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Schichtisolation für spannungsführende elektrische Bauteile
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Die Erfindung betrifft eine Schichtisolation für spannungsführende
elektrische Bauteile, deren Oberfläche eine mehrfach zusammenhängende Fläche darstellt,
mit einem sich überlappenden über die Oberfläche gespannten band- oder fadenförmigen
Isoliermaterial.
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Unter einer mehrfach zusammenhängenden Fläche werden in der Mathematik
(Topologie) im Gegensatz zur Kugel (einfach zusammenhängend) z.B. die Oberfläche
von Toroiden (zweifach zusammenhängend) oder von 8-förmig zusammengesetzten Doppeltoroiden
(dreifach zusammenhängend) verstanden, also Oberflächen von Körpern, die sich durch
die Körper erstreckende Bohrungen aufweisen. Diese Unterscheidung rührt z.B. daher,
daß Jede auf der Kugeloberfläche verlaufende Fadenschlinge zu einem Punkt zusammengezogen
werden kann, ohne daß der Faden dabei die Kugeloberfläche verläßt. Bei einem Torus
ist das Jedoch nicht immer der Fall. So würde z.B. eine Fadenschlinge, die auf der
der Ringöffnung abgewandten Seite entlang des Äquators verläuft, beim Zusammenziehen
zunächst auf die der Ringöffnung zugewandte Oberfläche gleiten, beim weiteren Zusammenziehen
die Oberfläche verlassen und schließlich über die Ringöffnung rutschen. Der
Torus
gehört daher einer anderen Klasse von Flächen an als die Kugel. FUllt man dagegen
die Ringöffnung im Torus aus, so gelangt man zu einem diskusähnlichen Gebilde, dessen
Oberfläche der Kugel topologisch äquivalent, d.h. einfach zusammenhängend ist. Der
Diskus kann nämlich mathematisch aus der Kugel durch eine topologische Abbildung
erhalten werden (d.h. eine umkehrbare eindeutige stetige Abbildung, deren Umkehrbildung
ebenfalls stetig ist). Anschaulich wird diese Abbildung dadurch erreicht, daß die
Kugel plastisch verformt wird, ohne daß dabei die Oberfläche zerrissen oder zerschnitten
werden muß. Andererseits kann ein Torus mit einer seitlichen, zylinderartigen Ausbuchtung
durch eine topologische Abbildung aus dem Torus erhalten werden, die dabei entstehende
Fläche bleibt zweifach zusammenhängend und ist dem Torus topologisch äquivalent.
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In der Praxis treten derartige Flächen z.B. bei elektrischen Geräten
auf, die ringförmige Spulen mit seitlichen Abführungen für die elektrisehen Anschlüsse
aufweisen.
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Besonders bei Bauteilen, die eine Hochspannung führen (z.B.
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bei Meßwandlern), wird eine Isolation benötigt, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit
bei gleichzeitig minimaler Glimm-Erscheinung aufweist. Dies wird üblicherweise erreicht
durch eine Isolierung, die aus vielen Einzellagen von Isoliermaterial, insbesondere
Papierschichten, besteht und mit Öl durchtränkt wird. Der Vorteil von ölgetränktem
Papier ist, daß es eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt. Um zu verhindern, daß
sich entlang der Papierflächen Kriechströme ausUildell, wird ein Schichtaufbau angestrebt,
bei dem die Schichten ungefähr konstante Dicke besitzen und der Kontur des Bauteiles
folgen, so daß die Grenzflächen der einzelnen Schichten weitgehend Aquipotentialflächen
zu der Oberflache des Bauteiles darstellen. Gleichzeitig muß vermieden werden, daß
zwischen einzelnen Papierstreifen größere Zwischenräume auftreten, die möglicherweise
nach der OltranRutlg Lufteinschlüsse enthalten und
zu Durchschlägen
führen könnten.
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Um eine Ringspule derart zu isolieren, wird bisher Isolierband schraubenförmig
derart um die Spule gewickelt, daß es bei jeder Windung die Ringöffnung genau einmal
durchsetzt. Die aufeinanderfolgenden Windungen werden dabei dicht nebeneinander
gelegt und meist wird eine etwa 5obige Überlappung nebeneinanderliegender Windungen
angestrebt. Die Isolierung besteht also lagenweise aus gleichlaufenden, sich überlappenden
Bandabschnitten, die sich nicht gegenseitig überschneiden. Der Gegensatz zu einem
derartigen "Parallelmuster" ist ein Kreuzmuster, wie es z.B. beim Aufspulen von
Garnen oder Schnüren zu den handelsüblichen Knäueln entsteht. Dabei wird ein zylindrischer
oder balliger Wickelkern so bewickelt, daß über einen Garnabschnitt zunächst kreuzweise
ein weiterer Abschnitt verlegt wird, bevor gleichlaufend zu dem ersten Abschnitt
ein dritter Abschnitt abgelegt wird, der seinerseits wieder den zweiten Abschnitt
überkreuzt.
