DE3515987C2

DE3515987C2 - Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten Drahtspule und die erhaltene Spule

Info

Publication number: DE3515987C2
Application number: DE3515987A
Authority: DE
Inventors: Erich 8500 Nürnberg Rabe
Original assignee: Individual
Current assignee: ORTO HOLDING AG LUXEMBURG/LUXEMBOURG LU
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE3515987A1

Abstract

Zur Herstellung einer mäanderförmigen Drahtspule (40) in Zylinderkonfiguration wird ein endloser Draht zu einer ein- oder mehrlagigen Spule mit einer gewünschten Anzahl paralleler Windungen gewickelt, und die gewickelte Spule zu einem Mäander verformt, dessen hin- und herführende Abschnitte (42, 43) untereinander parallel am Umfang eines Zylinders, vorzugsweise parallel zur Zylinderachse verlaufen. Die die hin- und herführenden Mäanderabschnitte (42, 43) verbindenden Wickelköpfe (39, 44) können ebenfalls am Zylinderumfang verlaufen oder aus der Zylinderkonfiguration heraus nach innen oder außen abgewickelt werden. Sowohl eine Zylinderspule wie eine Flachspule kann zu einer Mäanderspule (40) in Zylinderkonfiguration verformt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration. Weiterhin betrifft die Erfindung eine so erhältliche Drahtspule. Schließlich betrifft die Erfindung eine Drahtspulenanordnung, die durch Ineinanderanordnung mehrerer, elektrisch getrennter, erfindungsgemäßer Drahtspulen erhältlich ist.
Drahtspulen werden üblicherweise durch Wickeln erzeugt. Bestimmte Drahtspulenkonfigurationen lassen sich durch Formwickeln erhalten. So ist aus der DE-OS 19 15 847 ein Verfahren zur Herstellung von Wicklungen von Dynamomaschinen bekannt, wobei ein flaches leitendes Band wendelförmig gewickelt, die Wendel zur Bildung einer Wellenwicklung gebogen und die Wicklung in Kunstharz getauscht wird, während nebeneinander liegende Windungen der Wicklung außer Kontakt gehalten werden. Die fertige Wicklung weist eine gerade Anzahl sich im wesentlichen axial erstreckender Teile auf, wobei nebeneinander liegende Paare der sich axial erstreckenden Teile durch gekrümmte Endteile (Wickelköpfe) miteinander verbunden sind. Die bekannte Vorrichtung zur Verformung der zylindrischen Wendel weist eine Formstation im Sinne einer Zahnordnung mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten Zähnen bzw. Fingern auf. Mit der bekannten Vorrichtung wird die Zylinderspule an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen durch die Finger abgestützt und durch Verschiebung eines Schlittens an zwei weiteren diametral gegenüberliegenden Stellen nach unten gedrückt, bis die anfänglich ebene Wendel eine Wellenform annimmt. Eine Kalibrierhülse paßt schließlich den Durchmesser der wellenförmigen Spule an den Innendurchmesser des Jochs einer Dynamomaschine an, in dem die fertige Wicklung verwendet werden soll.
Die bekannte Vorrichtung ist zur Herstellung einer bestimmten Spule mit lediglich vier geraden, parallelen hin- bzw. herfahrenden Abschnitten ausgelegt, die aus einem Leitermaterial mit erheblichem Querschnitt bestehen.
Weiterhin ist aus der DE-OS 30 14 943 ein Spulenelement für einen Elektromotor bekannt, dessen Windungen wellenförmig am Umfang eines Zylinders verlaufen, wobei benachbarte, gerade hin- und herführende Wellenabschnitte über einen durch Faltung erzeugten Wickelkopf miteinander verbunden sind. Die Einsatzmöglichkeiten des bekannten Spulenelementes sind beschränkt, weil die geraden hin- und herführenden Wellenabschnitte nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, und deshalb nur eine mäßige Anpassung an eine vielpolige Gleichstrommaschine mit einer Anzahl paralleler, am Umfang eines Zylinders angeordneter Pole möglich ist.
Für eine vielpolige Gleichstrommaschine mit permanentmagnetischer Erregung und zylindrischem Luftspalt wird als Rotor- oder Statorwicklung eine wellenförmig gewickelte bzw. mäanderförmige Drahtspule in Zylinderkonfiguration mit ein- oder mehrlagiger Drahtanordnung gewünscht, wobei die einzelnen, geraden hin- und herführenden Wellen- bzw. Mäanderabschnitte - auch ohne die Anordnung innerhalb der Nuten eines Rückschlußmaterials - streng eine vorgegebene Anordnung (parallel und in bestimmten, gleichen Abständen zueinander, definierte Leiterbahnanzahl und -anordnung pro Wellenabschnitt) einhalten, um eine optimale Anpassung an die Polanordnung der Permanentmagnete und einen möglichst hohen Füllfaktor zu erzielen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfndung besteht darin, eine für diese Anwendung besser geeignete, wellenförmig gewickelte Drahtspule in Zylinderkonfiguration bereitzustellen sowie wenigstens eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Drahtspule anzugeben. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll eine aus mehreren solchen Drahtspulen gebildete Drahtspulenanordnung bereitgestellt werden, welche den zylindrischen Luftspalt einer vielpoligen Gleichstrommaschine mit permanentmagnetischer Erregung optimal ausfüllt.
Ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration, wobei ein fortlaufender Draht zu einer ein- oder mehrlagigen Spule mit einer gewünschten Anzahl paralleler Windungen gewickelt, und die gewickelte Spule in eine Wellenform gebracht wird, deren hin- und herführende Wellenabschnitte untereinander parallel am Umfang eines Zylinders verlaufen.
Ausgehend von einer dazu geeigneten Vorrichtung mit einer Zahnanordnung mit mehreren, im Abstand zueinander angeordneten Zähnen ist eine erste Alternative zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnanordnung zwei im Abstand zueinander angeordnete Zahnkränze aufweist, deren Zähne voneinander weg zeigen, wobei zwischen benachbarten Zähnen an jedem Zahnkranz je ein Sattel mit einem geraden absteigenden sowie mit einem geraden ansteigenden Flankenabschnitt ausgebildet ist, welche Flankenabschnitte unter einem 45°-Winkel zu einer Zylinderachsenparallelen verlaufen, und die Abschnitte der Spule nacheinander an diesen Flankenabschnitten anliegend, um einen Zahn des einen Zahnkranzes und dann um einen nächstfolgenden Zahn des anderen Zahnkranzes herumgelegt werden.
Eine zweite Alternative zur Lösung obiger Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die wenigstens aufweist:

