DE1790073B1

DE1790073B1 - Verfahren zur herstellung eines mit einem isolierba nd wendelfoermig bewickelten leiters

Info

Publication number: DE1790073B1
Application number: DE19681790073
Authority: DE
Inventors: Gore Wilbert L
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1967-09-07
Filing date: 1968-09-06
Publication date: 1972-05-25
Also published as: GB1244632A; CH482270A; FR1582288A; SE360501B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Isolierband wendelförmig bewickelten Leiters sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist üblich, die Isolation eines elektrischen Leiters mit Hilfe eines Extrusionsprozesses herzustellen, wobei man ein thermoplastisches Isoliermaterial verwendet, das geschmolzen und mit dem der Leiter dann ummantelt wird. Bei den bekannten Extrusionsverfahren ist es schwierig, das Isoliermaterial so auf den Leiter aufzubringen, daß seine Dicke völlig gleichmäßig ist. Vielmehr ergeben sich Schwankungen des Außendurchmessers der Isolation, und der Leiter kann auch innerhalb der Isolation nicht genau zentriert sein. Weiter steht eine Anzahl von Isolierstoffen zur Verfugung, die an sich recht günstige Eigenschaften haben,, die aber nicht thermoplastisch sind und deshalb nicht durch Extrudieren auf einen Leiter aufgebracht werden können. Eine Reihe solcher Isolierstoffe steht jedoch in Form dünner Filme zur Verfügung; sie werden benutzt, um einen metallischen Leiter zu bewickeln. Bei diesem Verfahren wird das Filmmaterial in schmale Streifen geschnitten und dann wendelförmig mit Überlappung auf den Leiter gewickelt, so daß dieser mit zwei oder drei Lagen des Films bedeckt ist. Die überlappenden Lagen werden dann beispielsweise durch Erwärmen miteinander verschweißt, wodurch die Isolation feuchtigkeitsdicht gemacht wird.

Beim üblichen Bewickelungsverfahren ist eine erhebliche Präzision erforderlich, um die Geschwindigkeit des Vorschubs des Leiters und die Drehzahl des Bewickelhs aufeinander abzustimmen. Man muß auch sehr darauf achten, daß das Band beim überlappenden Bewickeln des Leiters unter gleichmäßiger Spannung bleibt. Es ist erforderlich, das Band zu strecken, damit es glatt an den Leiter angelegt und auch um die einen größeren Durchmesser aufweisende Uberlappungszone gelegt wird. Die konstante Spannung des Bandes wird so bemessen, daß es sich glatt an den Leiter legt, aber nicht so stark getreckt wird, daß im Band dünne Stellen entstehen und damit eine ungleiche Stärke der Isolierschicht erzeugt wird.

Bei den üblichen automatischen Geräten zum Herstellen von Verbindungen zwischen Leitern, z. B. für Computer, und zum Herstellen von Verbindungen an Anschlußstellen ist ein hoher Grad an Genauigkeit bezüglich des Außendurchmessers der isolierten Leiter erforderlich, und zwar deshalb, weil Klemmvorrichtungen, Entmantelungsvorrichtungen und andere Werkzeuge, die in dem automatischen Gerät verwendet werden, eine sehr- genau bemessene Klemmkraft und genaue Plazierung des Leiters beim Verbinden mit einem Anschlußpunkt erfordern. Durchmesserabweichungen und nicht zentrierte Leiter verursachen bei diesen Vorgängen kostspielige Verluste an Zeit und Material.
Ein Grund für die Ungleichmäßigkeit des Durchmessers der bekannten Produkte ist der, daß in den meisten Bandwickelmaschinen das Band um den Leiter herumgeführt und die Spannung durch eine rotierende Kupplungsvorrichtung erzeugt wird, die auf die das Band tragende Spule einwirkt. Da der Durchmesser des Bandwickels beim Verbrauch des Bandes kleiner wird und der Arm, an dem das Drehmoment angreift, kleiner wird, entsteht beim Abwickeln einer Bandrolle eine zunehmend größere Spannung. Deshalb muß man

20

an diesen Maschinen die Spannung von Zeit zu Zeit neu einstellen. Diese Einstellung erfolgt also in Stufen und nicht kontinuierlich. Bei allen Bandausgabekupplungen sind bis zu einem gewissen Grade Schwankungen in den Beanspruchungen in Kauf zu nehmen. Da bei den üblichen Bandwickelmaschinen die Kupplung mit dem Wickelkopf umläuft und deshalb bei laufender Maschine unzugänglich ist, kann man nicht durch Vervollkommnung des Kupplungsmechanismus zu einer gleichmäßigen Spannung gelangen.

In der deutschen Auslegeschrift 1169 538 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Isolationsbandage für Bauelemente gebogener Form in Hochspännungsgeräten, insbesondere Hochspannungswicklungen, beschrieben. Diese Literaturstelle vermittelt die Lehre, zur Beeinflussung der Banddicke bei einem mit einem Isolierband wendelförmig zu bewickelnden Leiter den Zug des Bandes während des Wickelvorganges zu steuern. Dabei wird von Hand ein Wickelvorgang durchgeführt, bei dem die Bandagierrolle festgezogen wird, wenn das Band dünn liegen soll, und leicht gezogen wird, wenn es dicker liegen soll. Die zu steuernde und die Banddicke beeinflussende Größe ist hierbei die Zugkraft der Rolle, die durch Reibung des Bandes an einem auf ihr befindlichen Umlenkstift entsteht, wobei diese Reibung durch Veränderung der Lage des Stiftes und somit des Umschlingungswinkels variiert werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung der genannten deutschen Auslegeschrift sieht vor, an den Stellen, an denen der Bandzug verstärkt werden soll, die sich um den Leiter bewegenden Bandagierrollen in ihrer Eigendrehung durch kurvengesteuerte Stößel zu bremsen. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt eine dem gewünschten Bandzug jeweils angepaßte Bremsung der Bandagierrolle unter Vermittlung kurvengesteuerter Stößel.

