DE2525466A1 - Kompakte elektrische spulen und verfahren und vorrichtung zur herstellung solcher spulen - Google Patents

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Scan-Speak A/S ^Dafum 5. Juni 1975

Kompakte elektrische Spulen und Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung solcher Spulen

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Spulen und insbesondere die Herstellung kompakter Spulen, bei denen der durch die Windungen bzw. Wicklungen eingenommene Raum so weit als möglich mit dem Wicklungsmaterial selbst ausgefüllt ist, d.h. Spulen, bei denen der sogenannte Raumausnut zungs- bzw. Raumfüllfaktor groß ist. Insbesondere bei Lautsprecherspulen ist es wichtig, daß die Spule so kompakt als möglich ist, da der Luftspalt, in dem die Spule arbeitet, so schmal als möglich sein sollte, aber auch in anderen Einrichtungen, die Spulen enthalten, beispielsweise Transformatoren, kann es allgemein wünschenswert sein, kompakte Spulen zu verwenden, auch, weil eine gute Wärmeleitfähigkeit der Spule wünschenswert ist. Ein hiermit zusammenhängendes Problem besteht darin, daß die Windungen bzw. Wicklungen durch geeig-

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netes Bindungsmaterial, wie Thermoplaste, miteinander verbunden sein sollten, und zur Herstellung einer kompakten Spule sollte selbstverständlich sichergestellt werden, daß dem gewünschten hohen Raumfüllfaktor nicht durch einen unnötigen Überschuß an Bindungsmaterial zwischen den Windungen bzw. Wicklungen entgegengearbeitet wird. Gewöhnlich wird der Draht mit einer dünnen Schicht aus Bindungsmaterial beschichtet, und die fertig gewickelte Spule wird einer Wärmebehandlung ausgesetzt, wodurch die Beschichtungen nebeneinander liegender Drahtteile zusammenfließen, um so nach der Erwärmung eine feste Bindung der Windungen zu erhalten. Ein einfaches Mittel, die notwendige Wärme zu erzeugen, besteht darin, die Anschlüsse der Spule mit einer Stromquelle zu verbinden, um so die Spule selbst als Wärmeelement zu verwenden.

Ein relativ guter Raumfüllfaktor ist erreichbar, wenn man eine dünne Bindungsmaterialbeschichtung verwendet und die Spule derart wickelt, daß jeder Drahtabschnitt auf zwei darunterliegenden Drahtabschnitten zu liegen kommt und nicht auf der oberen Seite eines darunterliegenden Drahtabschnittes. Einen noch besseren Raumfüllfaktor würde man erhalten, wenn man einen Draht mit rechteckigem oder hexagonalem Querschnitt verwenden würde. Ein solcher Draht ist jedoch weitaus teurer als ein runder Draht und bei der automatischen Spulenwicklung treten Probleme aufgrund der Neigung des Drahtes zum Verdrehen auf, wodurch sich ein durchaus nicht guter Raumfüllfaktor ergeben würde.

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung kompakter elektrischer Spulen, gewickelt aus

isoliertem Draht runden Querschnitts, und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzu- . geben, durch das ein besserer Raumfüllfaktor erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Spule zur Wicklung auf einem Wickeldorn gehalten oder montiert wird, der die Spule ausfüllt, daß die Spule danach einer Druckbehandlung ausgesetzt wird, bei der radialer Druck auf die Windungs- bzw. Wicklungslagen

in

ausgeübt wird und der Draht jeder Wicklung bzw. Windung deformiert wird, indem seine Oberflächenteile an jeder Stelle im wesentlichen flach gegen die Oberflächen benachbarter Drahtteile benachbarter Wicklungen bzw. Windungen gepreßt werden. Hierdurch werden die Wicklungen derart deformiert, daß sie aneinander in einer sehr kompakten Art und Weise anliegen. Der Druck auf die Wicklungsschichten kann durch einen rein mechanischen Druck bewirkt werden, vorzugsweise dann, wenn sich die Spule im erwärmten Zustand befindet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch sehr vorteilhaft, die Komprimierung mittels einer nachfolgend beschriebenen thermischen Behandlung zu bewirken.

