DE60026075T2

DE60026075T2 - Spulenwickelverfahren und spulenwickelvorrichtung mit einem axial verstellbaren dorn

Info

Publication number: DE60026075T2
Application number: DE60026075T
Authority: DE
Inventors: B. Matthew Phoenix MCEWEN
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: DE60026075D1; EP1243008B1; US6357690B1; EP1243008A1; WO2001050485A1; ATE318006T1

Description

1. TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Dorn zum Wickeln einer Spule und Verfahren für dessen Verwendung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen axial verstellbaren Dorn zum Wickeln einer Spule und Verfahren für dessen Verwendung.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK UND DER TECHNISCHEN PROBLEME
Präzisionsgewickelte Spulen werden für verschiedene Anwendungen genutzt, wie beispielsweise in faseroptischen Gyroskopen. Spulen für derartige Anwendungen müssen präzise und symmetrisch gewickelt werden. Jegliche Asymmetrie bringt Fehler in das Gyroskop. Um solche Spulen präzise zu wickeln, wird ein Wickeldorn verwendet. Ein Wickeldorn ist eine Schablone, auf die eine Spule gewickelt und auf der sie weiterverarbeitet werden kann. Zu solchen Spulen können faseroptische Spulen, elektrische Spulen oder dergleichen gehören. Lediglich zum Zweck der Veranschaulichung und ohne darauf beschränkt zu sein, wird die Spule im weiteren als eine faseroptische Spule beschrieben. Zur Verarbeitung kann das Ändern der Temperatur der Spule, eine chemische Behandlung der Spule oder dergleichen gehören. Ein Spulenmaterial, wie beispielsweise eine faseroptische Spule, wird präzise auf den Wickeldorn gewickelt, um die Spulensymmetrie zu optimieren. Während des Wickelprozesses dient der Wickeldorn zur Unterstützung der exakten Ausrichtung der Spule. Vor dem Wickelprozess oder während des Wickelprozesses kann ein Klebstoff auf die Faser aufgebracht werden. Wenn der Wickelprozess beendet ist, wird die Spule erwärmt, abgekühlt und/oder bei Raumtemperatur belassen, um den Klebstoff auszuhärten. Während der anschließenden Aushärtung dient der Wickeldorn zur Beibehaltung der Ausrichtung der Spule. Nach dem Aushärtungsprozess wird die Spule von dem Wickeldorn heruntergenommen, so dass eine Spule übrig bleibt, die für sich allein weiterverwendet werden kann.
In der Vergangenheit bestanden Wickeldorne aus einem Kern, um den herum die Spule gewickelt wird, und zwei festen Flanschen an den Enden des Kerns, welche die Ränder der Spule bildeten. Das Wickeln der ersten Schicht der Spule ist von entscheidender Bedeutung, weil die erste Schicht zu der Schablone und dem Muster wird, welche die Beabstandung und Anordnung der nachfolgenden Schichten bestimmen. Der axiale Abstand zwischen den Endflanschen wird idealerweise so gewählt, dass die Ausrichtung der ersten Schicht unterstützt wird. Wenn der axiale Abstand zu groß oder zu klein ist, zum Beispiel wegen Schwankungen des Faserdurchmessers des Spulenmaterials, so liegen die Spulenwindungen nicht dicht beieinander, und die notwendige Präzision der ersten Schicht kann nicht erreicht werden. Um dieses Problem zu überwinden, verwendeten manche Wickeldorne einen genuteten Kern, um die erste Schicht der gewickelten Spule korrekt zu positionieren. Jedoch muss für jede Spule mit einem anderen Faserdurchmesser ein anderer genuteter Kern verwendet werden, was unpraktisch und teuer ist. Darüber hinaus haben die Faserdurchmesser Toleranzen, die sich bei der Verarbeitung der Spule ändern können. Folglich kann ein genuteter Kern mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen je Schicht solche Änderungen der Faserdurchmessertoleranzen nicht ausgleichen.
