DE3014943C2

DE3014943C2 - Freitragende Wicklung für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE3014943C2
Application number: DE3014943A
Authority: DE
Inventors: Yoshikuni Chino Nagano Nozawa
Original assignee: ENTAC Co Ltd SUWA NAGANO JP
Current assignee: ENTAC Co Ltd SUWA NAGANO JP
Priority date: 1979-04-21
Filing date: 1980-04-18
Publication date: 1985-08-29
Also published as: HK62484A; US4401907A; GB2059300B; SG34084G; DE3014943A1; GB2059300A

Description

Die Erfindung geht aus von freitragenden Wicklungen für einen Elektromotor, wie sie in den Ansprüchen I bis

im Oberbegriff angegeben sind.

■·: Bei einer derartigen, aus der GB-PS 10 32 345 bekannten freitragenden Wicklung Tür einen Elektromotor hat

' ^uic Ausgangsspule eine zylinderformige Gestalt. Die zylinderformige Ausgangsspule wird entlang schraubenförmig auf der Mantelfläche des Zylinders verlaufender Bicgelinien gebogen und in einen weiteren Zylinder M) umgeformt, der nunmehr zwcilagig ist. Beim Umformen entstehen auf der Zylinderfläehe gleichschenklige Dreiecke, deren Basis auf einem Zylinderendc und deren Spitze aufdem anderen Zylinderende licgl. In diesen |j so erhaltenen Dreiecken, die abwechselnd umgekehrte Orientierung aufder Mantelfläche des Zylinders aul'wei-

f sen, sind jeweils zwei Drahtlagcn enthalten, wobei in jeder Drahtlage die Drähte gerade und dicht aneinander

I» liegen und in einem vorbestimmten Winkel zur Mantellinie der zylinderl'örmigcn freitragenden Wicklung ver-

|; 65 laufen. In beiden Lagen ist der Winkel, den die Drahtrichtung mit der Mantcllinie einschließt, gleich, jedoch || haben beide Winkel unterschiedliches Vorzeichen, d. h. die Drähte der einzelnen Lagen jedes Dreiecks kreuzen

pf sich unter einem Winkel, der doppelt so groß ist wie der Winkel zwischen der Drahtrichlung und der Mantel-

Wenn zwei derartige freitragende Wicklungen mit geringfügig unterschiedlichem Durchmesser ineinandergesteckt und um einen vorbestimmten Winkel gegeneinander verdreht werden, entstehen auf der Mantelfläche dieser beiden freitragenden Wicklungen rautenförmige Flächen, in denen die Überlagerung der Durchflutung der einzelnen Wicklung zu einer Gesamtdurchflutung führt, deren Komponente in Mantelrichtung der freitragenden Wicklungen verläuft und in einem zylinderformigen Ringspalt eines Motors ein entsprechendes Ankerdrehmoment erzeugt. Die übrigen Flächenanteile der freitragenden Wicklungen liefern zum Drehmoment keinen Beitrag.

Abgesehen von dieser freitragenden Wicklung, die ebenso wie ihre Ausgangsspule zylindrische Gestalt aufweist, sind in der Patentschrift keine anderen freitragenden Wicklungen beschrieben.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der Erfindung darin, weitere vorteilhafte Bauformen von freitragenden Wicklungen für kernfreie, nutenfreie oder bürstenlose Motoren zu schaffen, wobei die Ausgangsspuien für die freitragenden Wicklungen auf einfachen Maschinen mit hoher Geschwindigkeit herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 gelöst.

Dabei hat insbesondere die Verwendung der ebenen und der konischen Ausgangsspulen den Vorteil, daß die /wischen einander benachbarten Biegclinien befindlichen Abschnitte bogenförmig verlaufen, so daß beim Übcrdnanderlcgen oder Ineinanderstecken solcher Wicklungen drehmomentbildende Flächen Zustandekommen, die größer sind als die rautenförmigen drehmomentbildenden Flächen, die bei geradem Verlauf der Abschnitte Zustandekommen.

Ausgestaltungen der Hrfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung werden Ausluhrungsbcispiclc des Gegenstandes der Erfindung erläutert. Es zeigt:

!•"ig. I eine zylindcrförmige Ausgangswicklung gemäß dem Stand der Technik in perspekti· ·. ;;her Darstellung,

Fig. 2 eine flache ringförmige Ausgangs wicklung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 eine kegelstumpfförmige Ausgangswicklung in perspektivischer Darstellung,

Fi g. 4 ein gemäß der Erfindung aus den Ausgangswicklungen nach den Fig. 2 oder3 hergestelltes, zylinderlormigcs Spulenelement in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes, aus der Ausgangswicklung nach Fig. 1 hergestelltes sternförmiges Spulenelemcnt in einer Draufsicht,

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes, aus der Ausgangswick.'ung nach Fig. 3 hergestelltes sternförmiges Spulenelement in einer Draufsicht,

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes, aus der Ausgangswicklung nach Fig. 1 hergestelltess kegeistumpfiormiges Spulcnclemcnt in perspektivischer Darstellung,

Fig. 8 ein erfindungsgemäßes, aus den Ausgangswicklungen nach den Fig. 2 oder 3 hergestelltes kegelstumpfförmiges Spulcnclemcnt in perspektivischer Darstellung, .ii

Fig. 9 die Abwicklung des Spulcnelcmcnlcs nach Fig. 5,

Fig. IO die Abwicklung des Spulenclemcntes nach Fig. 8,

!■'iii. I! die Abwicklung der Ausgangswicklung nach Fig. 3,

Fig. 12 eine flache ringförmige Ausgangswicklung in einer Draufsicht,

Fig. 13 die Abwicklung cmcs crllndungsgemäücn, aus der Ausgangswicklung nach Fig. 12 hergLSlelltrn Spulenclemcntes,

Fig. 14 eine flache ringförmige Ausgangswickiung in einer Draufsicht und

Fig. 15 die Abwicklung eines erfindungsgemäßen, aus der Ausgangswicklung nach Fig. 14 hergestellten Spulenelemcntcs.