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Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Parallelmuster-Isolationen
für Spulen liegt darin, daß es aufgrund der Geometrie der Oberfläche erforderlich
ist, das auf einem Magazin gestapelte Band beim Wickeln jeder Windung durch die
Ringöffnung hindurch zu führen. Da die Ringöffnung relativ eng ist, können nur kleine
Magazine verwendet werden. Diese müssen entsprechend oft ausgewechselt werden, was
durch die dabei auftretenden losen Bandenden erschwert wird. Ferner nimmt die Oberfläche
des Bauteils aufgrund ihrer Krümmung von der Ringöffnung nach außen hin zu.
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Die Folge davon ist, daß in der Ringöffnung die Uberlappung größer
ist als auf der der Ringöffnung abgewandten Seite.
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Mit wachsender Dicke der Isolation wird die Uberlappung in der Ringöffnung
größer, außen jedoch geringer. Es kommt zu einer Deformierung und Abweichung der
Schichten von der angestrebten Äquipotential-Form. Als Ausgleich werden meist auf
der Außenseite zusätzliche Einlagen aufge-
legt, die von der nächsten
Isolierband-Schicht überdeckt und festgehalten werden. Dieses Einwickeln zusätzlicher
Einlagen geschieht meist von Hand. Die Verwendung von Klebstoffen w.ird dabei weitgehend
vermieden, da für die Öltränkung die Eigenschaften von Klebstoffen hinsichtlich
Isolierfähigkeit, Alterungsbeständigkeit und Verträglichkeit mit dem Öl nicht zufriedenstellend
sind. Das Isolierband muß daher straff und sorgfältig gespannt werden. Die Isolierung
von Bauteilen mit torusähnlicher oder noch komplizierteren Oberfläche ist daher
noch immer mit einem großen Aufwand verbunden und wird weitgehend von Hand durchgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Isolierung für derartige
Bauteile anzugeben, die maschinell aufzubringen ist und keinen hohen Personalaufwand
erfordert.
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Die Isolierung muß dabei hinsichtlich Durchschlagsfestigkeit und Stabilität
den herkömmlichen Isolierungen wenigstens gleichwertig sein.
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Dies wird erreicht durch eine Schichtisolation der eingangs angegebenen
Art, bei der das band- oder fadenförmige Isoliermaterial nicht nur auf der mehrfach
zusammenhängenden Oberfläche des Bauteils sondern auch gleichzeitig gemäß der Erfindung
ganz in einer das Bauteil umschließenden einfach zusammenhängenden Fläche verlegt
ist. Die dabei freibleibende (d.h. durch das derartig gespannte Isoliermaterial
nicht abdeckbare) Oberfläche ist anderweitig isoliert.
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Im Falle eines ringförmigen Bauteiles erhält man eine einfach zusammenhängende
Fläche, die den Ring umschließt, indem man den Ring so behandelt, als läge statt
eines Ringes ein Diskus vor. Da das Isoliermaterial gleichzeitig auf der Oberfläche
des Ringes und auf der Oberfläche des Diskus verlegt sein soll, darf es aber nur
auf der der Ringöffnung abgewandten Seite, im folgenden äußere Ober-
fläche"
genannt, verlaufen. Das Wesentliche der Erfindung besteht ibei darin, daß das Isoliermaterial
die Ringöffnung nicht durchsetzt; das Magazin für das Isoliermaterial muß also nicht
auf umständliche Weise durch die Ringöffnung geführt werden. Die Bahn des Isoliermaterials
muß sich zwangsläufig überschneiden, es entsteht also ein Kreuzmuster. Da ein unter
Spannung abzuwickelndes Isoliermaterial konkaven Krümmungen nicht folgt, kann das
Bauteil auf diese Weise nur auf den Oberflächenteilen bewickelt werden, die gleichzeitig
eine Teilfläche einer möglichst eng an dem Bauteil anliegenden, nirgends konkaven,
einfach zusammenhängenden Hüllfläche sind.
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Die der Ringöffnung zugewandte Seite einer Ringoberfläche kann also
mit einem derartig gespannten Faden oder Band nicht bedeckt werden und muß anderweitig
isoliert werden.
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Vorzugsweise wird dort weiteres Isoliermaterial (z.B.
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breite Papierstreifen) eingelegt, das an seinen Rändern von dem Isoliermaterial
der nächsten Schicht überlappt und festgehalten wird. Die hier an Hand eines Ringes
erläuterte Erfindung betrifft allgemein Körper, die von einer oder mehreren entsprechenden
Öffnungen durchsetzt werden (mehrfach zusammenhängende Flächen).
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Ein zwischen zwei Punkten auf einer Oberfläche gespanntes Band wird
solange verrutschen, bis es ungefähr längs einer Linie zu liegen kommt, die die
kürzeste Verbindung zwischen den Punkten darstellt, in der Mathematik als "geodätische
Linie" bezeichnet. Vorteilhaft wird zur Herstellung einer rutschfesten Isolierung
daher ein Isolierband so verlegt, daß es im wesentlichen einem aus geodätischen
Linien zusammengesetzten Linienzug folgt. Der Verlauf des Bandes ist also so gewählt,
daß es abschnittweise längs geodätischer Linien verläuft.
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In den Punkten, in denen zwei unterschiedliche geodätische Linien
im Linienzug aneinander anschließen, weist der Linienzug einen Knick auf, d.h. die
in diesen Punkt einmündende
Linie schließt mit der nächsten, von
diesem Punkt ausgehenden Linie einen von 1800 abweichenden Winkel ein. Diese Abweichung
könnte zu Verwerfungen und Faltenbildung und zum Verrutschen des Isolierbandes führen.