Andere Wickeldorne nach dem Stand der Technik haben eine glatte Oberfläche. Das Aufwickeln einer Spule auf einen Wickeldorn mit glatter Oberfläche ist schwierig, weil keine Nuten vorhanden sind, um jede Windung der Spule auf der Wickeldornoberfläche zu führen. Die Wickeldorne nach dem Stand der Technik, sowohl mit genuteter als auch mit glatter Oberfläche, verwenden feste Flansche mit einer vorgegebenen Spulenhöhe, wobei die Spulenhöhe der axiale Abstand zwischen den beiden Flanschen ist. Die Spulenhöhe von Wickeldornen mit festen Flanschen kann während des Wickelns oder Aushärtens nicht verstellt werden. Die feste Spulenhöhe kann dazu führen, dass sich ein oder beide feste Flansche verformen oder dass die Flansche die Spule während des Aushärtens zerdrücken. Ein solches Problem hängt von dem Betrag der Ausdehnung und/oder Schrumpfung der Spule während des Aushärtens ab. Die Wickeldorne nach dem Stand der Technik mit festen Flanschen gestatten kein Ausdehnen und/oder Zusammenziehen des Spulenmaterials während eines Aushärtungsprozesses. Dementsprechend kann ein Ausdehnen des Spulenmaterials gegen die festen Flansche zu einem inakzeptablen Verziehen einer Präzisionsspule führen, und ein Zusammenziehen kann zu einer Fehlausrichtung der dicht beieinander liegenden Spulenschichten führen.
Des Weiteren ist die Auswirkung einer Temperaturänderung auf einen genuteten Wickeldorn während des Aushärtens noch dramatischer. Während eines solchen Aushärtungsprozesses kann sich eine Spule, die in die Nuten hineingewickelt wird, mit einer anderen Rate ausdehnen als das Wickelkernmaterial. Dieser Ausdehnungsunterschied zwischen der Spule und dem genuteten Wickeldorn verursacht einen Aufreißeffekt der Basisschicht der Spule. Im Wesentlichen beeinträchtigt dies die letztendliche Symmetrie der Spule und kann permanente Belastungspunkte in der Spule verursachen, die in höchstem Maße unerwünscht sind.
Aufgrund des Bedarfs an präzisionsgewickelten Spulen und angesichts der Probleme, mit denen die Wickeldorne und Verfahren des Standes der Technik behaftet sind, besteht Bedarf an einem Wickeldorn mit einem verstellbaren Flansch, der sich während des Wickelns und/oder Verarbeitens der Spule axial bewegen kann.
US-A-5209414 beschreibt eine Vorrichtung zum Wickeln einer Spule, die einen Wickeldorn, einen stationären Flansch, der mit dem Wickeldorn verbunden ist, und einen axial beweglichen, verstellbaren Flansch, der mit dem Wickeldorn verbunden und von dem stationären Flansch beabstandet ist, aufweist.
DE-A-4231841 beschreibt eine Vorrichtung zum Wickeln einer Spule, die einen Wickeldorn, einen stationären Flansch, der mit dem Wickeldorn verbunden ist, und einen verstellbaren Flansch, der mit dem Wickeldorn verbunden ist, aufweist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Wickeln einer Spule in Anspruch 1 definiert. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Wickeln einer Spule in Anspruch 8 definiert.