Für die Ausgangsspulen, aus denen gemäß dem Verfahren eine freitragende Wicklung eines Elektromotors hergestellt werden kann, gibt es drei Typen. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, wird eine erste Ausgangsspule 2 dadurch hergestellt, daß ein elektrisch leitender Draht auf den Umfang eines säulenförmigen Körpers in zylindrischer Form dicht Windung an Windung gewickelt wird. Diese Variante ist Stand der Technik. Eine zweite Ausgangsspule 6 wird dadurch hergestellt, daß ein elektrisch leitender Draht konzentrisch in derselben Ebene in Form eines flachen Rings (Fig. 2) gewickelt wird. Eine dritte Ausgangsspule 12 wird gebildet, indem ein elektrisch lei- !ender Draht dicht Windung an Windung auf die Oberfläche eines Kegelstumpfblockes 14 (Fig. 3) gewickelt wird. Der elektrisch leitende Draht, aus dem die oben erwähnten Ausgangsspulen 2,6 und 12 hergestellt sind, ist mit einer Vergußmasse und einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet. Die bei der Herstellung der Ausgiingsspulwverwendeten (nicht dargestellten) Wickelkörper haben Formen, die mit denen übereinstimmen, in die die Ausgangsspuien 2, 6 und 12 gebracht werden. Demznfoti hat der Wickelkörper der ersten Ausgangsspule 2 säulenförmige Gestalt. Der Wickelkörper der zweiten Ausgangsspulc 6 weist eine ebene Gestalt auf. Der Wickelkörper der dritten Ausgangsspulc 12 hingegen ist von kegelstumpfformigcr Gestalt. Sobild der Draht um einen dieser Wickelkörper mit der beschriebenen Form gewickelt ist, wird die auf die Oberfläche des gewickelten Drahtes aufgebrachte Vergußmasse mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels oder Wärme geschmolzen. Sobald die verflüssigte Vergußmasse wieder hart geworden ist, kann die einen einstückigen Körper bildende Spule von dem Wickelkörper abgenommen werden und ergibt eine in die erwähnte Form gebrachte, sicher zusammenhaltende Spule. Zu dieser Zeit stellen Ausgangsspulen 2,6,12 ein endloses Band dai. Die Ausgangsspulc, die dadurch hergestellt wird, daß ein einzelner Draht um einen Wickelkörper gewickelt wird, hat einen Wicklungsanfang und ein Wicklungsende.

Aus den oben erwähnten drei Arten von Ausgangsspulen 2,6 und 12 können freitragende Wicklungen 16,18, (.5 20 in Formen hergestellt werden, wie sie in Fig. 4, Fig. 6 (oder 7) und Fig. 8 (oder 9) veranschaulicht sind.

Im folgenden ist nunmehr das Herstellungsverfahren siner ersten in Fig. 4 veranschaulichten freitragenden Wicklung beschrieben, bei dem die Ausgangsspule gebogen wird und deren gebogene Abschnitte auf der

Umfangsflächc eines imaginären Zylinders 22 liegen.

Zunächst wird an dem Umfang jeder Ausgangsspule 6 und 12 eine Anzahl, d. h. 2n (wobei η eine ganze Zahl I, 2,3 oder größer ist) von Teilpunkten 24, 26 mit untereinander gleichem Abstand festgelegt (die Bezugszeichen 24, 26 kennzeichnen jeweils zwei benachbarte Teilpunkte). Bei der zweiten, ebenen Ausgangsspulc 6 werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die Teilpunkte 24,26 an dem äußeren Rand der Ringgestalt angetragen. Bei der dritten Ausgangsspule 12 mit der kegclstumpffSrmigcn Gestalt hingegen werden die Teilpunkte 24,26 außen, an der Basis des Kegelstumpfes festgelegt, wie dies Fig. 3 zeigt.

Daran anschließend werden gedachte Bezugslinien 28,30 festgelegt, die durch die oben erwähnten Teilpunkle

24,26 laufen. Bei der zweiten ebenen Ausgangsspule 6 laufen die imaginären Bezugslinicn28,30durchdcn Mittelpunkt 34 der ringförmigen Ausgangswicklung 6. Hingegen die imaginären Bezugslinicn 28,30 bei der drillen Ausgangsspule 12 mit der kegelstumpfförmigcn Gestalt durch die gedachte Kegelspilzc 36 des Kegelstumpf.

Weiter werden Bezugslinien 38, 40 festgelegt, die durch die Teilpunkte 24, 26 mit vorgegebenen Winkeln Φ,, Φ_:, gemessen gegen die imaginären Bezugslinicn 28, 30, laufen. Wie in den Fig. I bis 3 dargestellt ist, schliel.il jede nächste Bezugslinie 38 mit der zugehörigen imaginären Bczugslinie 28 denselben Winkel Φ, ein. Jede nächste Bczugslinie 30 hingegen schließt mit der entsprechenden imaginären Bezugslinic 30 jeweils den gleichen Winkel <Z>,cin. Wenn die erste in Fig. 4 gezeigte freitragende Wicklung hergestellt wird, werden die Biege winkcl Φ, und Φ_> so festgelegt, daß sie der folgenden Gleichung genügen:

Φ, = φ, = φ.

Demzufolge teilen die Biegelinien 38,40die Ausgangsspulen 2,6,12 nach den Fig. I bis 3 in In gleiche bandförmige Abschnitte 42, 44.

Bei der praktischen Ausführung wird die Ausgangsspule mittels einer Formvorrichtung entlang den Uicgelinicn 38 und 40 vorläufig gebogen. Im Falle der ersten Ausgangsspule 2 nach Fig. I und der dritten Ausgangsspule 12 nach Fig. 3 wird die Kraft auf die Ausgangsspule 2,12 in der Weise ausgeübt, daß die Bczugslinie 40 neben der Bezugsünie 38 nach innen vorsteht, sodaß mit anderen Worten sich nach außen oder innen gerichtete Vorsprünge wiederholen. Auf die zweite scheibenförmige Ausgangsspule 6 wird die Kraft so ausgeübt, daß die Biegelinie 38 nach oben und die Biegelinie 40 neben der Biegelinie 38 nach unten kommt und sich mit anderen Worten nach oben und nach unten stehende Ausbuchtungen abwechselnd wiederholen. Die einer derartigen, oben erwähnten vorläufigen Verformung unterzogenen Ausgangsspulen 2,6 und 12 weiden in eine zylinderlormige Formvorrichtung mit einem Durchmesser von im wesentlichen D eingelegt und erneut unter Kraft gebogen. Hieraus ergibt sich eine freitragende Wicklung 16, die wie in Fi g. 4 zeigt, einen Durchmesser I) und eine Höhe L aufweist und deren bandförmige Abschnitte 42, 44 sich entlang der Umfangsfläche <:ines imaginären Zylinders 22 erstrecken.