Verlegt man jedoch ein Isolierband längs eines derartig geknickten Linienzuges,
so wird das Band diese Knicke durch einen gekrümmten, geringfügig von dem vorbestimmten
Linienzug abweichenden Verlauf ausgleichen, wobei eine Faltenbildung selbst bei
steifen Papierbändern und geringfügigen Abweichungen von etwa 20 nicht auftritt.
Die Rutschgefahr ist von der Haftreibung des Isoliermaterials abhängig. Im allgemeinen
können die Winkel noch um mehr als 30 von 1800 abweichen.
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Um die Schichtisolation nach der Erfindung herzustelen, kann man -
von einem Ausgangspunkt auf der Oberfläche ausgehend - zunächst einen Weg für das
Isolierband bestimmen, der nach wenigstens einem Umlauf um das Bauteil in die Nähe
des Ausgangspunktes zurückkehrt und anschließend etwa gleichlaufend neben dem bereits
bestimmten Weg verläuft, wobei jedoch dieser Weg stets ganz in einer das Bauteil
umgebenden, einfach zusammenhängenden Fläche verläuft und sich bei den weiteren
Umläufen überschneidet.
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Längs dieses Weges wird das Isolierband nun verlegt, wobei die dabei
freibleibenden Teile der Oberfläche anderweitig - z.B. durch das erwähnte Einwickeln
von Einlagen - isoliert werden.
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Vorteilhaft wird, wie bereits erläutert, als Weg für das Isolierband
ein aus geodätischen Linien bestehender Linienzug bestimmt. Dabei kommt es zwangsläufig
vor der Fertigstellung einer Schicht (d.h. bevor die bespannbare Oberfläche ganz
bedeckt ist) zu einer Uberschneidung des Bandes, wobei das eingangs erwähnte "Kreuzmuster"
entsteht.
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Günstig ist es, wenn sich zwei benachbarte gleichlaufende Bandabschnitte
überlappen. Wählt man den Linienzug so, daß zwei benachbarte, gleichlaufende Linien
im Mittel etwa
den vorgebbaren Abstand von einer halben Bandbreite
aufweisen, so erhält man eine vorteilhafte Uberlappung von etwa 50 %.
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Diese Erörterungen gelten in gleichem Maße auch für fadenförmiges
Isoliermaterial. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Abstand höchstens eine
ganze Fadendicke beträgt, aber die Uberlappung möglichst gering gehalten wird, so
daß die Fadenabschnitte dicht nebeneinander zu liegen kommen und eine Uberlappung
praktisch nur beim überschneiden der Abschnitte vorliegt.
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Kreuzmuster, wie sie vom Aufspulen von Garnen und Schnüren jedermann
bekannt sind, werden auch bei der Herstellung faserverstärkter Hohlkörper, z.B.
in der Weltraumtechnik oder bei Druckbehältern und Öltanks, erzeugt. Dabei wird
auf einem Wickelkern ein Fasermaterial längs geodätischer Linien verlegt, das anschließend
oder schon beim Wickeln mit einem härtenden Material (insbesondere Harz) getränkt
wird, wobei nach Fertigstellung der faserverstärkten Schicht der Wickelkern entfernt
wird. Die Wickelkerne haben dabei in aller Regel eine einfach zusammenhängende Oberfläche,
die aus konvexen Flächenteilen und Sattelflächen bestehen kann, jedoch keine konkaven
Flächenteile besitzen, da die gespannten Fäden des Fasergerüstes bei konkaven Krümmungen
nicht an der Oberfläche anliegen würden.
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Diese bekannte Technologie kann gemäß der Erfindung auf die Isolierung
komplizierterer Bauteile mit mehrfach zusammenhängender Oberfläche angewendet werden.
Dazu wird das Bauteil fiktiv so behandelt, als wäre seine Oberfläche eine derartige
einfach zusammenhängende, nicht konkave Oberfläche, und es werden nur die Teile
der fiktiven Oberfläche bewickelt, die gleichzeitig auch Teile der realen Bauteil-Oberfläche
sind. Die damit nicht bewickelbaren, freibleibenden Teile können anderweitig isoliert
werden.
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Man kann also zur Herstellung der neuen Schichtisolation auf eine
bekannte Technologie, insbesondere elektronisch gesteuerte maschinelle Wickelverfahren
mit den entsprechenden Vorrichtungen und Steuerprogrammen zurückgreifen (z.B.
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das Buch "Filament Winding", New York/London/Sidney 1964 von D.V.Rosato
und C.S.Grove; American Machinist, Band 113 (1969), Seite 56 bis 58: "Tape comes
to tape laying"; E.E.Hardesty: Design and Construction of a large, fully automated
tape placement machine for aircraft structures", Composites (1972), Seite 248 bis
253; T.W. Boakhard, A.H. Fowler: "Geodesic Paths on Surfaces of Revolution: A Computer
Aided Filament Winding Design Program", Y 1660, Union Carbide Corporation, Nuclear
Division, Y 12 Plant, Oak Ridge, 1968).