Der Wickeldorn verstellt sich so, dass die Wärmeausdehnungs- und/oder -kontraktionseigenschaften des Spulenmaterials während eines Aushärtungsprozesses berücksichtigt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Wickeldorn einen glatten Kern in Kombination mit einem stationären Flansch und einem verstellbaren Flansch. Die erste Spulenschicht wird am stationären Flanschende beginnend auf den Kern gewickelt. Der verstellbare Flansch wird dann in engen Kontakt mit der letzten Windung am gegenüberliegenden Ende der ersten Schicht der Spule gebracht und wird in dieser Position fixiert. Nachfolgende Schichten der Spule werden dann über die erste Schicht gewickelt, wobei die beiden Flansche als Randführungen verwendet werden. Wenn die Spule fertig gewickelt ist, wird der verstellbare Flansch mit Hilfe eines Federmechanismus' mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Rand der gewickelten Spule gedrückt, dergestalt, dass der Wickeldorn axial druckbeaufschlagt ist und die Spulenhöhe während eines anschließenden Aushärtungsprozesses variieren kann. Während des Aushärtungsprozesses kann die Temperatur der Spule und des zur Spule gehörenden Klebstoffs geändert werden. Die vorgegebene Kraft wird so gewählt, dass eine kontrollierte axiale Bewegung des verstellbaren Flansches gestattet wird, während sich im Spulenmaterial Veränderungen infolge von Temperaturänderungen vollziehen. Die kontrollierte Bewegung gleicht ein Ausdehnen und/oder Schrumpfen des Spulenmaterials aus, hält aber die Windungen in der richtigen Ausrichtung und Anordnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Weiteren in Verbindung mit den angehängten Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen.
1 veranschaulicht in einer auseinandergezogenen Ansicht einen verstellbaren Wickeldorn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht ein Verfahren des Zusammenbaus des verstellbaren Wickeldorns von 1.
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die zurückziehbare Kolben zeigt, die in einen verstellbaren Flansch an einem Wickeldorn gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind.
4 veranschaulicht einen Querschnitt durch einen zusammengebauten verstellbaren Wickeldorn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht einen Querschnitt durch einen zusammengebauten verstellbaren Wickeldorn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Federsystem.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht in einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht einen verstellbaren Wickeldorn 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der verstellbare Wickeldorn 101 enthält einen Wickelkern 103, der mit zwei Endflanschen verbunden ist, einen verstellbaren Flansch 113 und einen stationären Flansch 111. Der Wickelkern 103 kann dafür verwendet werden, eine Spule auf seine Oberfläche aufzuwickeln. Der verstellbare Flansch 113 ist über einen ersten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 und einen Gewindeeinsatz 107 mit dem Wickelkern 103 verbunden. Der stationäre Flansch 111 ist ebenfalls – über einen zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 109 und einen Gewindeeinsatz 107 – mit dem Wickelkern 103 verbunden. Der Wickelkern 103 ist über einen Gewindeeinsatz 107 mit dem ersten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 und dem zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 109 verbunden. Der stationäre Flansch 111 ist so mit dem Wickelkern 103 verbunden, dass der stationäre Flansch 111 fest an dem Wickelkern 103 angebracht ist, um eine statische Stützung zu bewirken. Im Gegensatz dazu ist der verstellbare Flansch 113 dergestalt mit dem Wickelkern 103 verbunden, dass der verstellbare Flansch 113 relativ zum stationären Flansch 111 axial beweglich ist. Die axiale und die radiale Richtung sind in 1 angegeben, wobei die axiale Richtung parallel zur Achse des verstellbaren Wickeldorns 101 verläuft. Um die Verbindung des verstellbaren Flansches 113 mit dem Wickelkern 103 zu unterstützen, werden ein erster zurückziehbarer Kolben 115 und ein zweiter zurückziehbarer Kolben 117 verwendet. Der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 können dafür verwendet werden, den verstellbaren Flansch 113 an dem Wickelkern 103 zu befestigen, um den weiteren Zusammenbau des verstellbaren Wickeldorns 101 zu unterstützen, wie weiter unten besprochen wird.