Bei allen Ausführungsformen dieser deutschen Auslegeschrift wird die Banddicke dadurch verändert, daß beim Auftragen des Bandes eine wechselnde, durch Reiburigswirkung entstehende Zugkraft auf das Band ausgeübt wird. Es wird also die Bandspannung unmittelbar beeinflußt. Natürlich ändert sich mit der Bandspannung auch die Dehnung, es ist jedoch ein wesentlicher Unterschied darin zu sehen, ob erstere oder letztere unmittelbar gesteuert wird. Die Funktion, mit welcher sich die Banddicke in Abhängigkeit von der Spannung ändert, gleicht nicht der Funktion, mit welcher sich die Banddicke in Abhängigkeit von der Dehnung ändert. Insbesondere hängen, wie in den weiter unten folgenden Rechenbeispielen gezeigt werden wird, beide Funktionen unterschiedlich stark von den möglichen Störfaktoren ab.

Die USA.-Patentschrift 3 223 564 betrifft die Herstellung von mit Polytetrafluoräthylen isolierten Drähten, d. h. die Isolierung von Drähten unter Verwendung eines ganz bestimmten Materials, dessen chemische und mechanische Eigenschaften eine bestimmte Isoliertechnik erfordern. Ausgangspunkt dieser Patentschrift ist daher ein gesintertes Polytetrafluoräthylenband; welches bei einfacher wendeiförmiger Aufbringung auf den Leiter ohne weitere Maßnahmen nicht dicht genug schließt. Das in dieser Literaturstelle vorgeschlagene Isolierverfahren besteht demnach darin, das Band mit einer Schicht aus ungesintertem Polytetrafluoräthylen zu verbinden und beides heiß auf den Leiter derart aufzuwalzen, daß das Band nachher nicht wendelförmig, sondern parallel um den Leiter liegt.

Aufgabe der Erfindung ist nicht die Auswahl eines bestimmten Isoliermaterials, sondern vielmehr eine neue und fortschrittliche Art der Aufbringung eines Isoliermaterials auf einen Leiter. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen bewickelten Leiter herzustellen, der einen konstanten Außendurchmesser besitzt, wobei der Leiter innerhalb der Isolation stets zentriert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung eines mit einem Isolierband wendelförmig bewickelten Leiters dadurch gelöst, daß das Band beim Aufbringen auf den Leiter einer konstanten Längsdehnung unterworfen wird. Die bereits erwähnte deutsche Auslegeschrift 1169 538 regt für die Aufbringung einer Bewicklung gleichmäßiger Dicke auf einen Leiter an, das Band dort einem verstärkten Zug und damit auch einer Dehnung auszusetzen, wo es zu dick aufträgt, was naturgemäß an der Innenseite der Krümmung eines gebogenen Leiters der Fall ist, da dort mehr Lagen übereinander liegen als an der Außenseite. Ist der Leiter nicht gebogen, dann ist dieser deutschen Auslegeschrift zu entnehmen, den Bandzug, d. h. die Längsspannung, nicht zu ändern, sondern gleich zuhalten. Dies ist jedoch der Weg, der erfindungsgemäß gerade nicht eingehalten wird, vielmehr soll erfindungsgemäß die Banddehnung gleich gehalten werden.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Vor bekannten" werden dann besonders deutlich, wenn man umgekehrt versucht, die erfindungsgemäße Lehre auf die Bewicklung gebogener Leiter zu übertragen. Die Dehnung müßte dann so gesteuert werden, daß sie nicht während eines ganzen Umlaufs konstant bleibt, sondern daß sie in einer beliebigen Stellung des Umlaufs den gleichen Wert hat wie in der gleichen Stellung des vorhergehenden Umlaufs, sich also bei jedem Umlauf nach der gleichen Funktion ändert. Eine derartige Steuerung kann durch die Bremsmechanismen gemäß der deutschen Auslegeschrift 1169 538 nicht erreicht werden, da diese Mechanismen allenfalls vorgegebene Bandspannungswerte erzeugen.

In den Rahmen der vorliegenden Anmeldung fällt ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch eine Vorschubeinrichtung zur Bewegung des Leiters von einer Abwickelrolle zu einer Aufwickelrolle und eine am Vorschubweg des Leiters angeordnete Bandzuführungseinrichtung, wobei Leiter oder Bandzuführungseinrichtung relativ zueinander um die Leiterachse drehbar sind, sowie eine das Band bei seinem Aufwickeln auf den Leiter derart beanspruchende Dehnungseinrichtung, daß es sich in gleichbleibend gedehntem Zustand wendelförmig um den sich vorschiebenden Leiter legt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zu seiner Durchführung eingesetzten Vorrichtung können bandbewickelte Leiter mit gleichmäßigem Außendurchmesser hergestellt werden, und zwar mit einer Gleichmäßigkeit, wie sie bisher nicht einmal bei Verwendung der kompliziertesten Kupplungsmechanismen in der Wickelmaschine möglich war.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Wickelvorrichtung in Vorder-

65 ansicht,

F i g, 2 eine Ansicht mit Schnitt gemäß der Linie 2-2: derFig. 1, · -..

F i g. 3 eine Ansicht mit Schnitt gemäß der Linie 3-3 der.Fig.l-,--

Fig. 4 im größerem Maßstab die Zuführung des Bandes zu dem elektrischen Leiter, wobei einige im folgenden Text benutzte mathematische Symbole eingetragen sind, und

Fig. 4a eine Querschnittsdarstellung eines Teils aus Fig.4;

F i g. 5 zeigt eine Spannungsdehnungskurve mit dem für das Bewickeln eines Leiters brauchbaren Gebiet; die Kurve dient zur Erläuterung einiger im folgenden Text verwendeten Begriffe;

Fig. 6 zeigt weitere solche Kurven für bestimmte Isolierstoffe in Form von Filmen oder Bändern und

F i g. 7 entsprechende Kurven für Füme aus zwei vielfach beim Isolieren verwendeten Isolierstoffen.