- eine Grundplatte, die im Abstand um eine motorisch angetriebene Welle herum einer archimedischen Spirale folgende Führungsnuten aufweist;
- ferner einen mit der Welle koppelbaren Vorschubapparat, der seinerseits aufweist:
- - einen Zylinderumfang zur Herstellung einer ein- oder mehrlagigen Zylinderspule mit der gewünschten Windungszahl;
- - ferner in regelmäßigen Abständen alternierend angeordnete erste Greifelemente und zweite Greifelemente zur Erfassung der gewickelten Spule;
- - ferner diesen Greifelementen zugeordnete Schieber, an denen sich Führungsnasen befinden, welche in die Führungsnuten der archimedischen Spirale einsetzbar sind; und
- - ferner mit zwei kegelstumpfförmigen, mit ihren Grundflächen aufeinander zuweisenden Abschnitten, die innerhalb des Zylinderumfangs angeordnet sind, wobei der erste Abschnitt die ersten Greifelemente und der zweite Abschnitt die zweiten Greifelemente führt,

Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die wellenförmig gewickelte Drahtspule.
Ausgehend von einer Drahtspule mit einer Anzahl Windungen in ein- oder mehrlagiger Anordnung, wobei alle Windungen wellenförmig am Umfang eines Zylinders verlaufen, und benachbarte, gerade, hin- und herführende Wellenabschnitte über einen durch Faltung erzeugten Wickelkopf miteinander verbunden sind, ist die Lösung obiger, der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß je Wickelkopf zwei Faltungen vorgesehen sind; und die geraden hin- und herführenden Wellenabschnitte parallel zueinander ausgerichtet sind und jeweils gleichen Abstand zueinander einhalten.
Ein dritter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Drahtspulenanordnung, bei welcher mehrere solcher Drahtspulen ineinander angeordnet sind, wobei die Wellenabschnitte aller Spulen am Umfang des gleichen Zylinders um die gemeinsame Zylinderachse herum angeordnet sind und Überlappungen lediglich im Bereich der Wickelköpfe auftreten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäß erhältliche wellenförmig gewickelte Drahtspule in Zylinderkopfkonfiguration ist hervorragend für verschiedene Anwendungen geeignet, bei denen es auf eine niedrige Eigeninduktivität ankommt. Beispielsweise können die erfindungsgemäß erzeugten Spulen als Energiewandler in Generatoren, vor allem aber wegen ihrer kleinen elektrischen Zeitkonstanten als Antriebsspulen bei den verschiedensten motorischen Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere ergeben die erfindungsgemäßen, wellenförmig bzw. mäanderförmig gewickelten Drahtspulen in Zylinderkonfiguration einen hohen Füllfaktor im zylinderförmigen magnetischen Luftspalt einer elektrischen Maschine. Solche wellenförmig gewickelten Zylinderspulen sind hervorragend für Hochfrequenzmaschinen geeignet. Dank der mäanderförmigen bzw. wellenförmigen Anordnung fällt gegenüber herkömmlichen Spulen ein Wickelkopf weg, so daß die fertige Wellenspule einen geringeren Ohm'schen Widerstand aufweist.
Für solche Anwendungen entscheidend sind die geraden, parallelen, im gleichen Abstand zueinander angeordneten, hin- und herführenden Wellenabschnitte der Drahtspule, denn diese erzeugen nach Gleichstromversorgung bei geeigneter Kommutierung ein einen Permanentmagnetrotor antreibendes Moment, oder in diesen Abschnitten wird bei generatorischer Anwendung eine Wechselspannung induziert, die von Bauweise und Drehzahl abhängig ist. Die Erfindung gewährleistet auch bei vergleichsweise kleinen wellenförmig gewickelten Drahtspulen in Zylinderkonfiguration mit einem Durchmesser von lediglich einigen Zentimetern eine streng geometrisch parallele Anordnung aller Windungen entsprechend der Wellenkonfiguration innerhalb der vorgesehenen Drahtlage(n), eine exakte Parallelführung aller hin- und herführenden Wellenabschnitte und die gleiche Lückenbreite zwischen geraden, parallelen, hin- oder herführenden Wellenabschnitten.
Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können ein- oder mehrlagige wellenförmig gewickelte Drahtspulen in Zylinderkonfiguration erzeugt werden. Hinsichtlich der Drahtlagenanzahl bestehen keine besonderen Beschränkungen, soweit die nachträgliche Verformung der vorher gewickelten Spule zu einer Wellenanordnung gewährleistet bleibt. Auch bei Spulen mit fünf oder sechs Drahtlagen tritt keine Veränderung der magnetischen Wirkungen ein. Beispielsweise erlaubt die Erfindung die Herstellung einlagiger Drahtspulen in Zylinderkonfiguration mit einer streng zylinderförmigen Anordnung der einzigen Drahtlage. Alle hin- und herführenden Wellenabschnitte befinden sich auf dem gleichen, einem bestimmten Radius entsprechenden Umfang um die Zylinderachse herum; bei Bedarf können auch alle Wickelköpfe lediglich auf diesem Umfang angeordnet sein. Derartige Spulen können vorteilhaft in elektronisch kommutierten, vielpoligen Gleichstrommotoren mit zylindrischem Luftspalt als Rotor- oder Statorwicklung verwendet werden, weil ein hohes Drehmoment in einem engen Luftspalt erzielbar ist.