<5 Wie aus den oben erwähnten Herstellungsschritten ersichtlich ist, entspricht die Fläche des bandförmigen Abschnittes 42, die von der Fläche der in Fig. 4 gezeigten freitragenden Wicklung 16 nach außen zeigt, der äußeren Flüche der Ausgangsspule 12. Die Fläche des bandförmigen Abschnittes 44, die ebenfalls von der Fläche der freitragenden Wicklung 16 nach außen zeigt, entspricht der inneren Oberfläche der Ausgangsspule 12. Mit anderen Worten, die äußere und die innere Oberfläche der Ausgangsspule 12 erscheint aufgrund des Biegens abwclIiselnd auf der äußeren [-'lache der freitragenden Wicklung 16, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Bei einer freitragenden Wicklung 16 nach Fig.4, die aus der scheibenförmigen Ausgangsspule 6 nach I· ig. 2 hergestellt ist, zeigen deren untere und obere Oberflächen abwechselnd von der äußeren Fläche der freitragenden Wicklung 16 nach außen.
In den oberen und den unteren Bereichen der freitragenden Wicklung 16 liegen wegen des Biegens die bandförmigen Abschnitte 42,44 aufeinander. Die Teilpunkte 24 sind an dem unteren Rand des imaginären Zylinders 22 mit im wesentlichen gleichen Abständen untereinander angegeben. Die ebenfalls im wesentlichen äquidistanten Teilpunkte 26 liegen an dem oberen Rand des imaginären Zylinders 22. Wie aus Fig. 4 zu entnehmen, weisen die aus den Ausgangsspulen 6, 12 nach den Fig. 2 und 3 hergestellten freitragenden Wicklungen 16 bogenförmige Abschnitte 42, 44 auf, deren Abwicklung in Fig. 9 zu sehen ist.

Zur Herstellung der freitragenden Wicklung 16 nach Fig. 4 müssen die Ausgangsspulen 6 und 12 die untenstehenden Bedingungen erfüllen.

Wenn die freitragende Wicklung 16 nach Fig. 4 aus der zweiten ringförmigen Wicklung 6 nach Fig. 2gebildc werden soll, muß die zweite Ausgangswicklung 6 einen Durchmesser /?, aufweisen, der durch eine der folgenden Gleichungen (2) oder (3) festgelegt ist und mit einem Winkel Φ gebogen werden, der durch die untenerwähnte Gleichung (1) definiert ist, während der Innendurchmesser A₂ ^und die Breite B frei wählbar sind

η D

sin Φ

77\

sin I—— ) ■ cos Φ

Der Innendurchmesser R₁ der flachen ringförmigen Ausgangsspulc 6 ist gegeben durch
R₂ = Ri-IB

Wenn schließlich die in Fig. 4 gezeigte freitragende Wicklung 16 aus der dritten kegelsiunipfförmigen Ausgangsspule 12 nach F i g. 3 hergestellt werden soll, muß die kegelstumpfförmige Ausgangsspule 12 einen größeren, durch eine der Gleichungen (5) oder (6) gegebenen Durchmesser </,, einen kleineren Durchmesser d₂ und eine Breite B aufweisen und mit Winkeln, wie sie durch die erwähnte Gleichung (1) gegeben sind, gebogen werden, v".hrend der Öffnungswinkel δ frei wählbar ist.

nD sin (—

(5)

L sin
«/, - ^^ (6)

sin I I—— 1 sin (— I 1 cos Φ

Win S \2 / ί

Der kleinere Durchmesser d₂ der kegelstumpfförmigen Ausgangswicklung 12 ergibt sich zu

d₂ = i/| - 2 S sin (— J (7)

Im folgenden ist nunmehr das Herstellungsverfahren der sternförmigen freitragenden Wicklung 18 nach den Fig. 5 oder 6 beschrieben. Zunächst wird an dem Rand jeder Ausgangsspule 2, 6 oder 12 eine gerade Anzahl oder 2 η (wobei η eine ganze Zahl 1,2 oder 3 ... ist) äquidistante Teilpunkte 24,26 festgelegt. Bei der ersten zylindrischcn Ausgangsspule 2 werden die äquidistanten Teilpunkte 24,26 an dem Rand des unteren Abschnittes der zylindrischen Ausgangsspule 2 angetragen. Bei der zweiten, flachen ringförmigen Ausgangsspule 6 hingegen werden die äquidistanten Teilpunkte 24,26 an dem Außenrand der Ausgangsspule 6 nach Fi g. 2 festgelegt. Bei der dritten kegelstumpfförmigen Ausgangsspule 12 schließlich werden die äquidistanten Teilpunkte 24, 26 an dem Rand der Basis des Kegelstumpfes der Ausgangsspule 12 definiert, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Anschließend werden die gedachten Bezugslinien 28,30 festgelegt, die durch die äquidistanten Teilpunkte 24, 26 laufen. Wiederum verlaufen die gedachten Bezugslinien 28,30 bei der ersten zylindrischen Ausgangsspule 2 parallel zu der Achse 32 dieser Ausgangsspule. Bei der zweiten, flachen ringförmigen Ausgangsspule 6 hingegen laufen wie vorher die gedachten Bezugsiinien 28,3G durch den Miiicipunki 34 der ringförmigen Ausgangsspulc 6. Hei der dritten kegelstumpfförmigen Ausgangsspule 12 schließlich laufen die gedachten Bezugslinien konvergcnt durch die Kcgclspitze 36 eines imaginären Kegels.