Bei der Wickelvorrichtung der Fig. 1 wird der Draht 101 in Rotation versetzt, und das Band 34 wird dem Draht aus einer Vorratsspule 35 zugeführt. Der Draht wird über Rollen 11,12 und 13 von einer Spule 10 abgezogen und durch das Rohr 14 über einen Rollentrieb 15 und weitere Rollen 16, 17 und 18 der Aufwickelspule 19 zugeführt. Der Draht wird durch eine magnetische Bremse 20 an seinem Eintrittsende und eine entsprechende Bremse 21 am Austrittsende unter Spannung gehalten. Die Spannung zwischen den beiden Spulen 10 und 19 wird durch diese Bremsen so abgestimmt, daß der Rollentrieb den Vorschub des Drahtes in der noch zu beschreibenden Weise reguliert. '"> Die Rotationsvorrichtung besteht aus zwei Abschnitten 22 und 23, und zwar einem Abschnitt 22 für die Zuführung des nackten Drahtes und einem Abschnitt 23 für die Aufnahme des isolierten Drahtes. Diese beiden Abschnitte werden gleichzeitig von einer gemeinsamen Abtriebs welle 24 angetrieben. Die Draht-Vorratsspule 10 ist drehfest am Rohr 14 montiert, welches durch einen Motor 25 über die Welle 24 angetrieben wird. Die WeUe 24 treibt ebenfalls das Rohr 26 des Abschnitts 23 über einen Kettentrieb 24^4 an. Die darauf abgestimmtem Bandvorschub pro Umdrehung wird das Band während eines bestimmten Durchlaufs gleichmäßig gedehnt.

Das Getriebe für die Bandzuführung umfaßt einen Riementrieb 30 (s. F i g. 1), der mit dem verstellbaren Zwischengetriebe gekuppelt ist, welche wieder auf den Riementrieb 31 einwirkt. Dieser treibt den Klemmrollensatz 27 an, dessen Rollen 32 und 33 in Fig. 3 dargestellt sind und durch den das Isolierband 34 von seiner Vorratsspule 35 abgezogen wird. Wie aus F i g. 1 und 4 hervorgeht, hat das Band 35 auf der Austrittsseite des Rollensatzes 27 eine geringere Breite und Dicke als auf der Eintrittsseite; diese Querschnittsverringerung ergibt sich durch die Streckung des Bandes. Die Vorratsspule 35 ist frei drehbar, so daß das Band 34 bis zu dem Klemmrollensatz 27 keine große Spannung erhält.

In Fig. 4 und 4A ist eine der Einfachheit halber in F i g. 1 weggelassene Führung 36 dargestellt, die an einem Träger 37 gestellfest montiert ist. Diese Führung besteht aus einem Rohr 38 mit einem Längsschlitz 39, durch den das gestreckte Band 40, das von dem Klemmrollensatz 27 kommt, hindurchläuft und dann auf den rotierenden und sich in Längsrichtung bewegenden Draht 101 gewickelt wird.

Die Führung 36 ist so angeordnet, daß der Draht 101 über ihre innere Bodenfläche läuft und jeder durch die Spannung des Bandes auf den Draht 101 in Richtung zum Rollensatz 27 hin ausgeübte Zug aufgenommen wird, wie dies aus Fig. 4A hervorgeht.

Zum Erzeugen der Längsbewegung des Leiters 101 dient, wie bereits gesagt, der Rollentrieb 15, der in F i g. 2 in größerem Maßstab dargestellt ist. Der Rollentrieb 15 rotiert, wie dargestellt, zusammen mit dem Rohr 26 des Abschnitts 23; er kann aber auch am Rohr 14 des Abschnitts 22 angeordnet sein. Am inneren Ende des Rohrs 26, das dem Rohr 14 zugewandt ist, befindet sich ein Schlitz41 (Fig. 1), durch welchen die Rollen 42 und 43 des Rollentriebes zugänglich sind.

Draht-Aufwickelspule 19 ist an dem Rohr 26 montiert 40 Im Rqhr_26 sind_weiter Hilfsrollen 44jund 45 angeqrd- und rotiert mit diesem zusammen. Demnach werden net. Die Rollen 42 und 43 werden durch ein Zahnrad-

die Spulen 10 und 19 von einem gemeinsamen Motor angetrieben, und jede unterliegt der geregelten Wirkung einer Bremse 20 bzw. 21. Vom Rohr 14 wird über ein Getriebe 30,28,31 ein Satz Klemmrollen 27 angetrieben, die das Band 34 zzführen. Die Antriebsgeschwindigkeit der Klemmrollen kann durch das verstellbare Zwischengetriebe 28 so eingestellt werden, daß die Zuführungsgeschwindigkeit des Bandes bezüg-

50

lieh der des Drahtes genau eingestellt werden kann. Da der Rollentrieb 15 und die Klemmrollen 27 gemeinsam von der Welle 24 angetrieben werden, ist der Vorschub des Drahtes pro Umdrehung und der Vorschub des Bandes pro Umdrehung synchronisiert, jedoch ist das Vorschubverhältnis unabhängig von der Drehzahl der Rohre einstellbar. Deshalb wird die Dehnung des Bandes 34 zwischen den Klemmrollen 27 und dem Draht auf einem konstanten Wert gehalten, der durch das verstellbare Zwischengetriebe 28 festgelegt ist. Für einen bestimmten zu fertigenden Leiter wird das Zwischengetriebe 28 so eingestellt, daß die für die gewünschte Dicke erforderliche Dehnung des Bandes entsteht. Die Einstellung des erforderlichen Vorschubs pro Umdrehung für einen bestimmten Leiter wird am Wechselgetriebe 29 vorgenommen, wie dies in Verbindung mit Fig. 2 noch beschrieben werden soll. Bei einmal festgelegter Vorschubgeschwindigkeit und Rotationsgeschwmdigkext des Drahtes und getriebe 29 so angetrieben, daß sie in den in F ig. 2 durch Pfeile angezeigten Richtungen umlaufen und den Leiter 101 nach links befördern. Um das erste Zahnrad des Getriebes 29 anzutreiben, ist ein gestellfestes Kegelzahnrad 47 vorgesehen, welches an einem Träger 48 befestigt ist und ein Mittelloch aufweist, das als Lager für das Rohr 26 dient. Beim Rotieren des Rohrs 26 wird das an ihm befestigte Getriebe 29 angetrieben. Da das Zahnrad 46 in Eingriff mit dem festen Kegelzahnrad 47 steht, rotiert es während seines Abrollens am Kegelzahnrad. Der Leiter 101 kann an den Rollen 42 und 43 nicht schlüpfen, da der von der Aufwickelspule 19 ausgeübte Zug so groß ist, daß eine genügende Reibungskraft zwischen dem Draht 101 und den Rollen entsteht, die auch den Vorschub des Drahtes bewirkt. Der Draht 101 bewegt sich also durch das Rohr 26 zur Aufwickelspule 19.