2 veranschaulicht ein Verfahren des Zusammenbaus des verstellbaren Wickeldorns 101 von 1. In Schritt 203 wird der zweite mit Gewinde versehene Zylinder 109 fest an dem stationären Flansch 111 angebracht. In Schritt 205 wird der zweite mit Gewinde versehene Zylinder 109 bis zum Anschlag in den Wickelkern 103 eingeschoben, wobei "bis zum Anschlag" bedeutet, so weit in den Wickelkern 103 eingeschoben zu werden, bis es nicht mehr weiter geht. An diesem Punkt wird der stationäre Flansch 111 in Schritt 207 mit dem Wickelkern 103 verbunden. In Schritt 209 wird der erste mit Gewinde versehene Zylinder 105 fest an dem verstellbaren Flansch 113 angebracht. Nur zur Veranschaulichung sei angemerkt, dass die relativ sichere Befestigung in den Schritten 203 und 209 mittels Schrauben, Haken, Kolben, Magneten, Klebstoffen oder dergleichen bewerkstelligt werden kann. Des Weiteren können bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung diese relativ sicheren Befestigungen und/oder Verbindungen so konfiguriert sein, dass die Komponenten fest angebracht werden, wie beispielsweise mittels dreier Schrauben.
In Schritt 211 wird der Gewindeeinsatz 107 in den Wickelkern 103 eingesetzt, und der Gewindeeinsatz 107 wird in den zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 109 eingeschraubt, bis der Gewindeeinsatz 107 anschlägt. Außerdem wird in Schritt 212 der Gewindeeinsatz 107 in den ersten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 hineingeschraubt, bis der Gewindeeinsatz 107 anschlägt.
In Schritt 213 wird der verstellbare Flansch 113 mittels eines ersten und eines zweiten zurückziehbaren Kolbens 115 bzw. 117 an dem Wickelkern 103 befestigt. Der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 können ein Gewindestück mit einem federbelasteten Kolben enthalten, der sich zurückzieht und herausfährt. Der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 können im Grunde jede beliebige Drehausrichtungsfixierung enthalten. Zum Beispiel kann es sich bei einem ersten und einem zweiten mit Gewinde versehenen Kolben um von Hand zurückziehbare Kolben (84935A33) oder Führungszapfen vom Typ McMaster-Carr^TM handeln. Der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 können dafür verwendet werden, eine Position zum Verbinden des verstellbaren Flansches 113 mit dem Wickelkern 103 festzulegen. Der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 können über ein oder mehrere Flanschlöcher 303 (wie in 3 gezeigt) in den verstellbaren Flansch 113 und über ein oder mehrere Wickeldornlöcher 305 (wie in 3 gezeigt) in den Wickelkern 103 eingesetzt werden. 3 veranschaulicht einen ersten und einen zweiten zurückziehbaren Kolben 115 bzw. 117, einen verstellbaren Flansch 113 und einen Wickelkern 103 aus den 1 und 2 und außerdem eine verstellbare Flanschbaugruppe 301, Flanschlöcher 303 und Wickeldornlöcher 305. Der Wickelkern 103 kann ein oder mehrere Wickeldornlöcher 305 enthalten, um den ersten und/oder den zweiten zurückziehbaren Kolben 115 bzw. 117 aufzunehmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt es zwölf Wickeldornlöcher 305 und zwei zurückziehbare Kolben. Dem Fachmann leuchtet ein, dass die Anzahl der Löcher und/oder die Anzahl der Drehausrichtungselemente danach ausgewählt werden können, wie präzise die Ausrichtung sein muss, wenn der verstellbare Flansch 113 mit dem Wickelkern 103 verbunden wird. Das heißt, je mehr Löcher vorhanden sind, desto präziser kann der verstellbare Flansch 113 beim Verbinden mit dem Wickelkern 103 ausgerichtet werden.
Um die Ausrichtung des verstellbaren Flansches 113 auf den Wickelkern 103 zu unterstützen, können der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 arretiert werden, indem die Kolben gelöst werden und der verstellbare Flansch 113 radial gedreht wird, bis wenigstens einer der Kolben in wenigstens eines der Wickeldornlöcher 305 einrastet (Schritt 215). Sobald der erste und der zweite zurückziehbare Kolben 115 bzw. 117 arretiert sind, wird der verstellbare Flansch 113 an dem Wickelkern 103 befestigt. Für eine im Wesentlichen präzise Ausrichtung des verstellbaren Flansches 113 auf den Wickelkern 103 kann der Gewindeeinsatz 107 mit einem Kugelverriegelungsstift gedreht werden, um den verstellbaren Flansch 113 axial zum stationären Flansch 111 auszurichten.