Vorrichtungsmäßig wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, die im Anspruch 5 charakterisiert ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele gezeigt sind, näher

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erläutert werden.
Es zeigen

Fig. 1 die Ansicht eines Schnitts durch eine Lautsprecherspule, gewickelt auf einem Wi cklungsdorη,

Fig. 2 eine entsprechende Ansicht der Spule wie in Fig. 1 in einer späteren Herstellungsstufe ,

Fig. 3 einen detaillierten Schnitt der Windungsbzw. Wicklungslagen einer anderen Spule nach deren Deformation.

Zur Herstellung einer kompakten Spule gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Spule aus gewöhnlichem runden Spulendraht 2 gewickelt, der mit einer Schicht 4 aus einem geeigneten isolierenden und bindenden Material, beispielsweise Polyamid oder Polyamid-Phenol, beschichtet ist. Die Spule wird auf einem rohrförmigen Körper 6 aus einem dünnen Blatt- oder Folienmaterial gewickelt, das auf einem Wickeldorn 8 angeordnet ist, und wie wohlbekannt, kann die Wicklung durchgeführt werden mit einem stationären oder drehbaren Dorn. Die Spule wird gewickelt, indem der Draht ein wenig vorgedehnt wird, um zu erreichen, daß jeder Drahtabschnitt in einer Drahtlage gegen zwei Drahtabschnitte benachbarter Lagen anliegt.

Um die Spule zwecks Zusammenlaufens des Bindungsmaterials 4 zu erhitzen, ist es üblich, wie bereits erwähnt, die Spulenanschlüsse einfach an eine elektrische Stromquelle an-

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zuschließen, wodurch Wärme schnell in den Spulenwindungen erzeugt wird. Durch diese Wärme werden sich die Windungen bzw. Wicklungen ein wenig ausdehnen, jedoch während des nachfolgenden Abkühlens werden sie sich nicht wieder gegen den Dorn zusammenziehen, weil das Bindungsmaterial zur Bindung der Wicklungen erstarrt, bevor die Spulen kalt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine andere Erwärmungsmethode verwendet, indem nämlich Wärme lokal dem Dorn zugeführt wird, von dem die Wärme auf die Spulenwindungen übertragen wird. Die Wärme kann dem Dorn auf eine einer Vielzahl von Art und Weisen zugeführt werden, und es ist lediglich beispielhaft gezeigt, daß der Dorn mit einem inneren Kanal Io versehen werden kann zur Aufnahme eines Wärmemittels von einer externen Quelle.

Wenn der Dorn lokal erhitzt wird, wird sich als erstes eine radiale Ausdehnung des Domes selbst einstellen, wodurch der Spulendraht allgemein gedehnt wird. Danach wird die Wärme auf die Windungen bzw. Wicklungen übertragen, um so das Bindungsmaterial 4 graduell zu erweichen und zu bewirken, daß sich die Windungen thermisch ausdehnen, wodurch außerdem bewirkt wird, daß die Dehnung des Drahtes reduziert wird. Wenn die Windungen ausreichend stark erhitzt worden sind, um das Bindungsmaterial zu erweichen, wird die Zufuhr an Wärme zum Dorn unterbrochen, wonach der Dorn weiterhin für einige Zeit im erwärmten und gedehnten Zustand verbleiben wird.