Der Leiter 100 kann sich von seiner Vorratsspule 10

ohne Traversiervorrichtung abwickeln. Die Aufwickelspule 19 ist jedoch traversierbar eingerichtet. Sie traversiert durch die Wirkung der Traversiervorrichtung 36 zusammen mit der Bremse 21 als EinheitinRichtung des Doppelpfeils 50. Dadurch wird der isolierte Leiter glatt auf die Spule 19 aufgewickelt.

Die beschriebene Wickelvorrichtung hat den für den Betrieb erheblichen Vorteil^ daß die Band-Yorratsspule fest angeordnet ist. Man kann jedoch das erfin-

dungsgemäße Prinzip der Bandstreckung auch bei einer Wickelvorrichtung mit um den zu bewickelnden Leiter umlaufenden Band-Vorratsspule anwenden, bei welcher der Leiter eine reine Längsbewegung ohne Rotation ausfuhrt.

Durch folgende Beispiele werden die sich aus der Erfindung ergebenden Vorteile erläutert.

Beispiel 1

Durch dieses Beispiel werden ein Verfahren, das mit einer konstanten Bandspannung arbeitet, und deren Wirkung auf die hergestellten Produkte erläutert.

An Stelle des Riementriebs 30 und des Zwischengetriebes 28 wurde eine magnetische Bremse an den Rollensatz 29 der Wickelmaschine angekuppelt.

Ein Draht von 0,25 mm Durchmesser wurde auf die Vorratsspule 10 gebracht und über den Rollentrieb 15 zur Aufwickelspule 19 geführt. Ein biaxial orientierter Film einer Dicke von 0,025 mm aus Polyäthylenterephthalat (Marke »MYLAR« der E. J. du Pont de Nemours & Co. Inc.) mit einem Adhäsivbelag der halben Dicke des Films wurde in Streifen von 5,5 mm Breite geschnitten; ein solcher wurde auf die Band-Vorratsspule 35 gewickelt, durch die Klemmrollen geführt und am Draht angeheftet. Der Draht wurde dann in Rotation versetzt, bei derartiger Einstellung des Rollentriebes, daß eine Überlappung des Bandes von 75% entstand, d.h., daß auf den Draht vier Lagen übereinandergewickelt wurden. Die magnetische Bremse an dem Rollensatz 27 wurde so eingestellt, daß eine Bandspannung von 1,36 kp entstand. Diese genügte gerade, um das Band glatt an den Stellen des Drahtes anzulegen, an denen keine Überlappung bestand. Etwa 300 m Draht wurde so bewickelt, und danach wurde die Bandspannung hinter den Klemmrollen erneut gemessen. Sie war noch genau so groß wie am Anfang. Der Außendurchmesser des Drahtes wurde nach je etwa 6 m Drahtlänge sorgfältig gemessen. Die Streuung der Meßwerte ist unten in der Unken Spalte der Tabelle I angegeben. Das Produkt hat nicht die Gleichmäßigkeit des nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Produkts.

Beispiel 2

Dieses Beispiel dient zur Erläuterung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die im Beispiel 1 verwendete magnetische Bremse wurde vom Rollensatz 27 entfernt, und es wurde wieder der Riementrieb 30 und das Zwischengetriebe gemäß F ig. 1 angebracht, so daß der Antrieb der Klemmrollen mit der Rotation des Drahtes gekuppelt war. Es wurden jedoch dieselben Spulen mit Draht und Band wie im Beispiel 1 auf der Wickelmaschine belassen. Der Draht wurde in Rotation versetzt, und das ein-, stellbare Zwischengetriebe 28 wurde so eingestellt, daß die Dehnung des Bandes gleichmäßig war und gerade ausreichte, das Band glatt an den nackten Draht anzulegen. Es wurden etwa 300 m Draht mit vier übereinanderliegenden Lagen bewickelt; der Außendurchmesser des isolierten Drahtes wurde nach je etwa 6 m Drahtlänge sorgfältig gemessen. Die Streuung der Meßwerte ist in der rechten Spalte der anschließenden Tabelle I dargestellt.

Tabelle I

Streuung der Meßwerte für den Durchmesser des isolierten Drahtes

	Anzahl der	Messungen	Beispiel 2
Durchmesserbereich	im angegebenen Bereich	0
(in Einheiten 25 mm)	Beispiel 1	0
0,0230 bis 0,0234	1	2
0,0225 bis 0,0229	4	10
0,0220 bis 0,0224	10	27
0,0215 bis 0,0219	12	7
0,0210 bis 0,0214	11	1
0,0205 bis 0,0209	13	0
0,0200 bis 0,0204	7	0
0,0195 bis 0,0199	5	47
0,0190 bis 0,0194	2
	65

χ = 0,0212;
s. d. = 0,00093.

χ = 0,0215;
s. d. = 0,00039.

