und dem Drahtführer um einen bestimmten Drehweg und dem Einlegen des Wickeldrahts in die Rille der Drahtführer entsprechend deren Richtung ausgerichtet, die Zugspannung im Wickeldraht wieder erhöht und mit größerer Drehgeschwindigkeit weitergewickelt wird.
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Bei dem zuletzt genannten Verfahren zeigt sich die Bedeutung der zuvor genannten Maßnahme der Bremsung des Drahtes mittels eines hochdynamischen Servomotors unmittelbar vor dem Drahtführer. Dieselbe Maßnahme ist auch die Voraussetzung dafür, daß in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung durch Wahl des Abstands der Stellen des Eintritts des Wickeldrahts in die Rille der jeweils zuletzt gewickelten Lage von einer der beiden Stirnseiten der Spule in mehreren Lagen übereinander eine im Querschnitt keilförmige Spule mit bestimmtem Keilwinkel erzeugt wird.
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Bereits beim Wickeln der Spulen ist zu berücksichtigen, daß sie ihre äußere Form verändern, wenn sie aus der Wickelvorrichtung ausgespannt werden. Es könnten sich Schwierigkeiten bei der Montage ergeben, wenn man Spulen erzeugte, die am Ende des Wickelvorgangs, noch in der Aufspannung in der Wickelvorrichtung bereits die Form haben, die sie bei der Montage haben sollen. Daher wird das neue Verfahren vorzugsweise in einer Ausführung praktiziert, bei der die Spule während des Wickelns auf der im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche zwischen stirnseitig anliegenden Flächen unter radialer und axialer Druckspannung gehalten wird und nach Druckentlastung auf einen vorbestimmten Querschnitt schrumpft und auf eine bestimmte Länge expandiert.
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Eine zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geeignete Wickelvorrichtung ist in Anspruch 11 angegeben.
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Der Servomotor ist dabei vorzugsweise ein über die Stromstärke steuerbarer Synchronmotor, und die Rückzieheinrichtung ist eine durch Schwerkraft oder Federkraft belastete Tänzerrolle, die den Drahtabschnitt zwischen der Vorratsrolle und der Drahtbremse belastet und durch Verlängerung dieses Drahtabschnitts den zurückgezogenen Wickeldraht speichert.
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Um die Steuerungsmöglichkeiten der vorgeschlagenen hochdynamischen Drahtbremse voll ausnutzen zu können, ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Drahtführer zu seiner wechselnden Positionierung am Beginn und während eines Wickelvorgangs sowie beim Übergang auf eine andere Spulengröße in drei Raumachsen gesteuert verfahrbar ist. Durch gesteuerte Koordinierung der Bremskraft in jeder Drehwinkelstellung des rotierend antreibbaren Wickelwerkzeugs während des gesamten bei einem Wickelvorgang zurückzulegenden Drehwinkelwegs bei gleichzeitiger Steuerung der Position des Drahtführers in drei Achsen relativ zum Drehzentrum der Spule ebenfalls in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung läßt sich jede beliebige Form von Spulen herstellen, und dies mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit.
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Die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung sollte sich für eine vollautomatische Fertigung eignen. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, daß das Wickelwerkzeug neben dem zu bewickelnden Bereich des Aufnahmedorns oder eines Spulenträgers eine Klemmeinrichtung aufweist, in die durch den Drahtführer der Drahtanfang einer Spule einführbar ist, und axial zwischen der Klemmeinrichtung und dem zu bewickelnden Bereich eine schräge Leitfläche und eine quer zur Drehrichtung liegende Mitnahmefläche vorhanden sind, an denen der Wickeldraht nach Beginn der Wickelbewegung zur Anlage kommt.
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Weitere, ebenfalls in Richtung Automatisierung zielende Vorschläge sehen vor, daß in der Drahtzufuhr, vor dem Drahtführer eine Schäleinrichtung angeordnet ist, durch die an den die Anschlußenden der Spule bildenden Drahtabschnitten die isolierende Ummantelung abschälbar ist. Außerdem ist ein Drahtmesser vorhanden, das die Drahtenden der Spule mit ganz bestimmten Längen abschneidet.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1A, B eine vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Spulenwickelvorrichtung;
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2 einen Querschnitt der Spulenwickelvorrichtung gemäß Schnittlinie II-II in 1,
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3 eine vereinfachte Draufsicht auf die Spulenwickelvorrichtung nach 1 und 2.