Weil die Erfindung die Herstellung von wellenförmig gewickelten Drahtspulen in Zylinderkonfiguration mit präziser, stabilisierter Anordnung erlaubt, ist es möglich, zwei oder mehr Drahtspulen so ineinander anzuordnen, daß sich sämtliche, parallelen, hin- und herführenden Wellenabschnitte der elektrisch voneinander getrennten Spulen auf dem gleichen Zylinderumfang um die gemeinsame Zylinderachse herum befinden und damit gemeinsam bei entsprechender Kommutierung ein Drehfeld erzeugen. Lediglich im Bereich der Wickelköpfe tritt eine Überlappung auf, die jedoch außerhalb des magnetischen Luftspaltes einer eleketrischen Maschine angeordnet werden kann. Eine solche Drahtspulenanordnung ist besonders zweckmäßig als Statorwicklung für einen elektronisch kommutierten, vielpoligen Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt, weil mit einer vergleichsweise einfachen Ansteuerschaltung eine exakte Kommutierung zur Erzeugung eines den Rotor antreibenden Magnetfeldes erzeugt werden kann.
Das Leitermaterial, die Stärke und die Querschnittsform des zum Herstellen der Drahtspule verwendeten Drahtes sind nicht besonders beschränkt. Es kommen übliche Leitermaterialien in Betracht, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium und in Sonderfällen auch Silber. Die Drahtstärke liegt im üblichen Bereich und kann beispielsweise von 0,01 mm, insbesondere von 0,1 mm bis zu einigen Millimetern reichen. Der Drahtquerschnitt kann rund oder eckig sein, beispielsweise quadratisch oder rechteckig sein. Mit einem quadratischen oder rechteckigen Leiterquerschnitt läßt sich ein höherer Füllfaktor erzielen. Beispielsweise kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung rechteckiger Draht zu einer einlagigen Wellenspule in Zylinderkopfkonfiguration verarbeitet werden, bei welcher der Draht mit seiner Hauptfläche radial zur Zylinderachse ausgerichtet ist. Hierdurch kann ein besonders hoher Füllfaktor erzielt und ein homogenes Magnetfeld erzeugt werden. Auch sogenannter "Lametta-Draht" kann verwendet werden.
Sofern eine solche Spule als Statorwicklung bei einem elektrisch kommutierten, vielpoligen Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt verwendet werden soll, kann die Spule jeweils mit einer Drahtschmalseite an einem magnetischen Rückschlußteil angelegt, und die Spule in dieser Anordnung fixiert werden. Die fixierte Anordnung kann daraufhin abgedreht werden. Gegebenenfalls vorhandene, die Isolierung zwischen benachbarten Windungen überbrückende Drahtfäden können durch Abätzen entfernt werden. Daraufhin kann erneut eine Lage Isoliermittel aufgebracht werden. Auf diese Weise wird eine optimal runde wellenförmig gewickelte Spulenanordnung in Zylinderkonfiguration mit minimalem Abstand zur Rotorumlaufbahn erhalten.
Typischerweise wird ein isolierter Draht verwendet. Die in der Fachwelt üblichen Isoliermittel sind geeignet, wie etwa die verschiedenen Isolierlacke auf Kunststoffbasis oder Seide.
In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Leiter mit einem Doppelmantel zu beschichten, bei dem die Innenschicht in erster Linie der Isolierung dient, und die Außenschicht aus einem härtbaren Kunststoff besteht, der thermisch oder strahlungsinduziert ausgehärtet werden kann und so eine bestimmte Spulenkonfiguration stabilisiert. Auch die Verwendung sogenannter Back-Lack-Drähte ist möglich.
Auch die Anzahl der Windungen ist nicht besonders begrenzt. Um die Vorteile der Erfindung voll zu nutzen, soll die fertige Drahtspule wenigstens aus einigen geometrisch parallel angeordneten Windungen bestehen. Für die Verwendung als Statorwicklung in einem elektronisch kommutierten, vielpoligen Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt wird die Windungszahl pro Drahtlage - abhängig von der Drahtstärke - vorzugsweise dahingehend gewählt, daß die Breite eines hin- oder herführenden Wellenabschnittes kleiner als die Polbreite ist, weil sonst die parallelen Leiterabschnitte eines hin- oder herführenden Wellenabschnittes stets dem Magnetfeld von zwei entgegengesetzten Magnetpolen ausgesetzt wären. Besonders bevorzugt soll die Wellenabschnittsbreite die halbe Polbreite nicht übersteigen, weil dann mit einer vergleichsweise einfachen Schaltung eine exakte Kommutierung in den Null--Durchgängen zwischen zwei benachbarten Permanentmagnetpolen erreicht werden kann. In Abhängigkeit von den Leiterquerschnittsabmessungen wird die maximale Anzahl Windungen in einer Drahtlage entsprechend gewählt. Bei beispielhaften Spulen für diese Anwendung haben sich Windungszahlen von 15 bis 25 Windungen aus einem 0,15 bis 0,5 mm starken Draht bei einlagiger Drahtanordnung gut bewährt.