Beispiel 1 Beispiel 2

F = (0,00093 : 0.00039)² = 5,7. F (0,01) = 2,0.

Die Standardstreuung s. d. der Meßwerte des Außendurchmessers war bei dem nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten isolierten Draht 0,00039, also viel geringer als der. Wert 0,00093, der sich bei dem nach dem Verfahren des Beispiels 1 erzeugten Draht ergab. Das Verhältnis F der Quadrate der Standardstreuungen ist 5,7, also erheblich größer als das Verhältnis F(O₅Ol), das ist das bei einer Wahrscheinlichkeit von 0,01 zu erwartende Verhältnis. Der isolierte Leiter, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist, zeigt also eine erheblich größere Gleichmäßigkeit seines Durchmessers.

Beispiel 3

Durch dieses Beispiel werden ein konventionelles, mit konstanter Bandspannung arbeitendes Wickelverfahren, bei welchem der Draht nicht rotiert, und die mit dem Verfahren erzeugten Produkte erläutert. In eine konventionelle Wickelmaschine, bei der die Bandspule um den Draht rotiert, wurde dieselbe Spule Draht, die bei den vorangehenden Beispielen verwendet wurde, und eine Rolle »Mylar«-Band gleicher Breite, das von derselben Filmrolle gewonnen war, eingesetzt. Es wurden etwa 300 m isolierter Draht hergestellt, wobei die Kupplung an der Bandzuführung anfangs so eingestellt wurde, daß sich das Band glatt an den nackten Draht anlegte, worauf die Maschine ohne weitere Justierung mit gleicher Drehzahl laufen gelassen wurde. Ein Spannungsmesser für die Gegenspannung des Bandes ergab einen Wert von 1,4 kp am Anfang und von 1,5 kp am Ende des Versuchs.
Es wurden 52 Messungen des Außendurchmessers in Abständen von je 6m Drahtlänge ausgeführt; dabei ergab sich ein mittlerer Durchmesser von 0,0199 Einheiten mit einer Standardabweichung von 0,00121 Ein-' heiten. Am restlichen Band auf der Spule wurde eine

209522/325

IO

15

25

30

Dickenmessung für 10 übereinanderliegende Lagen ausgeführt. Die Gesamtdicke variierte von 0,0152 bis 0,0156 Einheiten. Messungen an einzelnen Streifen des Bandes ergaben Dicken von 0,0014 bis 0,0017 Einheiten.

Eine Analyse ergibt, daß die Streuungen des Durchmessers wesentlich größer sind, als aus den Streuungen der Dicke des Bandes erwartet werden kann.

Beispiel 4

Dieses Beispiel dient dem Vergleich des Dehnungseffektes, der sich beim Bewickeln mit konstanter Spannung ergibt, mit der Wirkung des Wickeins mit konstanter Dehnung nach vorliegender Erfindung.

Ein Band aus mit Adhäsivschicht versehener »MYLAR«-Folie der im Beispiel 1 angegebenen Abmessungen wurde längs einer seiner Kanten in Abständen von je 2,5 mm mit einem Tintenpunkt markiert. Ein Teil des Bandes wurde auf den genannten Draht gewickelt, wobei die Wickelmaschine des Beispiels! verwendet wurde, und ein anderer Teil des Bandes wurde mit der Wickelmaschine des Beispiels 2 gewikkelt, in beiden Fällen mit rotierendem Draht. Auf den bewickelten Drähten wurden dann die Abstände der Punkte gemessen.

Die Abstände waren sehr gleichmäßig, nämlich 2,92 mm für den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten isolierten Draht. Für die mit konstanter Spannung arbeitende Wickelmaschine jedoch schwankten die Abstände der Punkte von etwa 2,67 mm an dicken Stellen des isolierten Drahtes bis zu etwa 3,3 mm an dünnen Stellen des isolierten Drahtes. Es wurde nun von einer dünnen Stelle des mit konstanter Spannung bewickelten Drahtes mit einem Außendurchmesser von 0,495 mm und ebenso von einer dicken Stelle mit einem Außendurchmesser von 0,57 mm das Band abgewickelt. Das Band von der dünnen Stelle hatte eine Breite von 3,94 mm und das Band von der dicken Stelle eine Breite von 5,34 mm, was eine sehr große Differenz bedeutet. Desgleichen wurde Band von dem nach dem Verfahren mit konstanter Dehnung hergestellten Produkt abgewickelt und gemessen; an allen Stellen lag die Breite gleichmäßig zwischen 4,73 und 4,95 mm.

Somit ergibt sich bei Regulierung der Dehnung des »MYLAR«-Bandes eine konstante Bandbreite, so daß sich genau vier Lagen bei 75% Überlappung ergeben; beim Wickelverfahren mit konstanter Bandspannung ergibt sich eine variable Dehnung des Bandes, so daß dieses an manchen Stellen schmal und an anderen Stellen breit ist; infolgedessen schwankt das Maß der Überlappung und damit der Außendurchmesser des isolierten Drahtes. Eine gleichmäßige Breite kann offenbar bei »MYLAR«-Band nur durch Konstanthalten der Dehnung beim Bewickeln erzielt werden.

Wenn nun weitere Überlegungen auf der Grundlage dieser Beispiele angestellt werden, so ergibt sich, daß die Spannungs-Dehnungs-Charakteristik von Filmen eine Grenze für die Gleichmäßigkeit der Bewickelung setzt, die bei Verwendung einer Bandzuführung mit regulierter Spannung erhalten werden kann. Die Schwierigkeit besteht darin, daß die Spannungs-Dehnungskurve einiger Filme beim Strecken schnell zu einem Maximum der Dehnung ansteigt, worauf eine weitere Dehnung keine oder nur eine geringe Steigerung der Spannung hervorruft. Anders gesagt, ist die Dehnung mancher Filme äußerst stark von Änderungen der Spannung abhängig.