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4 eine schematische Darstellung des Drahtführers im Zusammenwirken mit dem Spulenträger beim Biegen des Wickeldrahts, wobei der Drahtführer in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen gezeigt ist;
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5 und 6 Seitenansichten, z. T. im Schnitt, der Wickeleinrichtung mit einer darin erzeugten Spule und einer Klemm- und Führungseinrichtung für den Drahtanfang.
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Die in 1A mit ihrer linken und in 1B mit ihrer rechten Hälfte gezeigte Wickelvorrichtung hat einen Maschinenrahmen 10, an dem eine Wickeleinrichtung 12 zum Spannen und Drehen eines Spulenträgers 36 sowie die nachstehend beschriebenen Teile einer Drahtzuführeinrichtung gelagert sind. Der Spulendraht 14 wird in Form einer großen, in einem Behälter aufgenommenen Vorratsrolle 16 angeliefert. Er ist von dort über eine aus zwei gebremsten Rollen bestehende Drahtbremse 17 mit einer bestimmten Bremskraft, einen Drahtspeicher 18 und eine Drahtbremse 20 mit steuerbarer Bremskraft sowie eine Führungsrolle 22 zu einem Drahtführer 24 in unmittelbarer Nähe der Wickeleinrichtung 12 geführt. Die Führungsrolle 22 und der Drahtführer 24 sind an einem eine Drahtführungseinheit bildenden Schlitten 26 gelagert, der durch einen Antrieb 28 längs einer senkrechten Führung 29 an einem Querschlitten 27 gesteuert verfahrbar ist. Dieser ist durch einen Antrieb 32 längs einer horizontalen Querführung 33 an einem Längsschlitten 25 gesteuert verfahrbar, der seinerseits durch einen Antrieb 30 entlang einer horizontalen Längsführung 31 gesteuert verfahrbar ist. Daher ist der Drahtführer 24 in drei Achsen gesteuert geführt.
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Auf dem Weg von der Führungsrolle 22 zum Drahtführer 24 durchläuft der Wickeldraht eine am Schlitten 26 montierte Schäleinrichtung 34, in der zur Freilegung der Spulenenden der isolierende Lacküberzug des Wickeldrahts abschälbar und über ein angeschlossenes Rohr 35 absaugbar ist. Neben der Schäleinrichtung ist auch ein gesteuert aktivierbares Drahtmesser 37 angebracht, das durch eine Zylinder-Kolben-Einheit 39 zum Drahtführer 24 hin vorschiebbar und zurückziehbar ist.
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Wie am besten aus 1 ersichtlich, läuft der Wickeldraht 14 von der Vorratsrolle 16 über die Drahtbremse 17, den Drahtspeicher 18, die Drahtbremse 20 und die Führungsrolle 22 zum Drahtführer 24. Wenn das vorderste Drahtende relativ zu einem in der Wickeleinrichtung 12 eingespannten Spulenträger 36 festgelegt worden ist und dieser rotierend angetrieben wird, zieht der rotierende Spulenträger 36 Draht 14 aus dem Drahtführer 24 und auf dem genannten Weg von der Vorratsrolle 16 ab. Dabei ist wichtig, daß sich die Drahtbremse 20 in Bewegungsrichtung des Wickeldrahts 14 unmittelbar vor der Drahtführungseinheit 26 befindet und der Drahtspeicher 18 zwischen der Drahtbremse 20 und der Vorratsrolle 16 angeordnet ist.
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Die Drahtbremse 20 besteht aus einem hochdynamischen Servomotor 38, der eine Bremsrolle 40 entgegengesetzt zur Abzugsrichtung des Wickeldrahts 14 antreibt. Der Servomotor 38 stammt z. B. aus der Baureihe 1FK7 der Firma Siemens. Er hat ein Massenträgheitsmoment von 0,0023 kg/qm und bietet im gesamten Drehzahlbereich von z. B. bis zu 1.500 U/min ein steuerbares Drehmoment von bis zu maximal 30 Nm. Dank des geringen Massenträgheitsmoments hat der Servomotor 38, der sonst z. B. zum Antrieb der beweglichen Teile eines Roboters dient, eine sehr gute Momentencharakteristik, d. h. er spricht sehr schnell auf Steuerbefehle an und erzeugt unabhängig von der durch die Abzugsgeschwindigkeit des Wickeldrahts 14 erzeugten Drehzahl das jeweils durch den Steuerbefehl vorgegebene Drehmoment in Gegenrichtung, so daß es als Bremsmoment wirkt.