Zur Verformung einer gewickelten Spule zu einer wellenförmig gewickelten Drahtspule mit Zylinderkopfkonfiguration können erfindungsgemäß verschiedene Vorrichtungen vorgesehen werden.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit welcher eine zylinder- oder scheibenförmig gewickelte Spule beliebiger Konfiguration nach Stabilisierung der Windungen in gegenseitig paralleler, lagenstabilisierter Anordnung zu einer Wellenspule verformt werden kann. Mit einer besonders einfachen Vorrichtung wird eine Wellenspule erhalten, die am oberen und unteren Ende der geraden, hin- und herführenden Wellenabschnitte jeweils doppelte Spulenstärke aufweist. Die geometrisch parallele Anordnung aller Spulenwindungen ist besonders präzise, weil von einer bereits stabilisierten Spule ausgegangen wird, und im weiteren Verlauf keine nennenswerten, insbesondere keine unterschiedlichen mechanischen Spannungen in Längsrichtung des Drahtes auf die verschiedenen Windungen auftreten. Diese Ausführungsform ist besonders gut geeignet zur Herstellung von wellenförmig gewickelten Drahtspulen mit langen hin- und herführenden Wellenabschnitten.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird aus einem endlosen Draht eine Zylinderspule gewickelt. Diese Zylinderspule wird von einer Anzahl erster und zweiter Greifelemente gepackt und so längs eines virtuellen, sich verjüngenden Kegelstumpfabschnittes verschoben, daß simultan der Spulendurchmesser verringert und die geraden hin- und herführenden Wellenabschnitte erzeugt werden. Diese Verschiebung kann in der Querschnittsebene der Zylinderspule erfolgen.
Nach dieser Ausführungsform kann eine wellenförmig gewickelte Drahtspule in Zylinderkonfiguration erhalten werden, bei welcher alle Wicklungen in ihrer Vorzugsebene bleiben. Auch die Wickelköpfe weisen lediglich die Materialstärke der Spule auf. Zwischen allen, sich gegenüberliegenden, gegenseitig isolierten Wicklungsabschnitten kann lediglich die Schrittspannung auftreten, so daß eine solche Spule insbesondere für den Betrieb mit höheren Spannungen geeignet ist.
Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letzteren zeigen
Fig. 1 in schematischer Seitendarstellung eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus der mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erhältlichen wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration;
Fig. 3 in einer schematischen Schnittdarstellung eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration;
Fig. 4 am Umfang eines rohrförmigen Rückschlußteils einen Ausschnitt aus einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration, wobei die Wickelköpfe gegenüber den geraden, hin- und herführenden Wellenabschnitten abgewinkelt sind;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkopffiguration, die zusätzlich in eine U-förmige Anordnung gebracht worden ist; und
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Drahtspulenanordnung aus zwei elektrisch getrennten, ineinander angeordneten, wellenförmig gewickelten Drahtspulen in Zylinderkonfiguration.
Fig. 1 zeigt eine Zahnanordnung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Zahnanordnung 10 weist einen oberen Zahnkranz 11 und einen unteren Zahnkranz 15 auf, die aufeinander zu und voneinander weg verschiebbar an einer gemeinsamen (nicht dargestellten) Halterung angebracht sind. Der obere Zahnkranz 11 weist eine Anzahl längs des Umfangs eines Zylinders angeordnete Zähne oder Zinnen 12 auf. Zwischen je zwei benachbarten Zähnen 12 befindet sich ein Sattel mit dem geraden, absteigenden Flankenabschnitt 13 und dem geraden ansteigenden Flankenabschnitt 14. Alle Flankenabschnitte 13 und 14 verlaufen unter einem 45°-Winkel zu einer Zylinderachsenparallelen. Die Länge der Flankenabschnitte 13, 14 ist an die herzustellende Drahtspule angepaßt und beträgt das 1,4-fache der Spulenbreite bzw. des hin- und herführenden geraden Wellenabschnittes. Ein beispielhafter Zahnkranz 11 kann 40 Zähne 12 längs eines Kreises mit einem Durchmesser von 6 cm aufweisen. Der Zahnkranz 11 einschließlich der Zähne 12 besteht aus einem vergleichsweise dünnen, stabilen Material, beispielsweise Aluminiumblech, und weist wenigstens im Bereich der Flankenabschnitte 13 und 14 abgerundete Kanten auf, so daß eine Beschädigung des Leiterdrahtes und dessen Isolierung vermieden wird.