50 Während des Bewickeins werden alle Änderungen der Dehnung durch Änderungen in der Spannung der Kupplung bewirkt. Auch kleine Änderungen der Breite und Dicke des Bandes verursachen Schwankungen der Dehnung. Außerdem ändert sich die Spannungs-Dehnungs-Charakteristik über die Länge des Bandes infolge Temperaturschwankungen, mangelnder Orientierung und anderer Einflüsse, so daß selbst ein in seiner Breite und Dicke vollkommen gleichmäßiges Band, welches mit vollkommen gleicher Spannung gewickelt wird, einen isolierten Draht mit wesentlichen Schwankungen des Durchmessers ergeben kann. Weil Filme nicht vollkommen sind, können sie all diesen Schwankungen unterworfen sein. Die Verwendung einer Wickelvorrichtung nach der Erfindung mit Regulierung der Dehnung verringert die genannten Einflüsse auf den Durchmesser des isolierten Drahtes ganz erheblich oder beseitigt sie völlig.

Das Verfahren des Bewickeins mit regulierter Spannung kann mit dem Verfahren der Erfindung mit Hilfe der infinitesimalen Variation der Variablen in Vergleich gesetzt werden.

Dieses Verfahren liefert die Variation des Durchmessers des bewickelten Drahtes, die durch eine kleine Änderung der Spannung des Bandes, repräsentiert durch die Größe b (s. F i g. 5), und durch eine kleine Änderung des Verhältnisses Spannung zu Dehnung, welches durch die Neigung K der" Spannungs-Dehnungskurve der F i g. 5 repräsentiert wird, verursacht wird.

Der allgemeine mathematische Ausdruck für die Änderung des Durchmessers D bei kleinen Änderungen der Variablen A₀, b und K ist

(1)

Die Bedeutung der Größen ergibt sich aus folgender Zusammenstellung in Verbindung mit den Fig. 4 und 5:

Symbol [Dimension]:

A = Querschnittsfläche des Bandes [Länge²],

b = Ordinatenabschnitt des oberen linearen Teils der Spannungs-Dehnungskurve [Kraft/Fläche],

D = Durchmesser des isolierten Drahtes [Länge²],

d = Durchmesser des Leiters oder Differentialoperators (s. Text) [Länge],

F = Spannung des Bandes beim Wickeln [Kraft],

K = Neigung des oberen linearen Teils der Spannungs-Dehnungskurve [Druck],

Z = Dicke des Bandes [Länge], w = Breite des Bandes [Länge], s = Geschwindigkeit [Länge/Zeit], ρ = Dichte des Isoliermaterials [Masse/Vol.], δ ■= Dehnung [%],

Θ = Wickelungswinkel des Bandes.

Indizes:

0 bedeutet <5 = 0,

δ bedeutet «5 = δ,

T bezieht sich auf das Band, c bezieht sich auf den Leiter.

Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen.

Bei stetigen Betriebsbedingungen muß die Masse des die Station 300 pro Zeiteinheit passierenden Isoliermaterials gleich der Masse des Isoliermaterials sein, das die Station 100 in der Zeiteinheit passiert, d. h., die Masse des Isoliermaterials auf dem Draht bestimmt werden; δ = constant:

\ δA₀J sconst

KA₀ K

+ 1 cos Θ

d. h., die Masse des Isoliermaterials auf dem Draht / 3D\

muß gleich der Masse des von der Station 200 aus züge- [~äu~) ~ 0,

führten Materials «pin · \ "" / δ const

Qs

oder nach Umstellung

TO \ d K-J d const

₌₀.

TO /Λ\

Entsprechend können diese Ableitungen in der Gleichung (1) aus Gleichung (8) für den Fall konstanter Spannung bestimmt werden; F = constant:

Aus der Definition der Dehnung (Länge im gestreckten Zustand zu Länge im ungestreckten Zustand des Bandes) folgt

_Fconst

fe

—+ 1 cos(9

e™-l=d oder m = Qto Qto

und aus der Geometrie ergibt sich

cos Θ

(3)

(4) (12)

fdP \db -- + lFcos©

IA₀

Wird durch Kombination der Gleichungen (3) und (4) d_Ta eliminiert, dann kann -(13)

30

_Fconst ^{F b}

KJ

(14)

<5

το

bestimmt und in Gleichung (2) eingesetzt werden.

QoA

35

(δ + 1) cos Θ '

(5)

Die Gleichung (5) kann zur Berechnung der Dehnung benutzt werden, da in ihr δ vorkommt. Für die Berechnung der Spannung F kann man in die Gleichung (5) F aus der Spannungs-Dehnungsfunktion des Bandes einführen. Der lineare Teil der Spannungs-Dehnungskurve gemäß F i g. 5 ist gekennzeichnet durch

(6) In F i g. 6 sind die Spannungs-Dehnungskurven für einige Filme aus verschiedenem Material dargestellt; diese liefern die nötigen numerischen Daten für Tabelle II. Die Werte für alle Filme sind für den Wert δ = 0,1 bestimmt worden, bei welchem sich im allgemeinen die für das Wickeln dünner Drähte vorteilhafte geringste Spannung ergibt. Jede der Variablen A₀, b und K wird in den folgenden zahlenmäßigen Beispielen hinsichtlich ihres Einflusses auf den Durchmesser gesondert untersucht.