Danach werden Bicgelinien 38,40 festgelgt, die durch die äquidistanten Teilpunkte 24,26 laufen und mit den zugehörigen gedachten Bezugslinien 28,30 Winkel Φ_χ, Φ₂ einschließen. Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, sind benachbarte Bicgelinien 38,40 in Umfangsrichtung unter Winkeln Φ, bzw. Φ₂8^βη^¹- Auf diese Weise teilen die Biegelinicn 38, 40 die Ausgangsspulen 2, 6, 12 nach den Fig. I bis 3 in 2/7-gleiche bandförmige Abschnitte 42, 44.

Die Ausgangsspulen 2, 6, 12 werden entlang der Biegelinien 38, 40 mittels einer Formvorrichtung vorläufig gebogen. Bei dem ersten und dritten Beispiel der Ausgangsspulen 2,12 nach den Fig. 1 und 3 wird die Biegekraft in der Weise angesetzt, daß sich die Biegelinie 38 nach außen und die der Biegelinie 38 benachbarte Biegelinic 40 nach innen bewegt, d. h. daß sich Aus- und Einbuchtungen abwechselnd wiederholen. Bei dem zweiten so Beispiel der ringförmigen Ausgangsspule 6 wird die Biegekraft hingegen so ausgeübt, daß die Biegelinie 38 nach oben und die der Biegelinie 38 benachbarte Biegelinie 40 nach unten vorsteht, d. h. daß sich Erhöhungen und Vertiefungen abwechselnd wiederholen.

Die zunächst vorläufig gebogenen Ausgangsspulen 2.6,12 werden in eine flache Formvorrichtung eingelegt und erneut zum Biegen gepreßt. Hieraus ergibt sich eine freitragende Wicklung 18, die einen Innendurchmesser Kl, einen Außendurchmesser K1 und einen Mittelpunkt 45 aufweist, wobei die bandförmigen Abschnitte 42,44 außerhalb des Randes des inneren konzentrischen Kreises 46 und innerhalb des Randes des äußeren konzentrischen Kreises 48 verlaufen.

Aus den oben beschriebenen Herstellungsschritten ist ersichtlich, daß die Seite des bandförmigen Abschnittes 42, die von der Außenfläche der freitragenden Wicklung 18 nach den Fig. 5 und 6 wegzeigt, der äußeren 60 | Oberfäche der Ausgangsspulen 2,12 entspricht. Die Seite des bandförmigen Abschnittes 44, die ebenfalls von | der Außenfläche der freitragenden Wicklung 18 wegzeigt, entspricht der inneren Oberfläche der Ausgangsspulen 1, 12. Die Außen- und die Innenflächen der Ausgangsspulen 2,12 erscheinen somit abwechselnd an der Außenfläche der freiwerdenden Wirkung 18 nach den Fig. 5 oder 6. Bei der freitragenden Wicklung 18 nach Fig. 6, die aus der Ausgangsspule 6 nach Fig. 2 hergestellt ist, erscheinen abwechselnd die untere und die obere Fläche der Ausgangsspule 6. An den unteren und oberen Bereichen der freitragenden Wicklung 16 liegen die bandförmigen Abschnitte 42, 44 aufeinander. Die äquidistanten Teilpunkte 24 liegen auf dem Rand des gedachten Kreises 46 jeweils in im wesentlichen gleichen Abstand zueinander. Die äquidistanten Teilpunkte 26

IO

hingegen liegen auf dem Rand des gedachten Kreises 48, und zwar ebenfalls in im wesentlichen gleichen Abstand zueinander. Die Abschnitte 42,44 der freitragenden Wicklung 18n;>ch Fig. 5, die aus der ersten Ausgangsspule 2 hergestellt ist, haben die Gestalt eines geraden, Bandes. Die aus den Ausgangsspulen 6,12 nach den Fig. 2 und 3 hergestellte freitragende Wicklung 18 weist hingegen bogenförmige Abschnitte 42, 44 auf.

Zur Herstellung der freitragenden Wicklung 18 nach den F i g. 5 und 6 müssen die Ausgangsspulen 2,6 und 12 die unten stehenden Bedingungen erfüllen. Für die entsprechenden Ausgangsspulen 2, 6 und 12 ist dies nunmehr beschrieben. Wenn aus der ersten zylinderförmigen Ausgangsspule 2 nach Fig. 1 die zweite, flache, sternförmige freitragende Wicklung 18 nach Fig. 5 hergestellt werden soll, der äußere Bezugskreis 46 einen Durchmesser Kl und der innere Bezugskreis 48 einen Durchmesser K2 aufweist, muß die Ausgangsspule 2 einen Durchmesser d haben, wie er durch die folgende Gleichung (8) oder (9) vorgegeben ist, wobei die Breite B frei wählbar ist und die Ausgangsspule 2 unter Winkeln Φ, und Φ₂,die durch die folgenden Gleichungen (10), (11) festgelegt sind, gebogen werden muß:

η K\ sin —

d =-

η sin Φ>

(K)

25

η Kl sin I— I

η sin Φ,

tan"

/Cl KI

- cos

(f)

(10)

30

Φ₂

Φ, + —

(H)

Wenn die zweite, flache, sternförmige freitragende Wicklung 18 nach F i g. 5 aus der zweiten, flachen ringförmigen Ausgangsspule 6 nach Fig. 2 hergestellt wird, ist der äußere Durchmesser Λ, dieser Ausgangsspulc 6 durch eine der folgenden Gleichungen (12) oder (13) definiert, wobei die Ausgangsspule 6 mit Winkeln Φ, und Φ₂ gebogen wird, die durch die oben erwähnten Gleichungen (10), (11) festgelegt sind.

40

45

50

55

R₁ =

sin Φ₂

" - (τϊ)

sin Φ,

(12)

Der innere Durchmesser R₂ und die Breite B der zweiten Ausgangsspule 6 nach Fig. 2 können frei gewählt werden.