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Um die Bremskraft auf den Wickeldraht 14 zu übertragen, hat die aus Kunststoff bestehende Bremsrolle 40 einen verhältnismäßig großen Durchmesser von 200 mm. Der Wickeldraht 14 umschlingt die Bremsrolle 40 dreimal und muß unter einer bestimmten Mindestzugspannung gehalten werden, die auch dann noch wirksam ist, wenn bei bestimmten Bewegungen der Drahtführungseinheit 26 plötzlich die Weglänge des Wickeldrahts zwischen der Bremsrolle 40 und der Auflaufstelle des Drahts auf den Spulenträger 36 bzw. die darauf zu erzeugende Spule verkürzt wird. In einer solchen Phase bleibt die Haftreibung zwischen der Bremsrolle 40 und dem diese umschlingenden Draht 14 aufrechterhalten, weil der Drahtspeicher 18 gleichzeitig als Drahtrückzieheinrichtung ausgestaltet ist. Er besteht zu diesem Zweck aus einer ersten, um eine ortsfeste Achse drehbaren Rolle 42 und einer zweiten, mit ihrer Lagerung an einer senkrechten oder schrägen Führung 44 geführten und durch Gewichts- oder Federbelastung nach unten gezogenen Tänzerrolle 46. Der Wickeldraht 14 läuft, wie in 1 gezeigt, zunächst über die obere Umfangshälfte der oberen Rolle 42, dann über die untere Umfangshälfte der Tänzerrolle 46 und dann nochmals über die obere Hälfte der Rolle 42 weiter zur Bremsrolle 40. Die Tänzerrolle 46 hängt somit in einer Drahtschlaufe und hat durch ihre Gewichts- oder Federbelastung ständig das Bestreben, diese Schlaufe zu verlängern, also darin eine größere Drahtlänge zu speichern, wobei die Drahtbremse 17 verhindert, daß diese Gewichts- oder Federbelastung ausreicht, um Draht von der Vorratsrolle 16 abzuziehen. Mit der Wahl der auf die Tänzerrolle 46 wirkenden Gewichts- oder Federkraft bestimmt man die Mindestzugbelastung und -andrückkraft des Wickeldrahts 14 an den Umfang der Bremsrolle 40. Infolge des ständig wirksamen Reibschlusses zwischen dem Draht 14 und der Bremsrolle 40 fördert der Bremsmotor 38 Draht rückwärts zum Drahtspeicher 18, wo sich der Achsabstand zwischen den Rollen 42 und 46 vergrößert, wenn durch eine Bewegung der Drahtführungseinheit 26 der Drahtweg zwischen der Bremsrolle 40 und dem Spulenträger 36 verkürzt wird. Auch bei plötzlichen starken Änderungen der Drahtabzugsgeschwindigkeit wirkt der Drahtspeicher 18 ausgleichend. Das maximale Drehmoment, d. h. die maximale Zugkraft, die der Servomotor 38 über die Bremsrolle 40 auf den Wickeldraht 14 ausüben kann, sollte ausreichend groß sein, um einen verhältnismäßig starken Wickeldraht 14 von z. B. 1,7 mm Durchmesser zu biegen und dabei plastisch zu verformen. Daher ist für das gezeigte Ausführungsbeispiel ein Servomotor 38 mit einem maximalen Drehmoment von 30 Nm gewählt worden.
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Eine sehr wichtige Besonderheit der gezeigten Wickelvorrichtung ist die am besten aus 4 ersichtliche Führung des Drahts 14 im Drahtführer 24 und auf dem Weg zwischen diesem und dem um seine Drehachse 48 rotierenden Spulenträger 36. Im Drahtführer 24 wird der Draht 14 durch Biegerollen 45, 47 so gebogen, daß er mit seiner konvexen Seite auf die Umfangsfläche des Spulenträgers 36 oder eine bereits teilweise erzeugte Spule aufläuft. Die Biegeverformung ist so stark, daß sie durch die Zugspannung im Draht nicht aufgehoben wird. Der Spulenträger 36 rotiert in derjenigen Richtung, in der der Draht in der Spule eine Krümmung erhält, die entgegengesetzt ist zu der Krümmung auf dem Weg zwischen dem Drahtführer 24 und dem Spulenträger 36. Dadurch wird erreicht, daß in der Spule 41 die darauf in mehreren Lagen übereinandergewickelten Drahtwindungen jeweils genau parallel liegen zu den ebenen Teilflächen der im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Umfangsfläche des Spulenträgers 36.