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Der nächste und möglicherweise bedeutendste Verfahrens-* schritt gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Spulenwicklung von deren Außenseite her abzukühlen, während der Dorn weiterhin gedehnt ist, vorzugsweise durch eine zusätzliche oder Zwangskühlung, beispielsweise Kaltluft-, Gas-Strom oder mit zerstäubter Flüssigkeit oder mittels Kühlklauen, welche mit der äußeren Spulenfläche in Berührung gebracht werden. Diese Kühlung bewirkt, daß sich die Spulenwindung zusammenzieht, und da der Dorn noch gedehnt ist, bewirkt das Zusammenziehen des Drahtes eine beträchtliche Dehnung im Draht und entsprechend eine beträchtliche nach innen gerichtete Druckkraft einer äußeren Wicklungsschicht gegen eine innere Wicklungsschicht und weiter gegen die Oberfläche des Domes über das Blatt 6. Die hierdurch erzeugten Kräfte sind groß genug, um die einzelnen Drahtabschnitte infolge ihrer Anlage an den benachbarten Drahtabschnitten zu deformieren, und wie in der Fig. 2 dargestellt ist, ergibt sich, daß die nebeneinander liegenden Drahtabschnitte zu einer Honigwaben-Querschnittsform deformiert werden, und aneinander mit praktisch ebenen Flächen anliegen anstatt tangential wie bei runden Drähten. Dies bedeutet, daß ein optimaler Raumfüllfaktor erhalten wird, und daß außerdem die Bindung zwischen den nebeneinander liegenden Drahtoberflächenabschnitten optimal wird. Es sollte erwähnt werden, daß der Draht in der Lage ist, beträchtlichen Dehn- bzw. Streckkräften zu widerstehen aufgrund der allseitigen Reibungsverbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Drahtabschnitten.

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Wenn danach noch der Dorn abgekühlt wird, bewirkt die -gleichzeitig erfolgende Kontraktion, daß die Spule leicht vom Dorn gelöst werden kann, da die Spule zu dieser Zeit bereits in ihrer deformierten Form stabilisiert ist. Falls gewünscht, kann, um die maximale Stärke der Spulenwicklung weiter zu reduzieren, die Außenfläche der Spule Erde sein, um jeden Überfluß an Bindungsmaterial zu entfernen.

Die Bienenwabenstruktur wird noch stärker ausgebildet sein in einer Spule mit 3 oder mehr Wicklungsschichten, wie in der Fig. 3 dargestellt ist, die einen Teil einer Vierschichtenspule zeigt, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Nebenbeibemerkt, diese Spule wurde direkt auf dem Dorn gewickelt ohne Verwendung eines röhrenförmigen Körpers 6.

Der Dorn kann natürlich gekühlt werden oder mittels eines Kühlmediums, das dem Äußeren oder dem Inneren des Dornes zugeführt wird, und nach Entfernung der Spule kann der Dorn eine neue zu behandelnde Spule aufnehmen, wobei der Dorn entweder als Wicklungsdorn oder als Dorn zur Aufnahme einer bereits gewickelten Spule dient.

Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Zusammenziehen (Sicken) der Spulenwindungen bzw. Spulenwicklungen gegen einen Dorn oder einen Kern, der im erwärmten Zustand der Spule den Raum innerhalb der Spule ausfüllt und deren Durchmesser während des Zusammenziehens der Windungen

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bzw. Wicklungen aufrechterhält. So ist es nicht wesentlich, obgleich sehr vorteilhaft, daß der Dorn einer Zwangserwärmung ausgesetzt werden sollte, da er alternativ mechanisch gedehnt und zusammengezogen werden könnte. Die infolge des Zusammenziehens der gekühlten Spule bewirkte Deformierung ist primär nicht abhängig davon, daß die Spule zuvor auf irgendeine bestimmte Temperatur erwärmt worden ist, sondern durch die genannte Vorerwärmung auf z.B. 300° C wird erreicht, daß das Bindungsmaterial 4 zusammenfließt und daß die nachfolgende Deformierung des Drahtes infolge des Zusammenziehens erleichtert wird. Infolge der hohen Zusammendrückkraft würde der Draht sogar ohne besonders warm zu sein deformiert werden.