Wenn schließlich die zweite, flache, sternförmige freitragende Wicklung 18 nach Fig. 5 aus der dritten kcgelsturnpfförmigen Ausgangsspule 12 nach F ig. 3 hergestellt wird, ergibt sich der größere Durchmesser d_t der Ausgangsspule 12 durch eine der folgenden Gleichungen (14) oder (15), wobei die Ausgangsspule 12 mit den durch die oben erwähnten Gleichungen (10), (11) festgelegten Winkeln Φ,, Φ₂ gebogen wird.

d, =

" (j)^sl" (f

(14)

A'2 sin

Der Kcgelwinkel δ, der kleinere Durchmesser d₂ und die Breite B können bei der dritten kcgelstumpflormigcn Ausgangsspule 12 frei gewählt werden.

It. foJgendei. ^:st nunmehr das Herstellungsverfahren für eine dritte tragende Wicklung 20 beschrieben, beider jede dir drei Ausgangsspulen 2,6 und 12 an die äußere Form eines gedachten Kegelstumpfes angepaßt wird, wie dies in den Fig. 7 oder 8 veranschaulicht ist.

Die wie im Beispiel der Fig. 5 und 6 vorbereiteten und verbogenen Ausgangsspulen 2, 6 und 12 werden jeweils in tine kcgclstumpfförmige Form gelegt und erneut zum Biegen gepreßt. Hierdurch wird eine freitragende Wicklung 20 geformt, deren Abschnitte 42,44 entlang der Außenfläche eines gedachten Kegelstumpfes 50 nach den Fig. 8 und 7 verlaufen, wobei der Kegelstumpf 50 einen großen Durchmesser Dl und einen k'einen Durchmesser Dl sowie einen Kegelwinkel γ an einer gedachten Kegelspitze 51 aufweisen.

Die Anordnungen der Flächen der Abschnitte 42 und 44 sind entsprechend den Auslührungsbeispielcn nach den Fig. 5 und 6.

Die äquidistanlcn Tcilpunkie 26 befinden sich in jeweils gleichem Abstand zueinander an dem Rand des oberen kleinen Kreises des gedachten Kegelstumpfes 50. Die äquidistanten Teilpunkte 24 wiederum liegen im wesentlichen im gleichen Absland zueinander auf dem Rand des unteren größeren Kreises jenes gedachten Kegelstumpfes 50. Hierbei ist es wieder so, daß die Abschnitte 42,44 der freitragenden Wicklung 20 nach F i g. 7, (ins aus der ersten zylindrischen Ausgangsspule 2 nach Fig. 1 hergestellt ist, die Gestalt gerader Bänder aufweist. !nde:;h;'hcndic Abschnitte 42,44 der freitragenden Wicklung 20 nach Fig. 8, die aus der flachen ringförmigen Ausgangsspule nach Fig. 2 oder der kcgelstumpfförmigcn Ausgangsspulc 12 nach F i g. 3 hergestellt ist, die (icstalt bogenförmiger Bänder. Somit ergibt sich eine freitragend" Wicklung 20, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist.

Zur Herstellung der freitragenden Wicklung 20, wie sie in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, müssen die Ausgangsspulen 2, ö, 12 die untenstehenden Bedingungen erfüllen. Es ist dies nunmehr für die Ausgangsspuien 2,6 und 12 beschrieben. Wenn die dritte kegelstumpfförmige freitragende Wicklung 20 aus der ersten zylindrischen Ausgangsspule 2 nach Fig. I hergestellt wird, indem die gebogenen Abschnitte der Ausgangsspule 2 entlang des Außcnumfanges des gedachten Kegelstumpfes 50 mit dem Kegelwinkel y dem großen Durchmesser D1 mit dem kleineren Durchmesser Dl verlaufen, muß die zylindrische Ausgangsspule 2 einen Durchmesser d haben, der durch die folgende Gleichung (16) oder (17) gegeben ist, und mit den Winkeln Φ, bzw. Φ₂ gebogen werden, die sich aus den folgenden Gleichungen (18), (19) ergeben:

Dl sin

(fWi)}

sin

(f)

(16)

sin Φ>

IO

20

ι:

M)

Dl sin

(fMi)!

""" V 2 J

(17)

40

Φ\ = tan"

sin

f)* ω

Dl Dl

f)-ω

(18)

(19)

Dl

2 sin Φ₂

sin

KfMi)I

SiP.

(20)

50

Wenn aus der zweiten ringförmigen Ausgangsspule 6 nach Fig. 2 die dritte freitragende Wicklung nach Fig. 8 hergestellt wird, berechnet sich der Außendurchmesscr Ä| der zweiten Ausgangsspuic 6 nach einer der folgenden Gleichungen (20) oder (21), wobei die Ausgangsspule 6 mit den Winkeln Φ, und Φ₂ gebogen wird, die durch die oben erwähnten Gleichungen (18) und (19) festgelegt sind:

60

D2

2 sin Φ,

(i)

sin

Kf)-(i)}

(21)

65

Wenn schließlich die freitragende Wicklung 20 nach Fig. 8 aus der dritten kegelstumpfiormigen Ausgangsspule 12 nach Fig. 3 gefertigt wird, ergibt sich der größere Durchmesser d_x der dritten Ausgangsspule 12 nach einer der folgenden Gleichungen (22) oder (23), wobei dann die Ausgangsspule 12 unter Winkeln Φ, und </>,, die sich ebenfalls aus den oben erwähnten Gleichungen (18) und (19) ergeben, gebogen wird:

(f)

sin < (—— I sin ι — · .-ίο \i J IV 2 /i / \ 2 / J

sin
dx = -τ-^-τ ^f- ■ ^^ ^rV (22)

2 sin Φ₂ . fy\ . jf π\ . fo\\
sin (4-1 sin {(^- ) sin (— 1

sin

sin

Die Gleichungen (18), (19), (22) und (23) sind die Grundformen anderer Gleichungen. Demzufolge wird die Richtigkeit dieser Gleichungen (18), (19), (22) und (23) zunächst bewiesen.