Das Einsetzen und/oder Einschrauben in den Schritten 211 und 212 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform versteht man besser, wenn man die Art und Weise bedenkt, in der jede der Komponenten konfiguriert und befestigt ist, und zwar folgendermaßen. Das Konfigurieren und Befestigen geschieht im Hinblick darauf, den axialen Abstand zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111 verstellen zu können (d. h. in zu verbreitern und/oder zu verringern). Das Gewinde auf der ersten Seite der Außenfläche des Gewindeeinsatzes 107 wird mit dem Gewinde auf der Innenfläche des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders 105 verbunden, und das Gewinde auf der zweiten Seite der Außenfläche des Gewindeeinsatzes 107 wird mit dem Gewinde auf der Innenfläche des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 109 verbunden. Somit muss bei dieser Ausführungsform das Gewinde auf der ersten Seite des Gewindeeinsatzes 107 zu dem Gewinde des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders 105 passen, und das Gewinde auf der zweiten Seite des Gewindeeinsatzes 107 muss zu dem Gewinde des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 109 passen.
Des Weiteren können die Gewindegänge des Gewindeeinsatzes 107 beide rechtläufig (oder beide linksläufig) sein, so dass, wenn eine Seite in die Festziehrichtung gedreht wird, die andere Seite sich in der Löserichtung dreht. Unabhängig von der Gewinderichtung bewegen Festziehdrehungen den ersten und/oder den zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 bzw. 109 entlang dem Gewindeeinsatz 107 in axialer Richtung zu einem mittleren Flansch 119 (auf den auch der Kennzeichnungspfeil des Gewindeeinsatzes 107 zeigt), bis jeder mit Gewinde versehenen Zylinder anschlägt, und Lösedrehungen bewegen den ersten und den zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 bzw. 109 von dem mittleren Flansch 119 fort.
Des Weiteren können die Gewindegänge des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders 105 und des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 109 die gleiche Steigung oder verschiedene Steigungen haben. Um eine Feineinstellung des axialen Abstands zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111 zu ermöglichen, kann die Steigung des Gewindes des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders 105 größer sein als die Steigung des Gewindes des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 109 oder umgekehrt. Dementsprechend können die Gewinde auf der ersten und der zweiten Seite des Gewindeeinsatzes 107 zu den Gewinden des ersten und des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 105 bzw. 109 passen. Die Gewinde des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders 105, des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 109 und des Gewindeeinsatzes 107 können von 1 bis 100 Gängen je 2,54 cm (1 Inch) liegen. Dem Fachmann ist klar, dass je nach der erforderlichen Einstellgenauigkeit für einen bestimmten Faserdurchmesser der Spule, die auf den Wickelkern 103 gewickelt wird, auch andere Steigungsbereiche verwendet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben der erste mit Gewinde versehene Zylinder 105 und die erste Seite des Gewindeeinsatzes 107 eine Steigung von etwa 48 Gängen je 2,5 cm (1 Inch), und der zweite mit Gewinde versehene Zylinder 109 und die zweite Seite des Gewindeeinsatzes 107 haben eine Steigung von etwa 44 Gängen je 2,5 cm (1 Inch), was für eine Spule mit einem Faserdurchmesser von etwa 0,013 cm (0,005 Inch) gilt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung würde, wenn sowohl der erste als auch der zweite mit Gewinde versehene Zylinder 105 bzw. 109 rechtsläufige Gewinde aufweisen, eine Drehung in einer Richtung eine Abstandsänderung in axialer Richtung bewirken. Bei einer solchen Ausführungsform würde die axiale Auflösung zu einer Abstandsänderung von etwa 0,005 cm (0,002 Inch) je Umdrehung des Gewindeeinsatzes 107 führen. Der Gewindeeinsatz 107 kann in den ersten und den zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 bzw. 109 mit Hilfe eines Werkzeugs hineingeschraubt werden, das auf dem Gewindeeinsatz 107 verriegelt und den Gewindeeinsatz 107 zu drehen vermag, wie beispielsweise ein Kugelverriegelungsstift. Der erste mit Gewinde versehene Zylinder 105, der zweite mit Gewinde versehene Zylinder 109 und der Gewindeeinsatz 107 können so verstellt werden, dass sie an verschiedene Spulenhöhen anpassbar sind.