Prinzipiell kann die Spule vom Dorn entfernt werden, ohne daß dieser zuerst einer Kontraktion unterworfen wird, da die zusammengedrückte Spule zwecks Ausdehnung wieder erwärmt werden könnte, ohne daß die Deformierung des Drahtquerschnittes rückgängig gemacht wird. Überdies könnte die Drahtdeformierung prinzipiell mechanisch bewirkt werden, indem man Klemmbacken gegen die Spule drückt oder indem man den Dorn mit der Spule, die innerhalb eines umgebenden zylindrischen Elementes ausdehnt, vorzugsweise während die Spule warm ist,oder indem man die Spule mit einer Druckrolle behandelt, die entlang der Innen- oder Außenseite der Spule bewegt wird.

Wie erwähnt, betrifft die Erfindung außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung der Spulendeformierung gemäß der

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vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung kann mit einer Wicklungsmaschine kombiniert werden, um so automatisch auf ihrer Spindel oder ihren Spindeln die durch die Wicklungsmaschine gewickelte Spule aufzunehmen, oder die Vorrichtung kann aus einem Stück mit der Wicklungsmaschine bestehen, deren Dehnungsdorne zusätzlich als Wicklungsdorne verwendet werden, die entweder stationärer oder drehbarer Art sein können. Die Dorne können in einer Reihe auf einem beweglichen Träger, beispielsweise einem Drehtisch, angeordnet sein, der mit der Bezugsziffer 12 in der Fig. 1 versehen ist, und der die Dorne nacheinander an einer Aufnahmestation vorbeibewegt, in der sie die Spulenteile entweder als auf die Dorne aufgewickelt oder von einer unabhängigen Wicklungsmaschine zugeführt aufnehmen, und weiterhin zu einer Erwärmungsstation, an der die Dorne erwärmt werden, z.B. mittels heißen Öls oder heißer Luft, das oder die dem inneren Kanalsystem Io über Bohrungen oder Schlitze 14 in einem Gleitkörper 16 zugeführt wird, der an dem Träger bzw. Drehtisch anliegt. Für die vorliegende Erfindung ist es jedoch völlig unbedeutend, wie die Erwärmung bewirkt wird, da es auch gestattet ist, die Spule zu erwärmen, d.h. die Erwärmung kann gut auch von der Außenseite des Dornes her bewirkt werden, z.B. mit Hilfe einer Hochfrequenz-Erhitzungstechnik.

Danach wird der Träger oder Tisch 12 weiterbewegt zu oder an einer Spulen-Kühlstation vorbei, in der geeignete Mittel vorgesehen sind z.um Kühlen der Spulen von der Außen-

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seite her, z.B. einfach durch einen Strom kalter Luft oder ■ Gas oder zerstäubten Wassers, wodurch die genannte Deformierung des Spulendrahtes vonstattengehen wird. Die nächste Station ist eine Auswerfstation, in der die Spulen von den Dornen entfernt werden, die in der Zwischenzeit gekühlt worden sind, entweder durch natürliche Abkühlung oder durch ein in das innere Kanalsystem Io zugeführtes Kühlmedium oder auf irgendeine andere Art und Weise. Von dieser letzten Station werden die Dorne zurückbewegt in die anfängliche Aufnahmestation. In alternativer Weise kann die Vorrichtung mit Mitteln «w für eine mechanisch gesteuerte Ausdehnung und Kontraktion der Dorne oder mit den oben erwähnten Vorrichtungen zur mechanischen Zusammenpressung der Spulenteile versehen sein.

Es sollte erwähnt werden, daß Spulen, gewickelt aus Aluminium- oder weichem Kupferdraht, besonders gut geeignet sind, in der beschriebenen Art und Weise behandelt zu werden, und daß die vorliegende Erfindung die normalerweise vorhandenen Probleme der lokal erhöhten Spulendicke in den Überschneidungsbereichen eliminiert oder reduziert, in denen der Draht einer Windung die Oberfläche eines darunter liegenden Drahtes schneidet, um in die nächste Windung überzugehen; dieses Problem ergibt sich aus der Tatsache, daß die Wicklungsschichten mit wechselnder Ganghöhe bzw. Steigung gewickelt werden; in den genannten Überschneidungsbereichen wird der Draht zu einer flachen Form infolge des Zusammen-

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ziehens der Spule deformiert, wodurch die genannte lokale ,Dickenerhöhung verschwindet. In der Fig. 3 ist eine solche Drahtüberschneidung dargestellt mit dem Draht W als dem im gezeigten Überschneidungsbereich mittleren Draht.