Wenn die dritte, in den Fig. 7 und 8 dargestellte freitragende Wicklung 20 abgewickelt wird, bei der die gebogenen Segmente der Ausgangsspule entlang der Außenfläche eines gedachten Kegelstumpfes verlaufen, dann liegt die dritte freitragende Wicklung 20, wie in Fig. 10 gezeigt, in einem Bereich, der von zwti konzentrischen Kreisen mit dem Durchmesser 2Fl bzw. 2F2 begrenzt ist. Der Zentriwinkel Van dem Mittelpunkt 52 der Abwicklung, der diese Abwicklung der freitragenden V/icklung 20 begrenzt, ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

V = 2;π sin i-j-j (24)

ίο Die aquidistanten Teilpunkte 24,26 teilen den Umfang des Kreises mit dem größeren Durchmesser Dl (Fig. 7 und 8) in jeweils gleiche Teile. Die Entfernungen / zwischen jeweils zwei benachbarten äquidistantcn Teilpunkten 24 und 26 sind gleich. Deshalb teilen, wie aus Fig. 10 ersichtlich, die Verbindungsgeraden der äquidistanten Teilpunkte 24,26 mit dem Mittelpunkt 52 der Abwicklung den Zentriwinkel ψ der Abwicklung in Ingleiche Sektoren. Folglich beträgt der durch die äquidistanten Teilpunkte 24,26 festgelegte Winkel V/2 n. I licraus folgt, daß alle Dreiecke die gleiche Form aufweisen, die durch jeweils benachbarte iquidistante Teilpunkle 24,2*5 und den Mittelpunkt 52 der Abwicklung festgelegt sind. Wie Fig. 10 zeigt, hat jcd:s Dreieck einen Innenwinkel V/2 η sowie einen Winkel Φ, und einen Außenwinkel Φ₂. Die Längen der zugehörigen Seiten
Dreiecks betragen /, Fl und Fl. Die Anwendungen des Sinus-Theorems ergibt deshalb die folgende Gleichung (25):

* * = Fl / J25

sin Φι sin Φ)

sii

Diese Gleichung (25) kann in die folgenden Gleichungen (26) und (27) umgewandelt werden:

sin I

I = Fl χ (26

sin Φ₂

sin

/ ,-= Fl x (27

sin Φ

Bri der Abwicklung ergibt die dritte, kegelstumpfförmige Ausgangsspulc 12 ein bogenförmiges Band mit einem Abwicklungsmittelpunkt 54 und einem Zentriwinkel der Abwicklung von Φ,,. Da in Fig. 11 die Geraden / zwischen jeweils zugehörigen, benachbarten äquidistantcn Teilpunkten 24, 26 gleich lang sind, ist der durch

die Gerade / und den Mittelpunkt 54 in der Abwicklung gebildete Winkel ~- . Deshalb kann die F.ntfernung / zwischen den benachbarten Teilpunkten 24,26 bzw. der Zentriwinkel Φ,, durch eine der folgenden (ilcichun gen (28) und (29) ausgedrückt werden:

/ = 2 Gl sin -^- (28

\4n J

Φ» = 2 η sin f— λ (29

Die unten stehende Gleichung (30) ist aus der Fig. 3 abgeleitet:

(I_x = 2 Gl sin (y) (30)

Die folgenden Gleichungen (31) und (32) ergeben sich aus der Fig. 7.

DX = 2 - FX sin (-M (31)

Dl = 2 Fl sin (-^) (32)

Das Einsetzen der Gleichung (28) in die Gleichung (30) führt zu der folgenden Gleichung:

sin -p- ²"

Weiterhin führt das Einsetzen der Gleichung (26) in die Gleichung (33) zu der Gleichung:

■ (6 \ ■ ( Ψ \

F\ ■ sin I — I · sin ( I

di - (34)

sin Φ, ■ sin (—2-1 \4/j/

Das weitere Einsetzen der Gleichung (31) in die Gleichung (34) ergibt die Gleichung:

_sin (±) _sin (JL) ' ^{W U;} ^r (35)

Wenn weiterhin die Gleichungen (27) und (32) in die Gleichung (33) eingesetzt werden, ist die Gleichung

ω *(s)

sin Φ,

45

zu erhalten. Schließlich fiihit Jas Einsetzen der Gleichungen (24) und (29) in die Gleichung (35) und das Einsetzen der Gleichungen (24) und (29) in die Gleichung (36) zu den oben erwähnten Gleichungen (22) und (23). Das Verhältnis von FX zu Fl ergibt sich wie folgt aus der Gleichung (25) sowie oen Gleichungen (31) und (32):

IL - ^si"^ ₌ ^L ₍₃₇

Fl sin Φ, Dl ^y '

VVcnn die obige Gleichung (40) die Gleichung

Φι = Φι + -^- (38)

eingesetzt und das Additionstheorem angewendet wird, fuhrt dies zu der Gleichung £ — (■£) ♦—■*(£)■■£

Das Auflösen der Gleichung (39) führt dann zu der erwähnten Gleichung (18). Wenn in die obige Gleichung (38) die Gleichung (24) eingesetzt wird, erhält man schließlich die erwähnte Gleichung (19).

Theoretisch sind die erwähnten, beschriebenen Gleichungen (2), (5), (6), (8), (9), (12), (13), (14), (15), (16), (17), (20) und (21) aus den Gleichungen (22) und (23) hergeleitet. Die erwähnten Gleichungen (I), (10) und (11)

sind aus den Gleichungen (18), (19) zu erhalten. Wenn der Winkel y einen kleinen Wert aufweist, wird aus einer Ausgangsspule, deren gebogene Segmente auf der Umfangsfläche eines gedachten Zylinders liegen, die freitragende Wicklung zylindrisch geformt Wenn der Winkel 180° beträgt, wird die freitragende Wicklung flach. Wenn hingegen der Winkel δ einen kleinen Betrag aufweist, hat die Ausgangsspule eine zylindrische Gestalt. Ist hingegen der Winkel δ = 180°, ist die Ausgangsspule ringförmig.