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Wie jedermann vom Aufwickeln von Schnüren bekannt ist, kommt es jedoch
dabei an manchen Stellen, z.B. bei den Uberschneidungen der einzelnen Schnur-Windungen,
zu erheblichen örtlichen Überhöhungen und zu Hohlräumen in der Wicklung. Besonders
beim Aufwickeln relativ steifer Papierbänder wäre daher zunächst zu erwarten, daß
eine enganliegende, etwa gleichmäßig dicke und kompakte Schicht, wie sie zur Isolation
von elektrischen Bauteilen erforderlich ist, die z.B. an Hochspannung anliegen (z.B.
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Meßwandler), nicht erreichbar ist. Insbesondere ist zu befürchten,
daß bei einer Tränkung der Isolierschicht mit Öl in den zu erwartenden Hohlräumen
Lufteinschlüsse entstehen, die zu elektrischen Durchschlägen führen.
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Uberraschenderweise hat sich gezeigt, daß derartige Erscheinungen
nicht auftreten. Vielmehr kann bei etwa gleichem Materialaufwand, d.h. gleicher
Schichtdicke, eine Isolierung erhalten werden, die den Anforderungen, die an die
von Hand gewickelten üblichen Isolierungen gestellt werden, völlig genügen. Der
Zeitaufwand für das Wickeln ist wegen der maschinellen Herstellung jedoch wesentlich
geringer und die Gefahr von individuellen Wickelfehlern ist weitgehend beseitigt.
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Anhand mehrerer Figuren und Ausführungsbeispiele werden das Wesen
und weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nun näher erläutert.
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Zur Klarstellung der geometrischen Verhältnisse bei einem rotationssymmetrischen,
ringförmigen Bauteil 1 ist in Fig. 1 mit 2 der "Äquator", mit 3 eine dazu senkrechte
Linie angedeutet. Beide Linien 2 und 3 stellen jeweils geschlossene geodätische
Linien dar und umschließen das Bauteil genau einmal. Die Kurve 3 durchsetzt die
Ringöffnung und kann nicht durch reine Verschiebungen in die Kurve 2 überführt werden.
Die Kurve 2 gehört daher zu einer anderen Klasse von Kurven, nämlich den Kurven,
die nicht nur auf der zweifach zusammenhängenden Oberfläche des Ringes selbst, sondern
auch auf der Oberfläche eines Zylinders verlaufen, der die Außenabmessungen des
Ringes ohne die Ringöffnung aufweist (einfach zusammenhängende Flächen). Unter der
"äußeren Oberfläche" ist hier der äußere Zylindermantel und die beiden ringförmigen
Deckflächen zu verstehen (im Gegensatz zu dem inneren Zylindermantel, der der Ringöffnung
zugewandten Oberfläche").
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Um einen derartigen Ring mit der Hand zu bewickeln, kann man von einem
Punkt auf dem Äquator ausgehend ein Band durch die Ringöffnung führen und so bgen,
daß ein neben diesem Punkt gelegener Punkt erreicht wird. Von diesem zweiten Punkt
ausgehend wird dann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, der nächste Bandabschnitt 5 gleichlaufend
zu dem zuerst verlegten Bandabschnitt 4 gespannt. Ist der Abstand der beiden Punkte
etwa eine halbe Bandbreite, so entsteht dabei ein "Parallelmuster", bei dem die
nacheinander verlegten Bandabschnitte 4, 5 und 6 sich nicht überschneiden, den Äquator
jeweils annähernd im rechten Winkel kreuzen und sich etwa um 50 % überlappen. Bisher
werden Ringkörper mit derartigen "Parallelmustern" bewickelt, wobei aber selbst
beim Einsatz maschineller Hilfen das Durchführen des Isolierbandes durch die Ringöffnung
Schwierigkeiten bereitet.
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Gemäß der Erfindung wird das Band im Gegensatz dazu so verlegt, daß
es wie die Kurve 2 (Abb. 1) außen um den Ring herumläuft. Das Band durchsetzt also
die Ringöffnung nicht, sondern bleibt auf der äußeren Oberfläche. Dabei entsteht
ein Kreuzmuster und der Rest der Ringoberfläche bleibt frei.
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Entsprechend Fig. 3 wird von einem Punkt 10 auf dem Äquator ausgehend
zuerst ein Isolierbandabschnitt 14 längs einer geodätischen Linie so verlegt, daß
er die Ringöffnung im Punkt 11 streift und im Punkt 12 den Äquator wieder schneidet.
Von dort wird der nächste Abschnitt 15 verlegt, der auf dem äußeren Zylindermantel
parallel zum Anschnitt 14 läuft, diesen aber in Nähe des Punktes 11 überschneidet.
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Analog wird dann der nächste Abschnitt 16 verlegt, der seinerseits
die Abschnitte 14 und 15 überschneidet. Das Verfahren wird fortgesetzt, bis die
ganze äußere Oberfläche bedeckt ist, wobei es jedoch in der Nähe der Ringöffnung
zu erheblichen Verdickungen kommt.
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Zum Ausgleich dieser Verdickung wird beim Wickeln der nächsten Lage
(Fig. 4) der Startwickelwinkel, d.h. die räumliche Lage der Tangente an den Kurvenverlauf
des Bandes im Startpunkt, derart verändert, daß das Band in der zweiten Lage in
einigem Abstand an der Ringöffnung vorbeiläuft. Das Isolierband, das den Äquator
stets im schrägen Winkel schneidet, schließt also mit dem Äquator in der zweiten
Lage einen etwas kleineren Winkel ein.