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Während des Wickelvorgangs wird der Wickeldraht 14 durch den Drahtführer 24 mit einer Genauigkeit von 0,1 mm maximaler Abweichung in jeder Wickellage bzw. Schicht Windung für Windung unmittelbar nebeneinander gelegt, zunächst auf die Umfangsfläche des Spulenträgers 36, dann genau in die äußere, schraubenförmig umlaufende Rille zwischen den Windungen der radial innersten Lage, dann in die äußere Rille zwischen den Windungen der zweiten Lage usw. bis zur äußersten Wickellage bzw. Schicht der Spule 41, s. 5 und 6. Eine Abweichung von dieser geometrisch genau vorbestimmten Parallellage der Drahtwindungen mit Bezug auf die Umfangsfläche des Spulenträgers 36 ergibt sich nur an den axialen Enden der Wickellagen bei den Übergängen des Drahts von der jeweils zuvor gerade gewickelten Lage zu der auf dieser zu erzeugenden nächsten Lage, weil es hierbei zu Verlegekreuzungen kommt, bei denen der Wickeldraht über wenigstens eine Drahtwindung hinweggeführt werden muß, bevor er in die äußere Rille der zuvor gewickelten Lage eingelegt werden kann.
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Die Verlegekreuzungen werden in die sogenannten Wickelköpfe der Spule 41 gelegt, d. h. diejenigen Bereiche der Spule, die im fertig montierten Zustand eines Stators über die Stirnflächen des Statorblechpakets vorstehen. Dort beeinträchtigen die Verlegekreuzungen nicht den Füllfaktor der Statornuten. Da sich diese im Querschnitt radial von innen nach außen keilförmig erweitern, muß auch die Spule 41 so gewickelt werden, daß sie einen entsprechenden keilförmigen Querschnitt erhält und die zugeordnete Statornut möglichst vollständig ausfüllt. Dies wird dadurch erreicht, daß nur die innersten Lagen der Spule über ihre gesamte axiale Länge durchgehen. Dann werden zunehmend kürzere Lagen erzeugt, die einen immer größeren Abstand von demjenigen axialen Ende der Spule 41 einhalten, welches sich im fertig montierten Zustand am radial inneren Ende der Statornut befindet. Die fertig gewickelte Spule 41 hat also an demjenigen axialen Ende, welches sich im fertig montierten Zustand radial außen befindet, mehr Wickellagen als am radial weiter innen liegenden Ende, s. 5 und 6. Dazu muß der Drahtführer 24 in der Ansicht gemäß 1B während des Wickelvorgangs mittels des horizontalen Längsantriebs 30 zunächst einige hin- und hergehende Bewegungen nach rechts und links über die axiale Länge der auf dem Spulenträger 36 zu erzeugenden Spule ausführen. Dann werden die hin- und hergehenden Bewegungen immer kürzer, tangieren dabei aber immer dasselbe axiale Ende der Spule.