Der Zahnkranz 15 ist analog zum Zahnkranz 11 aufgebaut, wobei jedoch die Zähne 16 des Zahnkranzes 15 auf Lücke zu den Zähnen 12 angeordnet sind, sofern eine wellenförmig gewickelte Drahtspule in Zylinderkonfiguration angestrebt wird, deren hin- und herführende Wellenabschnitte parallel zur Zylinderachse verlaufen. Die Zähne 12 und 16 der Zahnkränze 11 und 15 sind voneinander weg gerichtet.
Zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten bzw. mäanderförmigen Drahtspule in Zylinderkonfiguration mit dieser Zahnanordnung 10 kann von einer Flachspule oder einer Zylinderspule beliebiger Konfiguration ausgegangen werden.
Beispielsweise kann zur Erzeugung der Ausgangsspule ein endloser Draht um zwei im ausgewählten Abstand zueinander angeordneten Stifte zu einer Zylinderspule gewickelt werden. Diese Ausgangsspule wird stabilisiert, nämlich die einzelnen Windungen in ihrer parallelen Anordnung zueinander fixiert, was beispielsweise durch Tränken der gewickelten Spule mit einem aushärtbaren Kunstharz und nachfolgender Aushärtung erfolgen kann.
Nachdem der passende Abstand zwischen den beiden Zahnkränzen 11 und 15 eingestellt worden ist, wird ein Spulenabschnitt um die beiden Flankenabschnitte 13 und 14 eines Zahns 12 herumgelegt, die anhängenden Spulenabschnitte daraufhin auf den gegenüberliegenden Zahnkranz 15 zugeführt und dort um die Flankenabschnitte des gegenüberliegenden Zahns 16 herumgelegt. In dieser Weise wird die Verformung der Ausgangsspule fortgesetzt, bis die gesamte Spulenlänge um die Zähne 12, 16 der Zahnanordnung 10 herumgeschlungen ist. Das Aufbringen der letzten Spulenschleife kann daduch erleichtert werden, daß dort die Höhe des letzten Zahns vermindert ist oder dieser letzte Zahn völlig fehlt.
Nachdem die gesamte Ausgangsspule in die Wellenanordnung gebracht worden ist, kann der Abstand zwischen den beiden Zahnkränzen 11 und 15 geringfügig vergrößert werden, um die einzelnen hinführenden Wellenabschnitte 17 und herführenden Wellenabschnitte 18 exakt gerade und streng parallel zur Zylinderachse auszurichten. Bei Bedarf kann die Spule in dieser Anordnung nochmals stabilisiert werden.
Daraufhin werden die Zahnkränze 11 und 15 aufeinander zubewegt, bis die Wickelköpfe 19 die Zähne 12 bzw. 16 überragen, so daß die fertige Drahtspule der Zahnanordnung 10 entnommen werden kann.
Fig. 2 zeigt einen Abschnitt der danach erhaltenen wellenförmig gewickelten Drahtspule 20 in Zylinderkonfiguration. Eine beispielhafte Mäanderspule 20 kann eine einlagige Drahtanordnung mit 20 Windungen pro hin- und herführenden Wellenabschnitten 17, 18 aufweisen, deren Länge ca. 20 mm beträgt.
Die Drahtspule 20 kann beispielsweise als Statorwicklung in einem elektronisch kommutierten, vielpoligen Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt verwendet werden. In einem solchen Falle wird die Drahtspule 20 am Umfang eines ringförmigen Rückschlußteils aus magnetischem Material angeordnet und dort schwingungsfrei befestigt, beispielsweise angeklebt. Der Bereich der Wickelköpfe 19 wird über den oberen bzw. unteren Rand des Rückschlußteils hinweg nach innen abgewinkelt, so daß lediglich die einlagigen geraden, zur Zylinderachse parallelen, hin- und herführenden Wellenabschnitte 17 und 18 im magnetischen Luftspalt verbleiben. Auf diese Weise kann eine außerordentlich schmale Antriebsebene verwirklicht werden, die trotzdem ein hohes Drehmoment liefert.
Mit Bezugnahme auf Fig. 3 wird nachstehend eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Wickelmaschine und die damit mögliche Verformung einer Zylinderspule zu einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration erläutert.