Unter Bezug auf die Fig. 12 bis 15 ist nunmehr ein weiteres Herstellungsverfahren für eine freitragende Wicklung 18 aus der flachen ringförmigen Ausgangsspule 6 nach F i g. 2 beschrieben, bei der die gebogene Ausgangsspule 6 auf der Umfangsfläche eines gedachten Zylinders liegt. Wenn die freitragende Wicklung 18 dadurch hergestellt wird, daß die flache ringförmige Ausgangsspule 6 gebogen wird, dann erfüllt sie im allgemeinen die pr»ktischen Anforderungen, wenn diese freitragende Wicklung 18 durch Biegen der besagten ringförmigen Ausgangsspule 6 entlang zweier oder vierer Biegelinien 38,40 hergestellt wird. Das oben erwähnte unterschiedliche Herstellungsverfahren der freitragenden Wicklung 18 wird vorzugsweise angewendet, wenn der Biegewinkel θ und die Lage der Biegelinien 38,40 für den Fall, daß die Ausgangsspule 6 an 2 η (λ ist eine ganze Zahl 1 oder 2) Biegelinien 38, 40 gebogen wird, festliegt.

Wenn die freitragende Wicklung 6 aus einer flachen ringförmigen Ausgangsspule hergestellt wird, und die gebogene Ausgangsspule auf der Umfangsfläche eines gedachten Zylinders mit dem Durchmesser D und der Höhe L_v wie in F i g. 4 liegt, enthält das Herstellungsverfahren fur diese freitragende Wicklung 6 zunächst den Verfahrensschritt, um den Mittelpunkt 34 der flachen ringförmigen Ausgangsspule 6, wie in den Fig. 12 und 14 gezeigt, einen Bezugskreis 60 mit einem Radius r zu zeichnen. Der Radius r ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

r = ^- = 0,78 Z) (40)

Der Durchmesser des äußeren Randes 62 der flachen Ausgangsspule 6 wird durch den Radius r des erwähnten Bezugskreises 60 bestimmt. Wenn die flache ringförmige Ausgangsspule 6 entlang der beiden Biegelinien 38,40 gebogen wird, ergibt sich der Du/chmesser gl aus der Gleichung:

gl = L (41)

Der Grund, warum die obige Gleichung (41) gilt, ist aus Fig. 12 ersichtlich, die die flache ringförmige Ausgangsspule 6 zeigt, wie sie an zwei Biegelinien 38 und 40 gebogen ist, während die Fig. 13 die Abwicklung der aus dieser Ausgangsspule 3 herge- '.eilten freitragenden Wicklung 18 veranschaulicht, wobei die Höhe (Fig. 13), die durch jeweils zwei benachbarte Abschnitte der ringförmigen Ausgangsspule 6 bestimmt ist, selbst dann unverändert bleibt, wenn die Aus; ^ngsspule 6 gebogen ist.

Wenn die Ausgangsspule 6 entlang vier Biegelinien gebogen ist, gilt Tür den Außendurchmesserg 1 der freitragenden Wicklung IS die folgende Gleichung:

gl - t/2 (L²Zr²) (42)

Diese Gleichung ist weiter unten anhand der Fig. 14 und 15 bewiesen. Nachdem der Bezugskreis 60 und der Durchmesser #1 des äußeren Randes der flachen ringförmigen Ausgangsspulc 6 festliegt, werden auf dem Umfang des Bezugskreises 60 Teilpunkte 63, 65 festgelegt, die den Umfang in gleiche Abschnitte aufteilen. Dann werden Biegelinien 38,40 vorgegeben, die durch die erwähnten Teilpunkte 63,65 laufen, während sie mit einer die Teilpunkte 63,65 mit dem Mittelpunkt 34 des Bezugskreises 60 verbindenden Gerade 68 einen Winkel θ einschließen, de; durch die nachstehende Gleichung festgelegt ist:

ι on
θ = ~(n = Ioder2) (43)

In
50

Die Biegelinien 38, 40 teilen die flache Ausgangsspule 6 in gleiche. Sektoren 64, 66 oder 68, 70, 72, 74.
Die flache ringförmige Ausgangsspule 6 wird nunmehr entlang den Biegelinien 38,40 in der Weise gebogen, daß die zugehörigen Abschnitte der gebogenn Ausgangsspuie 6 entlang der Umgangsfläche eines gedachten Zylinders abwechselnd nach oben oder nach unten laufen, so daß sich eine freitragende Wicklung 18 ergibt, deren Abwicklung in der Fig. 13 oder 15 gezeigt ist.

Aus der vorigen Beschreibung ist ersichtlich, daß der Innendurchmesser gl der flachen ringförmigen Ausgangsspule 6 in keiner Beziehung zu einer der erwähnten Gleichungen steht und demzufolge in der Regel frei gewählt werden kann. Jedoch sollte der Innendurchmesser gl gleich oder größer dem Durchmesser 2λ des Bezugskreises 60 gemacht werden, d. h. er sollte der Ungleichung 2/-:Sj»2 bezogen auf den Durchmesser 2 λ genügen. Der Grund hierfür besteht darin, daß in dem Fall gl^lr die Bicgclinicn wiederum an den äußeren Umfang der Ilachen ringförmigen Ausgangsspulc 6 gesetzt werden müssen.

Zu der obigen Gleichung θ —jTT '^{st nunrne}hr ^emc kurze Erläuterung gegeben. Wenn die flache ringförmige Ausgangsspulc 6 an den vier Biegelinien gebogen ist, ergeben sich die Abstände / zwischen den Teilpunkten 76 bzw. 80, die die Biegelinien an dem äußeren Rand 62 der Ausgangsspule 6 festlegen und den Teilpunkten 78 bzw. 82, die die Biegelinie 40 an dem äußeren Rand 62 der Ausgangsspule 6 definieren, wie folgt:

/ = vT· gi/gi

Wenn die Ausgangsspule 6 in die freitragende Wicklung 18 umgeformt wird, liegen die genannten Schnittpunkte 76, 80 auf demselben Kreis eines gedachten Zylinders. Aus den erläuterten Herstellungsschritten der freitragenden Wicklung 18 ist zu ersehen, daß die Entfernung m zwischen diesen Schnittpunkten 76, 80 2 τ beträgt. Die drei äquidistant angeordneten Schnittpunkte 76,78,80 definieren zusammen ein gleichschenkliges Dreieck, dessen gleiche Schenkel eine Länge / und dessen Basis m eine Länge von 2 r hat. Damit ergibt sich die Höhe L des gedachten Zylinders zu

Hieraus ergeben sich die Gleichungen:

_gl - V 2 (L² + r) (42)

Die durch die verschiedenen erwähnten Gleichungen erhaltenen Werte erfüllen ihren Zweck, vorausgesetzt, dai5 sie irr·, wesentlichen das beschreiben, was angegeben ist, obwohl sie die entsprechenden Gleichungen nicht genau erfüllen. Es ist ersichtlich, daß die praktischen Herstellungsschritte im allgemeinen Herstellun^stoleranzen unterliegen, die verhindern, daß die obigen Gleichungen voll erfüllt werden, wobei die Größe dieser Toleranzen mit der Form und der Größe der Ausgangsspule und der Form und der Größe der hergestellten freitra gcnden Wicklung variieren.