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Um nach dem Wickeln einer Lage an einer ganz bestimmten Stelle des Umfangs, nämlich in einem Wickelkopf, eine Verlegekreuzung über je nach dem zu erzeugenden Keilwinkel der Spule ein oder mehrere Spulenwindungen hinweg zu erzeugen, wird im einfachsten Fall die Drehbewegung der Spule angehalten, die Zugspannung im Wickeldraht 14 durch Veränderung des Drehmoments des Bremsmotors 38 verringert und die Position des Drahtführers 24 mittels des steuerbaren horizontalen Längsantriebs 30 so verändert, daß der Draht beim Wiedereinsetzen der Drehbewegung über ein oder zwei Drahtwindungen hinweg kreuzend sich an der vorbestimmten Stelle in die Rille zwischen den Windungen der zuletzt gewickelten Lage legt. Dann ändert der Drahtführer 24 wiederum seine Stellung mit Bezug auf die Spule, so daß bei weiterer Drehbewegung der Draht dem Verlauf der Rille folgt. Außerdem wird das Drehmoment des Bremsmotors 38 erhöht, damit der Draht zuverlässig und mit solcher Spannung in die Rille gezogen wird, daß er plastisch verformt und so gebogen wird, daß er sich zwischen den Wickelköpfen parallel zu den entsprechenden ebenen Teilflächen der Umfangsfläche des Spulenträgers 36 erstreckt. Zur optimalen Positionierung des Drahtführers 24 zur Erzeugung der Verlegekreuzungen können auch die steuerbaren Antriebe 28 und 32 mit eingesetzt werden. Diese werden außerdem dazu gebraucht, beim Übergang auf eine andere Spulengröße den Drahtführer 24 mit Bezug auf die Drehachse 48 radial weiter außen oder innen zu positionieren. Nur beispielhaft sei erwähnt, daß mit der gezeigten Vorrichtung Spulen 41 für Statorblechpakete von 25 bis 150 mm Höhe, einer Spulenbreite von 4 bis 16 mm und einer Spulenweite von 5 bis 23 mm gewickelt werden können, wobei die Spulen etwa 44 bis 120 Windungen haben. Die Arbeitszeit für die Erzeugung einer Spule einschließlich des Anhaltens oder der Verlangsamung der Wickelbewegung zur Erzeugung genau positionierter Verlegekreuzungen beträgt dabei weniger als etwa 25 bis 30 Sekunden.
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Die Wickeleinrichtung 12 besteht aus zwei zusammenwirkenden Einheiten. Die eine ist ein Drehtisch 50 mit zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Werkstück-Aufnahmedornen 52, von denen der äußere jeweils ent- und beladen werden kann, indem eine fertige Spule 41 auf einem Spulenträger 36 durch steuerbare Greifer abgenommen und ein leerer Spulenträger 36 aufgesetzt wird, während ein in diesem Arbeitszyklus auf dem anderen Aufnahmedorn 52 sitzender Spulenträger 36 bewickelt wird. Nach Fertigstellung dieser Wicklung wird der Drehtisch 50 mittels eines Drehantriebs 53 um 180° geschwenkt und mittels einer Verriegelungseinrichtung 53' wieder in ausgerichteter Stellung fixiert, so daß der äußere Aufnahmedorn 52 mit einem leeren Spulenträger 36 in die Wickelposition nach innen gelangt.
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Die zweite größere Einheit der Wickeleinrichtung 12 ist eine Spannbacke 54, die durch einen Kraftzylinder 56 längs einer Führung 55 zu dem in der Wickelposition befindlichen Aufnahmedorn 52 hin vorschiebbar und stirnseitig gegen den aufgespannten Spulenträger 36 mit einer solchen Kraft andrückbar ist, daß die axiale Länge der während des Wickelvorgangs erzeugten Spule trotz der verhältnismäßig hohen Zugkraft im Wickeldraht 14 auf ein bestimmtes Größtmaß begrenzt bleibt. Außerdem sind die Aufnahmedorne 52 in den axialen Bereichen, auf denen die Spulenträger 36 sitzen, radial ein wenig aufweitbar bzw. zusammenziehbar. Diese Bereiche der Aufnahmedorne 52 stützen die Spulenträger 36 radial innen ab, so daß sie während des Wickelvorgangs trotz der Zugkraft im Wickeldraht 14 einen bestimmten inneren Querschnitt behalten, der etwas größer ist als der endgültig gewünschte Querschnitt, auf den sich der Spulenträger 36 nach dem Abnehmen vom Aufnahmedorn 52 zusammenzieht.
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Der Antrieb für die rotierende Bewegung der Spulenträger 36 kann auf seiten der Aufnahmedorne 52 oder, wie im Ausführungsbeispiel ein Drehantriebsmotor 57, auf seiten der Spannbacke 54 angeordnet sein. Es muß sich um einen steuerbaren Antrieb handeln, der sich während der Wickelbewegung in bestimmten Drehwinkelstellungen des gesamten für einen Wickelvorgang notwendigen Drehwegs anhalten oder verlangsamen läßt, um positionsgenau eine Verlegekreuzung herstellen zu können.