Nach Schritt 215 kann eine Spule um den Wickelkern 103 gewickelt werden. Um die erste Spulenschicht symmetrisch auf den Wickelkern 103 zu wickeln, kann der verstellbare Flansch 113 so verstellt werden, dass der Abstand zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111, wo die Spule gewickelt werden kann, auf geweitet und/oder verringert wird. Beispielsweise kann es für die letzte Windung der ersten Schicht der Spule erforderlich sein, dass der verstellbare Flansch 113 axial verschoben wird, um eine symmetrische erste Spulenschicht herzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Abstand zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111 und somit die Spulenhöhe verstellt werden, indem der Gewindeeinsatz 107 in der Festzieh- oder Löserichtung gedreht wird. Beispielsweise kann der erste mit Gewinde versehene Zylinder 105 auf dem Gewindeeinsatz 107 verstellt werden, indem der Gewindeeinsatz 107 gedreht wird. 2 veranschaulicht somit eine Möglichkeit des Zusammenbaus des verstellbaren Wickeldorns 101, doch dem Fachmann ist klar, dass der Zusammenbau mittels verschiedener Methoden erfolgen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Zusammenbaus des verstellbaren Wickeldorns 101 kann der Wickelkern 103 eine glatte oder genutete Oberfläche aufweisen, um die Spule zu wickeln, und kann einen radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 0 bis etwa 11 × 10^–6 cm je cm·°C (20 Mikroinch je Inch·Grad Fahrenheit) haben. Der Wickelkern 103 kann aus Edelstahl, Titan, Eisenlegierung (beispielsweise Invar) und/oder Nickellegierung (beispielsweise Monel) oder dergleichen bestehen. Des weiteren kann die Oberfläche des Wickelkerns 103 mit wenigstens einem hochabriebfesten Material mit hoher Trennfähigkeit (d. h. geringer Reibung) beschichtet sein, wie beispielsweise Marlite^TM, FRP (glasfaserverstärktes Polyester), Teflon^TM, PFA (Perfluoralkoxy), PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (fluoriertes Ethylenpropylencopolymer) und/oder ETFE (Copolymer von Ethylen und Tetrafluorethylen) oder dergleichen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle der oben genannten Materialien auch verschiedene andere Materialien für den Wickelkern 103 und zur Beschichtung des Wickelkerns 103 verwendet werden können, wobei zu beachten ist, dass der radiale Wärmeausdehnungskoeffizient des Wickelkerns 103 und der Spule ungefähr gleich sein sollten und dass eine solche Beschichtung für den Wickelkern 103 eine hohe Abriebfestigkeit und eine hohes Trennvermögen aufweisen sollte. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Wickelkern 103 aus Edelstahl und mit glatter Oberfläche mit PFA beschichtet.
Des Weiteren sollten die radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Elemente des verstellbaren Wickeldorns 101 und der Spule ungefähr gleich sein, damit sich die verschiedenen Elemente des verstellbaren Wickeldorns 101 ungefähr mit der gleichen Rate und ungefähr der gleichen radialen Distanz ausdehnen oder zusammenziehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht jede der Komponenten des verstellbaren Wickeldorns 101 aus Edelstahl, so dass sie gleiche radiale Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 5,3 × 10^–6 bis 5,6 × 10^–6 cm je cm·°C (9,5 bis 10 Mikroinch je Inch·Grad Fahrenheit) aufweisen.