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Fig. 5 zeigt, wie die noch freigebliebene Oberfläche der Ringöffnung
durch breite, an den Seiten eingeschnittene, die Ringöffnung auskleidende Papierbänder
isoliert wird, deren über die Ringöffnung überstehenden eingeschnittenen Ränder
17 umgelegt werden und sich an die Oberflächenkrümmung anlegen. Beim Wickeln der
nächsten Schicht ("Lage") werden diese Ränder von den nächsten Isolierband-Abschnitten
überdeckt und somit in die Isolation eingewickelt und festgehalten.
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Bei diesem Wickelverfahren längs einer geodätischen Linie kann der
Fall eintreten, daß nach einigen Umläufen ein Bandabschnitt auf einem bereits abgeickelten
Bandabschnitt zu liegen kommt. Es wUrden dann alle weiteren Bandabschnitte auf bereits
abgelegten Bandabschnitten aufgestapelt, während danebenliegende Oberflächenteile
nicht bedeckt würden.
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Dies wird jedoch vermieden, wenn das Band nicht fortlaufend längs
der gleichen geodätischen Linie gewickelt wird, sondern längs eines Linienzuges,
der aus geodätischen Linien zusammengesetzt ist, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt ist.
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Zur Konstruktion des Linienzuges aus geodätischen Linien werden auf
dem Äquator 21 21dle Punkte 22 und 23, ein auf der Rückseite liegender, nicht sichtbarer
Punkt sowie ein gegenüber dem Startpunkt 22 um das Viertel einer Bandbreite versetzter
Punkt 24 gewählt, die jeweils längs des Äquators 21 fortschreitend gleichen Abstand
voneinander haben. Diese Punkte werden in dieser Reihenfolge abwechselnd oberhalb
und unterhalb des Äquators durch geodätische Linien 25, 26 und 27 miteinander verbunden.
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Vom Punkt 24 aus wird nun spiegelbildlich zu dem bereits bestimmten
Linienzug analog der punktiert gezeichnete Verlauf bestimmt, so daß nach dem nächsten
Umlauf der um eine halbe Bandbreite gegenüber dem Startpunkt 22 gelegene Punkt 28
erreicht wird. Von da aus kann der Linienzug analog weiter bestimmt und schließlich
das Band längs dieses Linienzuges gewickelt werden (Fig. 7). B.nachbarte gleichlaufende
Bandabschnitte überlappen sich dabei überall mindestens ul 50 9s.
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Die geodätischen Linien, die vorzugsweise durch die Jeweiligen Startpunkte
und Startwickelwinkel der einzelnen Abschnitte bestimmt werden, sind hier so gewählt,
daß der Linienzug jeweils (z.B. im Punkt 29) der Ringöffnung möglichst nahe kommt,
in den Startpunkten 23, 24, 25 sich Jede geodätische Linie unter einer geringen
(nicht mehr er-
kennbaren) Richtungsänderung jeweils an die vorangegangene
Linie anschließt und daß nach einigen Umläufen gleichlaufende Bandabschnitte mit
der gewllnschten Uberlappung nebeneinander zu liegen kommen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
kommt es im Punkt 28, wo der Äquator das dritte Mal von unten nach oben durchschnitten
wird, zu der Überlappung gleichlaufender Bandabschnitte (3-faches Muster").
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Dabei ist wiederum in Nähe der Ringöffnung das Überschneiden der geodätischen
Linien erkennbar, zusätzlich kommt es aber auch zunächst in Nähe des Äquators zu
einem Kreuzmuster, das sich mit Fortschreiten der Wicklung allmählich über die ganze
Oberfläche ausdehnt.
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Das Verlegen des Isoliermaterials kann so erfolgen, daß das Magazin,
auf dem das Isoliermaterial gestapelt ist, um das Bauteil bewegt wird. So können
z.B. Isolierbandrollen längs des vorbestimmten Weges auf der Bauteiloberfläche abgerollt
werden.
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Man kann aber vorteilhaft das Bauteil auch auf einer Rotationsachse
haltern, das Isoliermaterial, z.B. ein Isolierband, seitlich zur Rotationsachse
auf einer drehbaren, im übrigen ortsfesten Rolle stapeln und zur Führung des Isolierbandes
einen Wickelkopf, im folgenden "Fadenauge" genannt, benutzen.
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Zu Beginn des Wickelvorganges wird der Bandanfang vom Magazin abgezogen,
durch den Wickelkopf geführt und am Bauteil befestigt. Wird nun die Rotationsachse
in Bewegung gesetzt, so wird das Band vom Magazin abgespult und auf das Bauteil
aufgewickelt. Der Punkt, in dem das zwischen Bauteil und Fadenauge gespannte Band
sich an das Bauteil anschmiegt, wird als "momentaner Wickelpunkt" bezeichnet.