Tabelle II

₅o Material

Wenn man diese Gleichung nach δ auflöst und diesen Wert in Gleichung (5) einsetzt, erhält man

/m

QiXTKV —

Γ ^F _ A . 1I _cos 0 IKA₀ K ^{+ 1}j^COSU

Normalerweise ist ρ_ά = Q₀, d. h., ein Dehnen des Bandes beeinflußt nicht merklich seine Dichte; Gleichung (7) wird dann

[ü in² — Λ²Ή —
4 ^l \~

_ϊ_ ιΊ

~ ~K ⁺ J

C81

^C0S

Die partiellen Ableitungen in Gleichung (1) können aus Gleichung (8) für den Fall konstanter Dehnung

1. »MYLAR« (Du
Pont Polyester)

2. »CELANAR« (CeIanese Polyester)

3. »MELINEX« (ICI
Polyester)

4. »TEDLAR« (Du Pont
Polyvinylidenfluorid)

5. Polysulfon (Union

Carbide)

6. Ungesintertes PoIy-

tetrafluoräthylen....
₆, 7. FEP »TEFLON«

(Du Pont)

8. »KAPTON« (DuPont
Polyamid)

K	b
13,5	13,7
7,42	14,0
22,0	14,0
63,0	10,0
0	7,2
7,5	0
1,5	1,9
32,4	14,0

FfKA₀

1,115 1,95 0,728 0,200

00

0,100 1,330 0,525

Die in Tabelle II in Anführungsstrichen gesetzten Bezeichnungen sind geschützte Warenzeichen der angegebenen Firmen. Die Werte von K und b sind in Einheiten des Druckes (0,07 kp/cm²) angegeben.

Beispiel 5

In diesem Beispiel werden Änderungen des Durchmessers D, die durch Änderungen in der Dicke d des Bandes verursacht sind, behandelt. Insbesondere wird so zeigen beispielsweise FEP-»TEFLON« und »CELANAR«-Polyester größere Abweichungen.

' 'Beispielö

In diesem Beispiel werden die Änderungen des Durchmessers, die durch Änderungen der Dehnungsfestigkeit bei regulierter Spannung und regulierter Dehnung erzeugt werden, miteinander verglichen. Es

ein Vergleich des Verfahrens mit regulierter Spannung io werden dieselben Daten wie im vorangehenden Beigegenüber dem Verfahren mit regulierter Dehnung spiel angenommen, nämlich
beim Bewickeln mit »MYLAR«-Band ausgeführt. Die
linearen Dimensionen sind in Einheiten [E] von

25 mm angegeben; Für das Bewickeln werden folgende Daten zugrunde gelegt:

i = 0,Ot[EJ D = 0,0195[E] 0 = 15°.

Diese entsprechen der Konstruktion einer kommerziellen automatischen Vorrichtung zum Herstellen elektrischer Verbindungen an Anschlußstellen.

Das benutzte Band ist 0,22 Einheiten breit und 0,00157 Einheiten dick (»MYLAR«-Band, etwa 0,001 dick mit Adhäsivschicht von 0,00057 Einheiten.)

Bei der Bestimmung des Einflusses kleiner Änderungen der Banddicke oder der Querschnittsfläche des Bandes auf den Durchmesser D wird an Stelle des in Gleichung (1) auftretenden Differentials dA₀ die infinitesimale Variation AA₀ -benutzt, und Entsprechendes gilt für die Differentiale ab und άΚ in den Beispielen 6 und 7.

Angenommen, die Variation der Dicke des Bandes sei ±0,0001 Einheiten. Die totale Variation der Dicke des Bandes ist dann At₀ = 0,0002 Einheiten, und die Variation der Querschnittsfläche des Bandes ist A₀ - 0,22 · 0,0002 =. 4,38 - HT⁵ [E²].

Aus Tabelle II ergeben sich für »MYLAR« folgende Werte:

^F =1,115 A = 1,015.

d = 0,01 Einheiten,
D = 0,0195Einheiten,
Θ = 15°,

ί₀ = 0,00157 Einheiten,
W₀ = 0,22 Einheiten,
FfKA₀ = 1,115 und
fe/fe = 1,015.

Es sei eine Änderung von b der Größe 10% angenommen; diese entspricht für »MYLAR« einer Änderung der Temperatur des Bandes von etwa 10°:

Ab = 0,1 · 13,7 = 1,37.

Durch Einsetzen dieses Wertes in Gleichung (13) zwecks Berechnung des zweiten Gliedes der Gleichung (1) erhält man die Variation des Durchmessers beim Wickeln mit regulierter Spannung

Df const = (-xr) Ab = 0,000981 [E] .

\ ÖD J F const

Für Wickeln mit regulierter Dehnung ergibt sich kein Einfluß auf den Durchmesser, wie man aus Gleichung (10) erkennt:

Ö const

= 0.

KA₀

Setzt man diese Werte in Gleichung (12) ein, so erhält man den Wert des partiellen Differentials im ersten Glied der Gleichung (1):

40 B eispiel 7

= 62,0.

F const

Die Variation des Durchmessers, die sich beim In diesem Beispiel werden die Änderungen des

Durchmessers, die durch Änderungen in der inneren Orientierung des Films bei regulierter Spannung und beiregulierter Dehnung erzeugt werden, für »MYLAR« miteinander verglichen.

Viele Filme, wie solche aus »MYLAR«, verdanken ihre guten mechanischen Eigenschaften einer biaxialen Orientierung des Films, die sich bei der Her-

Wickeln mit regulierter Spannung ergibt, wird dann 50 stellung durch Strecken in Quer- und Längsrichtung

des Films ergibt. Die Neigung K der Spannungs-Dehnungskurve wird stark durch die gegenseitige Abstimmung der Eigenschaften in Quer- und Längsrichtung, die sich beim Strecken ergeben, beeinflußt. 55 Offensichtlich kann die biaxiale Orientierung vom Hersteller nicht leicht reguliert werden. So zeigen publizierte Spannungs-Dehnungskurven für »MYLAR« (Du Pont Bulletin M-2G), daß K im Gebiet 0,07 < δ < 0,18 den Wert Null oder sogar negative 60 Werte annehmen kann. Unter. diesen Umständen treten beim Wickeln mit konstanter Spannung große Änderungen im Durchmesser auf, so daß das Verfahren der infinitesimalen Variation nicht mehr an-Demnach ist die Variation des Durchmessers des wendbar ist.

bewickelten Drahtes bei regulierter Dehnung nur 65 Nimmt man eine Änderung von K von nur ± 10% etwa halb so groß wie bei regulierter Spannung. Es an, dann wird AK = 0,2 · 13,5 = 2,7 Druckeinheisei bemerkt, daß ein »MYLAR«-Film für Variationen ten. Setzt man diese Werte in Gleichung (14) ein, dieser Art nicht die höchste Empfindlichkeit aufweist; dann ergibt das dritte Glied in Gleichung (1) die

AA₀

J F const

= 62,0 · 4,38 · ΙΟ"⁵ = 0,00272 [E] .