Zu den wesentlichen mit Fig. 3 dargestellten Bestandteilen der Wickelmaschine 90 gehören eine Grundplatte 91, eine motorisch angetriebene Welle 92 und ein Vorschubapparat 93, der seinerseits erste Greifelemente 94, zweite Greifelemente 95 und Schieber 96 umfaßt. Im Abstand zur Welle 92 um diese herum sind in der Grundplatte 91 die Nuten 97 einer archimedischen Spirale ausgespart. Jedem Greifelement 94, 95 ist je ein Schieber 96 zugeordnet, und eine Führungsnase 98 an jedem Schieber 96 vermag in diese Nuten 97 einzugreifen. Die ersten Greifelemente 94 und die zweiten Greifelemente 95 sind alternierend am Umfang A eines Zylinders angeordnet und mit dem jeweils zugeordneten Schieber 96 über eine am Schieber 96 schwenkbar angelenkte Halterung verbunden. Die Gesamtanzahl der ersten und zweiten Greifelemente 94, 95 entspricht der Anzahl der geraden hin- und herführenden Wellenabschnitte der angestrebten Drahtspule. Die ersten Greifelemente 94 weisen an ihrem unteren Ende eine Führung auf, mit welcher sie längs der ansteigenden schiefen Ebene eines ersten kegelstumpfförmigen Abschnittes 99 geführt werden. Die zweiten Greifelemente 95 weisen an ihrem unteren Ende eine Führung auf, mit welcher sie längs der absteigenden schiefen Ebene eines zweiten kegelstumpfförmigen Abschnittes 100 geführt werden. Bei diesen Führungselementen kann es sich beispielsweise um drehbare Rädchen 101 handeln.
Die entsprechenden "schiefen Ebenen" lassen sich dadurch realisieren, daß die beiden kegelstumpfförmigen Abschnitte 99, 100 mit ihren Grundflächen aufeinander zuweisen.
Anfänglich sind Vorschubapparat 93 und Grundplatte 91 miteinander gekoppelt und werden von der Welle 92 gemeinsam in Rotation versetzt. Der über die Führungsrolle 103 zugeführte Draht 102 wird am Zylinderanfang A zu einer ein- oder mehrlagigen Zylinderspule 104 mit der gewünschten Anzahl Windungen gewickelt. Die fertige Zylinderspule 104 wird in regelmäßigen Abständen alternierend von den ersten Greifelementen 94 und zweiten Greifelementen 95 gepackt. Daraufhin werden Vorschubapparat 93 und Grundplatte 91 entkoppelt, der Vorschubapparat 93 angehalten, und im Verlauf der weiteren Rotation der Grundplatte 91 greifen die Führungsnasen der Schieber 96 in die der rotierenden archimedischen Spirale folgenden Führungsnuten 97 ein und verschieben die einzelnen Greifelemente 94 und 95 gezielt nach innen auf die Welle 92 zu. Gleichzeitig gelangen die ersten Greifelemente 94 auf die ansteigende schiefe Ebene des ersten kegelstumpfförmigen Abschnittes 99 und werden von dieser nach oben geführt; ferner gelangen die zweiten Greifelemente gleichzeitig auf die absteigende schiefe Ebene des zweiten kegelstumpfförmigen Abschnittes 100 und werden von dieser nach unten geführt. Die Steigung der archimedischen Spirale ist an die Neigungen der kegelstumpfförmigen Abschnitte 99, 100 angepaßt, so daß die Verringerung des Spulendurchmessers angepaßt an die Erzeugung der Wellenabschnitte erfolgt, um die neutralen Zonen der Zylinderspule 104 verschiebungskräftefrei zu verformen. Dadurch kann bei der Verformung eine gegenseitige Verschiebung der einzelnen Windungen vermieden werden.
Nach Vervollständigung der Verformung kann die fertige, wellenförmig gewickelte Drahtspule stabilisiert werden. Daraufhin werden die Backen der Greifelemente 94, 95 geöffnet, die Greifelemente 94, 95 noch etwas weiter nach innen verschoben, und dadurch die fertige Wellenspule in Zylinderkonfiguration freigegeben werden.
Nach Entnahme aus der Wickelmaschine erstrecken sich die hin- und herführenden Wellenabschnitte und die Wickelköpfe der Drahtspule längs des Umfangs eines Zylinders in axialer Richtung. Mittels einer geeigneten Stempel/Zylinder-Anordnung können dann die Wickelköpfe aus der Umfangsfläche heraus abgewickelt werden.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann es im Einzelfall zweckmäßig sein, die hin- und herführenden, geraden Wellenabschnitte 42 und 43 unmittelbar am Umfang eines ringförmigen Rückschlußteils 45 anzulegen und mit einer angepaßten - nicht dargestellten - Hohlzylinderanordnung die Wickelköpfe abzuwinkeln. Es wird eine in Fig. 4 schematisch und ausschnittsweise dargestellte Anordnung erhalten, bei welcher sich die geraden, parallelen, hin- und herführenden Wellenabschnitte 42 und 43 der fertigen, wellenförmig gewickelten Drahtspule 40 in Zylinderkonfiguration am Umfang eines ringförmigen Rückschlußteils 45 befinden. Die Wickelköpfe 39 und 44 sind abgewinkelt und befinden sich außerhalb der Zylinderkonfiguration.
Nach einer alternativen Ausführungsform können die ausreichend lang gewählten Wellenabschnitte einer wellenförmig gewickelten Drahtspule auch am Innenumfang und am Außenumfang eines ringförmigen Rückschlußteils angelegt werden. Es resultiert eine U-förmige Drahtspule 50 in im wesentlichen Zylinderkonfiguration, wie sie ausschnittsweise mit Fig. 5 dargestellt ist. Die Wickelköpfe 53 und 54 können aus der Zylinderkonfiguration heraus abgewinkelt werden. An einem ringförmigen Rückschlußteil 55 passender Abmessungen angelegt und befestigt, können die hin- und herführenden Wellenabschnitte 51 und 52 dieser U-förmigen Wellenspule 50 in "doppelter" Zylinderkopffiguration innerhalb des Hohlraums eines ringförmigen Permanentmagnet-Rotors mit U-förmigem Querschnitt eine besonders hohe EMK erzeugen.