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Wenn nach Beendigung eines Wickelvorgangs die Spannbacke 54 von dem bewickelten Spulenträger 36 und dem ihn tragenden Aufnahmedorn 52 zurückgezogen worden ist, kann sich die sehr stramm gewickelte Spule 41 samt Spulenträger 36 aus Kunststoff axial ein wenig ausdehnen auf das axiale Maß, das für die Montage im Statorblechpaket vorgesehen ist. Außerdem kann sich die stramm gewickelte Spule 41 samt Spulenträger 36 nach der vorstehend erwähnten Querschnittsverkleinerung des Aufnahmedorns 52, die z. B. mittels zusammenwirkender Keilflächen vorgenommen wird, im Querschnitt auf das Maß verkleinern, welches für die Montage im Statorblechpaket vorbestimmt ist.
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5 zeigt als herausgezogenes Detail einen Längsschnitt durch einen Eckbereich des im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Spulenträgers 36, der hier nur mit seiner Innenfläche dargestellt ist. Die Besonderheit besteht darin, daß der Spulenträger 36 in seinen Eckbereichen mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rillen 58 versehen ist. Die gleichmäßig über die Länge des Spulenträgers 36 verteilten Rillen 58 definieren die Lage der untersten Windungen der aus dem Wickeldraht 14 erzeugten Spule. Durch die Rillen 58 sind die untersten Spulenwindungen axial fixiert, so daß sie nicht axial verrutschen können, wenn die ersten Windungen der nächsten Spulenlage in die durch die Windungen der untersten Spulenlage gebildete schraubenförmige Rille gelegt werden, wobei die durch die Drahtbremse 20 erzeugte Zugspannung im Wickeldraht 14 normalerweise das Bestreben hätte, die Drahtwindungen der untersten Lage axial zu verdrängen. Da diese jedoch durch die Rillen 58 axial fixiert sind, haben auch die Drahtwindungen aller darüber erzeugten Drahtschichten eine stabile, definierte Lage.
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Anhand von 6 läßt sich der automatisierte Start eines Wickelvorgangs erklären.
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Wie gezeigt, ist an dem Aufnahmedorn 52 eine Drahtklemme 60 angebracht. In diese wird zu Beginn eines Wickelvorgangs das vordere Ende des Wickeldrahts 14 eingeführt, von dem zuvor in der Schäleinrichtung 34 die Isolierung entfernt worden ist. Das Einführen des vorderen Drahtendes 14 in die Klemmeinrichtung 60 erfolgt mittels der in 2 gezeigten Einrichtung zum schrittweisen Vorschub des Drahts 14. Diese Vorschubeinrichtung besteht aus einer oberen, fest angeordneten Klemmzange 62 und einer unteren Klemmzange 64, die durch eine Zylinder-Kolben-Einheit 66, welche ebenso wie die obere Zange 62 an der Drahtführungseinheit 26 befestigt ist, in senkrechter Richtung bewegt wird. Um das vordere Drahtende in die Klemme 60 einzuführen, fährt die Zylinder-Kolben-Einheit 66 bei gelöster oberer Klemmzange 62 die den Draht 14 geklemmt haltende untere Klemmzange 64 aus ihrer oberen in die untere Stellung. Anschließend wird die obere Klemmzange 62 gespannt und die bewegliche untere Klemmzange 64 gelöst und nach oben zurückgezogen. Dieser Bewegungsablauf kann auch mehrmals wiederholt werden, um den Draht schrittweise über eine größere Strecke vorzuschieben. Vor Beginn der Wickelbewegung werden beide Klemmzangen 62, 64 gelöst.
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Nachdem das vordere Ende des Drahts 14 in der Drahtklemme 60 am Aufnahmedorn 52 fixiert worden ist, wird durch den Drehantriebsmotor 57 über die mit dem Aufnahmedorn 52 drehschlüssig gekuppelte Spannzange 54 zunächst nur eine (Teil-)Umdrehung ausgeführt, wobei der Drahtführer 24 in einer Stellung steht, in welcher der Draht 14 zunächst noch nicht auf den Spulenträger 36, sondern auf eine Umfangsfläche 68 des Aufnahmedorns 52 gelegt wird. Die hier abgelegte Drahtlänge ergibt später eines der beiden von der Spule abstehenden Anschlußenden.