- Entsprechend erhält man aus Gleichung (9) die Variation des Durchmessers beim Wickeln mit regulierter Dehnung: .

AA₀ - 0,00136[E].

Änderung des Durchmessers für Wickeln mit regulierter Spannung, nämlich

UΆ

AK = 0,0002 [£] .

' F const

Für Wickeln mit regulierter Dehnung ergibt sich kein Einfluß auf den Durchmesser, wie aus Gleichung (11) hervorgeht:

aD_Scmst = 0.

In der vorangehenden Beschreibung ist Bezug auf bestimmte Filme genommen; man kann aber auch viele andere Filme aus Polymermaterial verwenden, deren Spannungs-Dehnungskurven bei einer Dehnung vorzugsweise im Gebiet von 5 bis 50°, insbesondere bei 10%, eine kleine Neigung aufweisen. Die obengenannten Filme oder Bänder sind eine Auswahl aus den auf dem Markt erhältlichen.

Die Bänder können beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen oder Copolymerisaten des Tetrafluor-. äthylens mit ungesättigten Verbindungen, wie Äthylen oder fluorierten Polypropylenen, ζ. Β. Hexafluorpropylen, aus Polychlortrifiuoräthylen, Polyäthylenterephthalat und anderen Polyestern, verschiedenen Polyamiden, Polyvinylfluorid usw. bestehen.

Die Bänder können auch andere Dicken als die in den Beispielen angegebenen haben. Im allgemeinen werden zum Bewickeln dünner Drähte keine Bänder mit einer Dicke von mehr als 0,125 mm verwendet; im gegebenen Falle können natürlich auch dickere Bänder benutzt werden. Die nicht bewickelten Leiter sollen auf ihrer ganzen Länge Durchmesserschwankungen von nicht mehr als ± 0,005 mm aufweisen. Es können natürlich auch Drähte mit größerem oder kleinerem Durchmesser als 0,25 mm (gemäß den Beispielen) verwendet werden.

In der beschriebenen Wickelvorrichtung können an Stelle der angegebenen mechanischen Teile auch andere verwendet werden. So kann man, anstatt die Teile, welche den Vorschub des Drahtes und des Bandes sowie die Rotation des Drahtes bewirken, von einem gemeinsamen Motor anzutreiben, diese Teile auch durch Synchronmotoren getrennt antreiben. Man kann auch bei entsprechender Einstellung erreichen, daß die Dehnung des Bandes konstant wird, wenn das Band dem Leiter zum Bewickeln zugeführt wird. An Stelle von magnetischen Bremsen kann man an der Draht-Vorratsspule und -Aufwickelspule auch andere Bremsen verwenden, wobei gegebenenfalls die Stärke der Bremswirkung während einer Bewicklung geändert werden kann. Zum Antrieb des Bandes kann statt der Klemmrollen auch ein Rollentrieb, wie er für den Vorschub des Drahtes angegeben ist, oder ein anderer Antrieb verwendet werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform des Wickelverfahrens, wobei der Draht in Rotation versetzt wird, kann eine beliebige Vorrichtung, welche dem Leiter die erforderliche Reibungskraft in Längsrichtung mitteilt, verwendet werden. Bei dem beschriebenen Rollentrieb sind die Rollen vorzugsweise mit Rillen versehen.

Zum Bewickeln wählt man ein streckbares Band; dieses wird durch entsprechende Teile der Wickelvorrichtung gleichmäßig um einen bestimmten Betrag, welcher in einem bevorzugten Bereich der Dehnung liegt, gestreckt, derart, daß beim Bewickeln die gewünschte Anzahl von Überlappungen entsteht. Man erhält dadurch bewickelte Leiter mit außerordentlich gleichmäßigem Außendurchmesser.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COpy

209 522/325

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines mit einem Isolierband wendelförmig bewickelten Leiters, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (34) beim Aufbringen auf den Leiter (101) einer konstanten Längsdehnung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die konstante und von Bandspannungsänderungen unabhängige Längsdehnung des Ban- ίο des (34) bewirkende Abstimmung der Zuführungsgeschwindigkeit des Bandes mit derjenigen Geschwindigkeit, mit der das Band infolge relativer Rotation und relativen Vorschubs des Leiters (101) bezüglich des Ortes der Bandzuführung (27) auf den Leiter (101) gezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band (34) aus einem synthetischen Polymer verwendet wird, dessen Spannungs-Dehnungskurve bei Dehnungswerten oberhalb 5% eine flache Neigung aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Tetrafluoräthylenpolymer ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Polyester ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Polyimid ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorschubeinrichtung (29) zur Bewegung des Leiters (101) von einer Abwickelrolle (10) zu einer Aufwickelrolle (19) und eine am Vorschubweg des Leiters angeordnete Bandzuführungseinrichtung (27,35), wobei Leiter oder Bandzuführungseinrichtung relativ zueinander um die Leiterachse drehbar sind, sowie eine das Band (34) bei seinem Aufwikkeln auf den Leiter (101) derart beanspruchende Dehnungseinrichtung (28, 27), daß es sich in gleichbleibend gedehntem Zustand wendelförmig um den sich vorschiebenden Leiter (101) legt.

8. Vorrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungseinrichtüng aus einer Koppelung (28) der Abgabegeschwindigkeit der Bandzuführungseinrichtung (27) mit der relativen Rotationsgeschwindigkeit zwischen Leiter (101) und Bandzuführungseinrichtung und mit der Vorschubgeschwindigkeit des Leiters besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwickelrolle (10) und die Aufwickelrolle (19) eine gemeinsame Antriebsvorrichtung (25) aufweisen.