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Durch entsprechende FUhrung des Fadenauges erreicht man, daß der momentane
Wickelpunkt auf dem vorbestimmten Wege zu liegen kommt und das zwischen Bauteil
und Fadenauge gespannte Band längs der Raumtangente des vorbestimmten
Weges
im momentanen Wickelpunkt gespannt ist. Bei fortlaufender Rotation des Bauteiles
und dieser Führung des Fadenauges wird das Band dann im wesentlichen längs des vorbestimmten
Weges an das Bauteil angelegt.
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Dieses Verfahren wird nun anhand einer bevorzugten Vorrichtung und
den Figuren 8 bis 10 näher erläutert. In Fig. 8 ist schematisch das ringförmige
Bauteil 50, das über eine opannvorrichtung 51 an der vom Motor 52 angetriebenen
Rotationsachse 53 befestigt ist, dargestellt.
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Das band- oder fadenförmige Isoliermaterial 54, das auf einer (nicht
dargestellten) drehbaren Magazinrolle seitlich der Rotationsachse gestapelt ist,
ist durch ein Fadenauge 55 (im einfachsten Fall eine Öse) gefädelt. Der Bandanfang
56 ist mittels eines Klebstreifens 57 am vorbestimmten Startwickelpunkt auf dem
Bauteil befestigt und die Stellung des Fadenauges ist so gewählt, daß das Bauteil
vom Wickelpunkt zum Fadenauge längs der Tangente an dem vorbestimmten Weg gespannt
ist. Man kann das Bandende 56 aber z.B. auch an der Rotationsachse selbst befestigen
und so über das Bauteil führen, daß es in der genannten Weise durch den vorbestimmten
Startwickelpunkt läuft. Nach einigen Umdrehungen der Rotationsachse wird der erste
Bandabschnitt von den später abgelegten Bandabschnitten überdeckt und festgehalten,
so daß der Klebstreifen 57 bzw. die Befestigung des Bandanfangs an der Rotationsachse
entfernt werden kann.
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Zur Führung des Fadenauges genügt es, wenn dieses längs zweier sich
schneidender Geraden seitlich zur Rotationsachse beweglich ist. Vorteilhaft ist
das Fadenauge längs dreier aufeinander senkrecht stehender Achsen verschiebbar.
Das Fadenauge kann dann so geführt werden, daß der Abstand zwischen Fadenauge und
momentanem Wickelpunkt ungefähr konstant ist.
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Es sind dann Jeweils nur kleine Verschiebungen des Fadenauges nötig,
um das Isolierband jeweils entsprechend der momentanen Lage der Raumtangente am
Wickelpunkt zu spannen.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 8 dienen zur Bewegung des Fadenauges
55 drei senkrecht zueinander angeordnete Schienen 60, 61 und 62 mit aufgesetzten
Reitern 63, 64 und 65, die durch Motoren 66, 67 und 68 längs der Pfeile 69, 70 und
71 verschiebbar sind. Dies ermöglicht die freie Wahl und Veränderung des Wickelwinkels.
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Der Verlauf des Isoliermaterials 54 zwischen dem Bauteil 50 und der
Magazinrolle 75 ist in Fig. 9 schematisch dargestellt. Mit 76 ist ein noch näher
zu erläuterndes Fadenauge und mit 77 eine Umlenkrolle angedeutet. Die Drehachsen
der Magazinrolle 75 und der Umlenkrolle 77 sind zueinander parallel und ortsfest.
Um zu erreichen, daß das Isoliermaterial stets mit ausreichender, annähernd konstanter
Spannung geführt wird, wird es über eine gegen eine Spannkraft bewegliche weitere
Rolle 78 geleitet. Andernfalls kann bei starken Verschiebungen des Fadenauges nämlich
der Fall auftreten, daß das Isoliermaterial zwischen der Magazinrolle 75 und dem
Fadenauge 76 schlaff durchhängt oder sogar Schlaufen bildet. Als Spannkraft kann
eine Feder dienen, in Fig. 8 ist Jedoch vorgesehen, daß die Rolle 78 längs einer
Gleitschiene 79 von ihrem eigenen Gewicht nach unten gezogen wird. Insbesondere
bei stark gekrümmten Bauteilen kann es Jedoch vorteilhaft sein, die konstante Spannung
dadurch zu erzeugen,daB die Magazinrolle 75 bei nachlassender Spannung durch entsprechende
Vorrichtungen, z.B. einen Elektromotor, zurllckgedreht und dabei ein Teil des bereits
abgespulten Isoliermateriales wieder aufgewickelt wird.
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Da sich während des Wickelvorganges das isoliermaterial in einer seine
Lage stets verändernden Ebene an das Bauteil anschmiegt, kommt es zwischen der Umlenkrolle
77 und dem Bauteil 50 zwangsläufig zu Verdrehungen des Bandes. Ist ein Isierband
insbesondere zwischen dem Fadenauge 76 und dem Bauteil 50 verdreht, so erschwert
das einerseits die genaue Führung des Bandes beim Wickeln, andererseits besteht
die
Gefahr, daß das Band seitlich einreißt. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Fadenauge
drehbar gelagert wird und eine zwischen Bauteil und Fadenauge entstehende Torsionsspannung
derart zur Drehung des Lagers um die neutrale Faser 80 des Isolierbandes verwendet
wird, daß zwischen Bauteil und Fadenauge praktisch keine Verdrehung des Bandes auftritt.