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Nachdem eine bestimmte Endlänge des Drahtes auf die Umfangsfläche 68 gelegt worden ist, wird der Drahtführer 24 über den Spulenträger 36 verfahren. Dabei verfängt sich der Wickeldraht 14 an einem radialen Vorsprung 70 auf der Umfangsfläche des Aufnahmedorns 52. Durch den radialen Vorsprung 70 wird der Draht in eine Nut in der angrenzenden Endwand des Spulenträgers 36 gelenkt und gelangt durch diese in den Innenraum des Spulenträgers 36. Danach wird der Wickelvorgang, wie oben beschrieben, ausgeführt, wobei eine mit Bezug auf den Spulenträger in axialer Richtung im wesentlichen konische Spule erzeugt wird. Am Ende des Wickelvorgangs lenkt der Drahtführer 24 den Draht auf eine Umfangsfläche der Spannbacke 54 und erzeugt dadurch das andere von der Spule abstehende Anschlußende, bevor schließlich der Draht mittels der Schere 37 abgeschnitten wird.
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Es sei ergänzend erwähnt, daß statt der Drahtführungseinheit 26 auch die Wickeleinrichtung 12 in einer oder mehreren Raumachsen gesteuert einstellbar sein könnte, um den zu bewickelnden Spulenträger 36 relativ zum Drahtführer 24 in der gewünschten Weise zu positionieren. Außerdem könnte die Drahtführungseinheit 26 oder ein den Drahtführer 24 enthaltender Teil derselben durch einen Bewegungsantrieb in Längsrichtung entlang einer Führung an einem senkrecht und quer verfahrbaren Schlitten gesteuert bewegbar sein, um die bei den am häufigsten auszuführenden sprunghaften Bewegungen in Längsrichtung zu bewegende Masse zu minimieren. Als steuerbare Verstellantriebe eignen sich z. B. positionsgenau zu steuernde Elektroantriebe in Verbindung mit Schraubenspindeln.
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Die Drahtführung zwischen dem Drahtführer 24 und der Bremsrolle 40 hängt u. a. von den auf diesem Drahtabschnitt angeordneten Bearbeitungseinheiten, z. B. der Schäleinrichtung 34 und dem Drahtmesser 37 ab. Hier besteht, was die Lage der Führungsrolle 22 und weitere Drahtführungsorgane anbelangt, weitgehende Gestaltungsfreiheit, es sollten jedoch nach Möglichkeit in diesem Bereich hinter der Bremsrolle 40 keine elastischen Elemente bzw. Drahtspeicher vorhanden sein, um mittels der Drahtbremse 20 jederzeit eine definierte Zugkraft auf den Drahtabschnitt zwischen der Spule und dem Drahtführer 24 ausüben zu können.
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Der Drahtspeicher 18 kann auch eine andere Form, als dargestellt, haben. So kann z. B. die in ihrer Länge veränderliche Drahtschlaufe, in welche die Drahtbremse 20 gelegentlich Draht zurückfördert, unbelastet sein, wenn in anderer Weise, z. B. durch eine mit einer bestimmten Kraft belastete Andruckrolle, dafür gesorgt wird, daß der Draht 14 schlupffrei in Anlage an der Bremsrolle 40 gehalten wird.
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Das Prinzip der Erfindung läßt sich auch bei einer Wickelvorrichtung realisieren, bei der die Spule während des Wickelvorgangs drehfest gehalten wird, während der Drahtführer die Spule umkreist. Weiterhin spielt es für die Erfindung keine Rolle, ob die Spule 41 auf einen hohlen Träger 36 aus Kunststoff oder auf ein Eisenkernsegment eines Rotors oder Stators für einen Linear- oder Drehantriebsmotor gewickelt wird. Auch Spulen ohne Träger, die auf eine Schablone gewickelt und deren Windungen nach dem Wickeln z. B. miteinander verbacken werden, können erfindungsgemäß hergestellt werden. Schließlich besteht auch keine Einschränkung hinsichtlich des Wickeldrahts. In Frage kommen z. B. Rund- und Flachdrähte sowie Paralleldrähte. Die Wickelvorrichtung kann mehrere nebeneinander angeordnete Wickeleinrichtungen 12 mit jeweils einer zugehörigen Drahtzuführung aufweisen, wobei die Möglichkeit besteht, die Drehantriebe der Wickeleinrichtungen 12 und die steuerbaren Antriebe der Drahtführungen 26 zu koppeln oder in anderer Weise zu synchronisieren.