Zwei oder mehr erfindungsgemäß erzeugte, wellenförmig gewickelte Drahtspulen in Zylinderkonfiguration können zu einer Drahtspulenanordnung ineinander gefügt werden, bei der sämtliche hin- und herführenden Wellenabschnitte der elektrisch voneinander getrennten Drahtspulen am Umfang eines Zylinders um die gemeinsame Zylinderachse herum angeordnet sind, und Überlappungen lediglich im Bereich der Wickelköpfe auftreten. Wird eine solche Drahtspulenanordnung als Statorwicklung in einer elektrischen Maschine mit zylindrischem Luftspalt verwendet, so kann bei einlagiger Ausführung aller Drahtspulen die Breite des magnetischen Luftspaltes extrem gering gehalten werden und beträgt nur wenig mehr als die Drahtstärke. Dadurch kann praktisch der gesamte Umfang eines ringförmigen Rückschlußteils mit den zur Erzeugung einer EMK wirksamen hin- und herführenden Wellenabschnitten verschiedener Spulen in optimaler Anordnung belegt werden. Es kann ein maximaler Füllfaktor bei geringem Ohm'schen Widerstand in einem engen magnetischen Luftspalt realisiert werden, weil im Luftspalt keine Überkreuzungen der Wellenabschnitte auftreten. Dank der elektrischen Trennung können verschiedene Spulen elektrisch phasenverschoben angesteuert werden, was insbesondere für die Anwendung einer solchen Drahtspule als Statorwicklung in einem elektronisch kommutierten, vielpoligen Gleichstrommotor wünschenswert ist.
Die Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Drahtspulenanordnung 110, die aus zwei gegenseitig ineinander angeordneten, jedoch elektrisch getrennten, wellenförmig gewickelten Drahtspulen 111 und 115 besteht. Je ein Wellenabschnitt 112 der einen Drahtspule 111 befindet sich am gleichen Zylinderumfang innerhalb der Lücke zwischen zwei benachbarten, hin- und herführenden Wellenabschnitten 116, 117 der anderen Drahtspule 115. Vorzugsweise entspricht die Breite "b" des Wellenabschnittes 112 der Lückenbreite "c" zwischen den beiden anderen Wellenabschnitten 116, 117, so daß praktisch der gesamte Zylinderumfang mit Draht belegt werden kann. Die Wickelköpfe 114, 118 sind aus der Zylinderkonfiguration abgewinkelt, so daß die erforderlichen Überkreuzungen nicht im Bereich des Zylinderumfangs auftreten.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmig gewickelten Drahtspule in Zylinderkonfiguration, wobei ein fortlaufender Draht zu einer ein- oder mehrlagigen Spule mit einer gewünschten Anzahl paralleler Windungen gewickelt, und die gewickelte Spule in eine Wellenform gebracht wird, deren hin- und herführende Wellenabschnitte untereinander parallel am Umfang eines Zylinders verlaufen, unter Verwendung einer Zahnanordnung mit mehreren, im Abstand zueinander angeordneten Zähnen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zahnanordnung (10) zwei im Abstand zueinander angeordnete Zahnkränze (11, 15) aufweist, deren Zähne (12, 16) voneinander weg zeigen, wobei zwischen benachbarten Zähnen an jedem Zahnkranz je ein Sattel mit einem geraden absteigenden sowie mit einem geraden aufsteigenden Flankenabschnitt (13 und 14) ausgebildet ist, welche Flankenabschnitte (13, 14) unter einem 45°-Winkel zu einer Zylinderachsenparallelen verlaufen; und
die Abschnitte der Spule nacheinander an diesen Flankenabschnitten anliegend, um einen Zahn (12) des einen Zahnkranzes (11) und dann um einen nächstfolgenden Zahn (16) des anderen Zahnkranzes (15) herumgelegt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zahnkränze (11, 15) geringfügig voneinander weg bewegbar sind, um die geraden hin- und herführenden Wellenabschnitte zu straffen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (12) des einen Zahnkranzes (11) auf Lücke zu den Zähnen (16) des anderen Zahnkranzes (15) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jeden Flankenabschnittes (13, 14) der 1,4-fachen Breite (b) der Spule entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Straffung der hin- und herführenden parallelen Wellenabschnitte die beiden Zahnkränze (11, 15) wieder aufeinander zu bewegbar sind, um die fertige Wellenspule (20) über die Zähne (12, 16) hinweg aus der Zahnanordnung (10) zu entnehmen.