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Hierzu ist das Fadenauge derart ausgestaltet, daß das Isolierband
durch den Schlitz 82 zwischen zwei EElhrungsstiften geführt wird. Die FUhrungsstifte
sind als drehbare Rollen 81 ausgebildet und diagonal in der Ringöffnung eines Ringes
83 gelagert. Dieser Ring 83 ist um seine Symmetrieachse 84 in einem extrem leichtgängigen
Lager drehbar. Die neutrale Faser des Bandes läuft dabei durch den Drehpunkt des
Drehlagers. Ist das Drehlager leichtgängig genug (z.B. ein ärostatisches Drehlager),
so führen eventuell auftretende Torsionskräfte zwischen Bauteil und Fadenauge zu
einer Drehung des Drehlagers. Dadurch wird der Torsion des Bandes entgegengewirkt.
Gleichzeitig verringern sich auch mögliche Scherkräfte zwischen Band und Führungsrollen,
die zu einem Verrutschen des Bandes innerhalb des Schlitzes 82 führen könnten und
von Seitenführungen aufgefangen werden müßten. Seitenführungen werden, vor allem
bei schnell bewegten Papierbändern, bisweilen von den Bandkanten rasch durchgesagt,
sind bei dem hier beschriebenen Fadenauge jedoch häufig gar nicht erforderlich.
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Ein derartiges Fadenauge ist somit nicht nur zur pulung von Bändern
bei den hier beschriebenen Wickelvorgängen vorteilhaft, sondern kann allgemein zur
Führung abzuwickelnder Bänder benutzt werden. In vielen Fällen wird es dabei vorteilhafter
sein, nur einen Führungsstift 81 vorzusehen, wodurch die Reibung des Bandes im Fadenauge
erniedrigt wird. Zur Herstellung der Schichtisolation ist Jedoch die durch eine
Reibung im Fadenauge hervorgerufene
Bremsung des bewegten Papierbandes
vorteilhaft, da dadurch die Spannung im torsionsarmen Bereich zwischen den Fadenauge
76 und dem Bauteil 50 erhöht wird, während in dem Torsionsbereich zwischen dem Magazin
75 und dem Fadenauge 76 dann eine niedrigere Bandspannung herrscht, so daß trotz
der Torsion kein Einreiben der Bandkanten zu beftirchten ist.
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Das ärostatische Drehlager der Fig. 10 besteht aus einem porösen Ring
85, in dessen Ringöffnung der Ring 83 konzentrisch eingeführt ist. Der poröse Ring
85 ist von einem ringförmigen Gehäuse 86 mit einem Anschluß 87 für Druckluft (z.B.
5 bis 6 bar) umschlossen. Die Druckluft entweicht dann aus dem porösen Ring 85 in
den Spalt 88 zwischen den Ringen 83 und 85 und bildet dort ein Druckluft-Polster,
auf dem der Ring 83 praktisch reibungsfrei schwimmt und drehbar ist. Vorteilhaft
sind am porösen Ring seitliche, den Ring 83 umgreifende Vorsprünge 89 aus porösem
Material vorgesehen, die ein Drudluftpolster zur axialen Führung des Innenringes
erzeugen. Mittels Überwurfmuttern 90 sind die porösen Teile im Gehäuse 86 gehaltert.
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Die Figuren 11 bis 14 zeigen Momentaufnahmen, die bei der Erstellung
einer erfindungsgemäßen Schichtisolation entstanden sind. Das ringförmige Bauteil
100 ist auf einer Rotationsachse 101 gehalten. Mit 102 ist die obere der beiden
Grenzlinien zwischen der äußeren Oberfläche und der nach innen gekrümmten Oberfläche
der Ringöffnung bezeichnet. Von einem Punkt einer Grenzlinie aus wird das Band zunächst
tangential unter Drehung des Bauteils und entsprechendf Filhrung des Fadenauges
längs der geodätischen Linie abgewickelt. Die geodätische Linie verläuft dabei zur
oberen Grenzlinie 102, streift diese tangential und kehrt wieder zur unteren Grenzlinie
zurück. Nach einer Drehung des Bauteiles um 327,210 berührt das Band wieder die
untere Grenzlinie. Nach 10 Drehungen des Bauteiles wäre das Band 11 mal zwischen
den beiden Grenzlinien ge-
pendelt und hätte den Äquator 11-mal
von unten nach oben durchschnitten. Ein derart gespanntes Band würde aber jetzt
den Bandanfang praktisch vollständig wieder überlappen. In diesem Fall wird jedoch
angestrebt, daß sich benachbarte Bandabschnitte am Äquator etwa zu 50 % überlappen.
Bei einem Äquatordurchmesser von 81,5 mm und einer Bandbreite von 7,5 mm bedeutet
dies, daß benachbarte Bandabschnitte um einen Winkel von 10,540 gegeneinander versetzt
sind. Dieser Versatz wird einigermaßen gleichmäßig auf die einzelnen Umläufe verteilt.
Zu diesem Zweck wird der Wickelwinkel in jedem Umkehrpunkt, d.h. in jedem Punkt,
in dem der geodätische Linienzug die Scheitellinie 30 berührt, um 0,960 geändert.
Diese Abweichung ist so gering, daß an den Eckpunkten der einzelnen geodätischen
Linien weder ein Verwerfen des Bandes noch ein Verrutschen auftritt.