Wie beschrieben, kann mit diesem Verfahren eine freitragende Vv'icklung eines Elektromotors effizient und mit geringen Kosten hergestellt werden. Ferner ist den Herstellungsschritten zu entnehmen, daß die einzelnen Windungen der Ausgangsspulen regelmäßig angeordnet sind, so daß die magnetische Energie effektiv erzeugt wird. Demzufolge hat ein Elektromotor, der durch Zusammenfügen von freitragenden Wicklungen, die gemäß dem Verfahren hergestellt sind, verschiedene, wesentlich verbesserte Eigenschaften.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

35

Claims

Patentansprüche:

1. Freitragende Wicklung für einen Elektromotor, hergestellt aus einer Ausgangsspule, bei der ein einzelner Draht Windung an Windung derart nebeneinandergelegt ist, daß sich ein ringförmiges Band ergibt, auf dessen einem Rand Teilpunkte festgelegt sind, die den Rand in eine gerade Anzahl von gleichen Teilen aufteilen und durch die unter einem vorbestimmten, nicht rechten Winkel zur Leiterrichtung Biegelinicn verlaufen, längs denen die Ausgangsspule unter Ausbildung einer Anzahl von Abschnitten derart gebogen ist, daß jeweils benachbarte Biegelinien in entgegengesetzten Richtungen vorstehen und abwechselnd die oberen und die unteren Seiten jeweils benachbarter, durch die Biegelinien begrenzter Abschnitte der Ausgangsspule auf der oberen Seite der freitragenden Wicklung erscheinen, dadurchge kennzeichnet, daß eic Ausgangsspule in einer Ebene liegt.

2. Freitragende Wicklung für einen Elektromotor, hergestellt aus einer Ausgangsspule, bei der ein einzelner Draht Windung an Windung derart nebeneinander gelegt ist, daß sich ein ringförmiges Band ergibt, auf dessen einem Rand Teilpunkte festgelegt sind, die den Rand in eine gerade Anzahl von gleichen Teilen aufteilen und durch die unter vorbestimmten, nicht rechter- Winkeln zur Leiterrichtung Biegelinicn verlaufen, längs denen die Ausgangsspule unter Ausbildung einer Anzahl von Abschnitten derart gebogen ist, daß jeweils benachbarte Biegelinien in entgegengesetzten Richtungen vorstehen und abwechselnd die oberen und die unteren Seiten jeweils benachbarter, durch die Biegelinien begrenzter Abschnitte der Ausgangsspule auf der oberen Seite der freitragenden Wicklung erscheinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aiisgangsspulc (12) auf der Umfangsflächc eines Kegelstumpf liegt.

3. Freitn^nde Wicklung für einen Elektromotor, hergestellt aus einer Ausgangsspule, bei der ein einzelner Draht senraubenformig Windung an Windung derart nebeneinander gelegt ist, daB sich ein Zylindermantel ergibt, auf dessen einem Rand Teilpunkte festgelegt sind, die den Rand in eine gerade Anzahl von gleichen Teilen aufteilen und durch die unter vorbestimmten, nicht rechten Winkeln zur Leiterrichtung Bie-

gelinien verlaufen, längs denen die Ausgangsspule unter Ausbildung einer Anzahl von Abschnitten derart gebogen ist, daß jeweils benachbarte Biegelinien in entgegengesetzten Richtungen vorstehen und abwechselnd die oberen und die unteren Seiten jeweils benachbarter, durch die Biegelinien begrenzter Abschnitte der Ausgangsspule auf der oberen Seite der freitragenden Wicklung erscheir.sn, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine flache, sternförmige Gestalt aufweist und die durch Biegen entstandenen Abschnitte (42,44) auf einem ebenen, durch zwei konzentrische Kreise (46, 48) begrenzten Ring liegen.

4. Freitragende Wicklung für einen Elektromotor, hergestellt aus einer Ausgangsspule, bei der ein einzelner Draht schraubenförmig Windung an Windung derart nebeneinander gelegt ist, daß sich ein Zylindermantel ergibt, auf dessen einem Rand Teilpunkte festgelegt sind, die den Rand in eine gerade Anzahl von gleichen Teüen aufteilen und ourch die unter vorbestimmten, nicht rechten Winkeln zur Leiterrichtung Bicgelinien verlaufen, längs denen die Ausgangsspule unter Ausbildung einer Anzahl von Abschnitten derart gebogen ist, daß jeweils benachbarte Biegelinien in entgegengesetzten Richtungen vorstehen und abwechselnd die oberen und die unleren Seiten jeweils benachbarter, durch die Biegelinicn begrenzter Abschnitte der Ausgangsspule auf der oberen Seite der freitragenden Wicklung erscheinen, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Biegen entstandenen Abschnitte (42,44) auf der Umfangsflächc eines gedachten Kegelstump-

·)() les liegen.

5. Freitragende Wicklung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Biegen entstandenen bogen form igen Abschnitte (42, 44) auf der Umfangsllüche eines Zylinders liegen.

6. Freitragende Wicklung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine ebene, sternförmige Gestalt aufweist.

7. Freitragende Wicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Biegen entstandenen Abschnitte (42, 44) auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes liegen.

8. Freitragende Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufdem Rand der Ausgangsspule (2, 6, 12) zwei Teilpunkte (63, 65) festgelegt sind.

9. Freitragende Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufdem Rand der Ausgangsspule (2, 6. 12) vier Teilpunkte (63, 65) festgelegt sind.