6. Vorrichtung zur Herstellung einer wellenförmigen Drahtspule in Zylinderkonfiguration, wobei ein fortlaufender Draht zu einer ein- oder mehrlagigen Spule mit einer gewünschten Anzahl paralleler Windungen gewickelt und die gewickelte Spule in eine Wellenform gebracht wird, deren hin- und herführende Wellenabschnitte untereinander parallel am Umfang eines Zylinders verlaufen, gekennzeichnet durch

- eine Grundplatte (91), die im Abstand um eine motorisch angetriebene Welle (92) herum einer archimedischen Spirale folgende Führungsnuten (97) aufweist;

- ferner einen mit der Welle (92) koppelbaren Vorschubapparat (93), der seinerseits aufweist:

- einen Zylinderumfang (A) zur Herstellung einer ein- oder mehrlagigen Zylinderspule mit der gewünschten Windungsanzahl;

- ferner in regelmäßigen Abständen alternierend angeordnete erste Greifelemente (94) und zweite Greifelemente (95) zur Erfassung der gewickelten Spule;

- ferner diesen Greifelementen (94, 95) zugeordnete Schieber (96), an denen sich Führungsnasen (98) befinden, welche in die Führungsnuten (97) der archimedischen Spirale einsetzbar sind; und

- ferner mit zwei kegelstumpfförmigen, mit ihren Grundflächen aufeinander zuweisenden Abschnitten (99, 100), die innerhalb des Zylinderumfangs (A) angeordnet sind, wobei der erste Abschnitt (99) die ersten Greifelemente (94) und der zweite Abschnitt (100) die zweiten Greifelemente (95) führt,

wobei zur Spulenherstellung über die Welle (92) der Vorschubapparat (93) gemeinsam mit der Grundplatte (91) in Rotation versetzbar ist; und
zur Spulenverformung der Vorschubapparat (93) gegenüber der Welle (92) anhaltbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der archimedischen Spirale an die Neigung der beiden Kegelstumpfabschnitte (99, 100) angepaßt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einrichtung zur Stabilisierung der gewickelten Spule vorhanden ist, bevor diese Spule in die Wellenform gebracht wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht mit eckigem, insbesondere rechteckigem Drahtquerschnitt verarbeitbar ist.

10. Drahtspule mit einer Anzahl Windungen in ein- oder mehrlagiger Anordnung, wobei alle Windungen wellenförmig am Umfang eines Zylinders verlaufen, und benachbarte, gerade, hin- und herführende Wellenabschnitte über einen durch Faltung erzeugten Wickelkopf miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß je Wickelkopf zwei Faltungen vorgesehen sind; und die geraden hin- und herführenden Wellenabschnitte parallel zueinander ausgerichtet sind und jeweils gleichen Abstand zueinander einhalten.

11. Drahtspulenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drahtspulen nach Anspruch 10 ineinander angeordnet sind, wobei die Wellenabschnitte (112, 113; 116, 117) aller Spulen (111, 115) am Umfang des gleichen Zylinders um die gemeinsame Zylinderachse herum angeordnet sind; und Überlappungen lediglich im Bereich der Wickelköpfe (114, 118) auftreten.

12. Drahtspulenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drahtspulen (111, 115) ineinander angeordnet sind.

13. Drahtspulenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein gerader Wellenabschnitt (112) der einen Drahtspule (111) im wesentlichen die Lückenbreite "C" zwischen zwei benachbarten, geraden parallelen Wellenabschnitten (117, 118) der anderen Drahtspule (116) ausfüllt.

14. Drahtspulenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtspulen (111, 116) einlagige Drahtanordnung aufweisen.