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Nach Fig. 11 sind beim Verlegen des fünften Bandabschnittes auf der
einen Seite des Bauteiles fünf gleichlaufende Bandabschnitte sichtbar, die sich
in Nähe der Scheitellinie überschneiden, in Nähe des Äquators jedoch im Abstand
zueinander gleich verlaufen. Während der zehnten Kernumdrehung wird ein nahezu gleichmäßiges
Muster aus elf gleichlaufenden Bandabschnitten vollendet, wobei jeder Bandabschnitt
längs einer von der unteren Grenzlinie ausgehenden geodätischen Linie zu liegen
kommt ("11-faches Muster"). Der elfte Bandabschnitt, der bei Fig. 12 noch nicht
verlegt ist, endet in einem neben dem Wickelstartpunkt gelegenen Punkt, von dem
aus nun analog ein neues Muster verlegt wird, das nun gegenüber dem ersten Muster
derart versetzt ist, daß in Äquatornähe eine 5obige Uberlappung entsteht (Fig. 13).
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Fig. 14 zeigt, wie nach Verlegen des dritten Musters in Äquatornähe
die Bandabschnitte 105 des ersten Musters von den Bandabschnitten 106 und 107 des
zweiten bzw. dritten Musters überlappt werden. Die noch freien Oberflächenstücke
108
werden beim Wickeln des vierten Musters abgedeckt, so daß nun eine Lage (Schicht)
der Isolation fertiggestellt ist.
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Die Führung des Fadenauges und gegebenenfalls die Drehung des Bauteiles
wird vorteilhaft elektronisch gesteuert.
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Hierzu sind die entsprechenden Motoren an ein elektronisches Steuergerät
angeschlossen, das die Aufgabe hat, aus eingegebenen Werten Sollwerte zu bilden
und entsprechenden Signale an die Motoren zu geben. Verfahren zur Erstellung der
Steuerprogramme sind aus der bereits erwähnten Technologie der Herstellung faserverstärkter
Hohlkörper bekannt. So kann z.B. mittels elektronischer Rechenhilfen die Geometrie
des zu bewickelnden Körper erfaßt, geodätische Linien errechnet und durch geeignete
Variation von Startpunkt und Wickelwinkel ein geeigneter geodätischer Linienzug
ermittelt und in entsprechende Steuerdaten umgesetzt werden. Die Tatsache, daß sich
mit jeder aufgebrachten Lage die zu bewickelnde Oberfläche vergrößert, kann dabei
zusätzlich dadurch berücksichtigt werden, daß für 3ede Lage ein Steuerprogramm mit
entsprechend veränderten geometrischen Daten erstellt wird.
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Elektrische Geräte wie z.B. Meßwandler besitzen häufig Spulen mit
seitlichen elektrischen Anschlüssen. Die zu isolierende Oberfläche ist dann ein
im wesentlichen rotationsförmiger Ring mit einem zylindrischen Ansatz.
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Vor allem der Zwickel am Ubergang der zylindrischen Oberfläche auf
die Ringoberfläche ist dabei bisher schwierig zu isolieren. GemäB der Erfindung
kann Jedoch auch dieser Zwickel in die Schichtisolation mühelos einbezogen werden,
wie Fig. 15 zeigt. Dabei ist die äußere Oberfläche des Ringes entsprechend Fig.
11 bewickelt, Jedoch tritt das Band nahezu tangential zu der Durchdringungslinie
der beiden rotationssymmetrischen Oberflächen von der Ringoberfläche in die Zylinderoberfläche
über und kehrt - gegebenenfalls nach ein- oder mehrmaligen Umläufen auf
der
Zylinderoberfläche - wieder in die Ringoberfläche zurück. Durch geeignete Wahl des
geodätischen Linienzuges kann man dabei erreichen, daß auch der Zwickel mit einem
dichten Kreuzmuster belegt wird. Es können der Zwickel und gegebenenfalls weitere
Teile der Zylinderoberfläche aber auch ähnlich wie die der Ringöffnung zugewandte
Oberfläche mit Einlagen bedeckt werden, die in das Kreuzmuster mit eingewickelt
werden.
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Der Ubergang von der Zylinderoberfläche auf die Ringoberfläche besitzt
eine Sattelflächen-ähnliche Geometrie, da dieser Ubergang bei einem Schnitt, der
durch die Symmetrieachsen der beiden Rotationsflächen geht, eine konkave Kontur
hat, während z.B. das in Fig. 15 gespannte Band von der Ringoberfläche längs eines
konvexen Weges in die Zylinderoberfläche übertritt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt
daher, daß nicht nur einfache rotationssymmetrische und ausschließlich konvexe Oberflächen
mit einem Kreuzmuster bespannt werden können, sondern auch Flächen mit komplizierteren
Geometrien. Darüber hinaus können auch Körper mit mehreren sich durch die Körper
erstredcenden Durchtrittsöffnungen, d.h. Körper mit mehrfach zusammenhängender Oberfläche,
gemäß der Erfindung isoliert werden, wie Fig. 16 für den Fall eines Doppeltoroids
(dreifach zusammenhängende Oberfläche) zeigt.
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26 Patentansprüche 16 Figuren