Die Erfindung ist ebenso verwendbar zur Herstellung von Spulen nicht kreisförmiger Gestalt, jedoch ist es normalerweise vorzuziehen, zunächst eine runde Spule zu wickeln und zu behandeln, die nach dem Zusammendrücken bzw. Zusammenschrumpfen und Entfernen von dem Dorn in ihre . gewünschte Gestalt gepreßt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Spule, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde zur Erzielung eines verbesserten Raumfüllfaktors. Für einige Spulen ist der Raumfüllfaktor selbst nicht von Bedeutung, aber von großer Bedeutung ist der damit verbundene Vorteil einer sehr dichten Bindung bzw. Verbindung der Spulenwindungen bzw. -wicklungen untereinander und mit dem Spulenkörper, falls ein solcher vorhanden, wodurch eine sehr stabile Spule erhalten wird, und die sehr gute Wärmeleitfähigkeit der Spule.

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Claims (7)

1. Ansprüche

   . /Verfahren zur Herstellung kompakter mit einem hohen Raumausnutzungs- bzw. Raumfüllfaktor versehene: elektrischer Spulen, beispielsweise Lautsprecherspulen, wobei die Spule aus isoliertem Draht runden Querschnitts gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zur Wicklung auf einen Dorn gehalten oder montiert wird, der die Spule ausfüllt, daß die Spule danach einer Behandlung unterworfen wird, bei der radialer Druck bzw. radiale Kompression auf die Wicklungslagen ausgeübt wird und der Draht in jeder Wicklung bzw. Windung deformiert wird, indem seine Oberflächenabschnitte an jeder Stelle im wesentlichen flach gegen die Oberflächen benachbarter Drahtabschnitte benachbarter Wicklungen bzw. Windungen gepreßt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck bzw. die Komprimierung durch thermische Ausdehnung des Dornes oder durch thermische Kontraktion der Spulenwindungen bewirkt wird.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Spulenwindungen zum Erweichen der Isolationsbeschichtung des Drahtes erhitzt werden und der Dorn durch Erwärmung oder auf andere Weise gedehnt wird, wonach die Spulenwindungen zum Erstarren oder Festwerden der Beschichtung und zur Kontraktion gekühlt werden ohne entsprechende Kontraktion des Dornes, wonach dann der Dorn durch Kühlung oder auf andere Weise kontrahiert und die Spule vom Dorn entfernt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn von der Innenseite her erwärmt wird und die .Wärme auf die Spule übertragen wird, wonach die Spule durch ein der Außenseite der Spule zugeführtes Kühlmedium abgekühlt wird.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dorn zum Halten einer Spule und eine Vorrichtung zum Durchführen einer radialen Kompression der Wicklungsschichten der Spule vorgesehen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Kompressionsvorrichtung Vorrichtungen zur thermischen oder mechanischen Ausdehnung des Dornes und Vorrichtungen zum

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   Erwärraen und nachfolgenden Kühlen der Spule aufweist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet/ daß eine Vielzahl von Dornen in einer Reihe auf einem Träger, beispielsweise einem Drehtisch, angeordnet sind, welcher nacheinander die Dornaian einer Aufnahmestation vorbeibewegt, in der die Spulen gewickelt oder auf die Dornen placiert werden, an einer Erwärmungsstation, in der die Dornen mittels Erwärmung gedehnt werden, an einer Spulenabkühlstation, in welcher die Spulen von der Außenseite her gekühlt werden, und an einer Abgabestation, in der die Spulen von den Dornen nach Abkühlung der Dornen entfernt werden.

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