4 veranschaulicht im Querschnitt einen verstellbaren Wickeldorn 101, der in der oben beschriebenen Weise zusammengesetzt ist. Der Querschnitt des verstellbaren Wickeldorns 101 veranschaulicht einen Zusammenbau des verstellbaren Wickeldorns der vorliegenden Erfindung. Der verstellbare Wickeldorn 101 enthält den Wickelkern 103, der über den ersten mit Gewinde versehenen Zylinder 105, den Gewindeeinsatz 107 und den ersten und den zweiten zurückziehbaren Kolben 115 bzw. 117 mit dem verstellbaren Flansch 113 verbunden ist. Der verstellbare Wickeldorn 101 enthält ebenso den Wickelkern 103, der über den zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 109 und den Gewindeeinsatz 107 mit dem stationären Flansch 111 verbunden ist.
Der verstellbare Wickeldorn 101 ist so veranschaulicht, dass der verstellbare Flansch 113 und der stationäre Flansch 111 ungefähr auf die Mitte ihrer Verstellbreite eingestellt sind. 4 veranschaulicht nur eine einzige Position des verstellbaren Wickeldorns 101. Der axiale Abstand zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111 (durch die Breite 404 dargestellt) kann durch Drehen des Gewindeeinsatzes 107 vergrößert oder verringert werden, um ihn an eine Spule während der Verarbeitung, wie beispielsweise dem Wickeln der Spule auf den verstellbaren Wickeldorn 101, anzupassen.
Diese Montageausführungsform zeigt auch das Einführen des ersten und des zweiten zurückziehbaren Kolbens 115 bzw. 117 in den Wickelkern 103, um den Wickelkern 103 und den verstellbaren Flansch 113 miteinander zu verbinden. Nachdem der verstellbare Wickeldorn 101 zusammengebaut ist, kann eine Spule um den Wickelkern 103 gewickelt werden, um eine erste Spulenschicht und nachfolgende Spulenschichten auf der Oberfläche des Wickelkerns 103 aufzubauen. An dieser Stelle kann die Breite 404 vergrößert oder verringert werden, indem der Gewindeeinsatz 107 auf den ersten und/oder den zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 bzw. 109 gedreht wird, um eine Anpassung an eine bestimmte Spulenhöhe vorzunehmen und/oder eine erste symmetrische Spulenschicht und nachfolgende Spulenschichten auf dem Wickelkerns 103 aufzubauen. Nach dem Wickeln der Spule kann die Spule ausgehärtet werden, um den Klebstoff an dem Spulenmaterial anzuhaften. Um Änderungen der Spulenhöhe berücksichtigen zu können, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der verstellbare Flansch 113 mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Rand der Spule gedrückt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die vorgegebene Kraft durch eine Feder angelegt, wie in 5 im Querschnitt veranschaulicht.
In 5 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei der verstellbare Wickeldorn 101 eine Stange 521, einen ersten Bundring 523, einen ersten Stopfen 529, einen zweiten Stopfen 531, eine Feder 525 und einen zweiten Bundring 527 aufweist. Der Querschnitt durch den verstellbaren Wickeldorn 101 veranschaulicht einen Zusammenbau des verstellbaren Wickeldorns der vorliegenden Erfindung. Um den verstellbaren Wickeldorn 101 für die Verarbeitung vorzubereiten, können sämtliche Schrauben, die den ersten mit Gewinde versehenen Zylinder 105 an dem verstellbaren Flansch 113 halten, gelöst werden.
Der erste Bundring 523 ist mit der Stange 521 verbunden, um auf der ersten Seite des verstellbaren Wickeldorns 101 eine Stütze für die Montage und die Verwendung der Feder 525 zu bilden. Der erste und der zweite Stopfen 529 bzw. 531 können dafür verwendet werden, den Eintrittsdurchmesser der Stange 521 auf der ersten Seite des verstellbaren Wickeldorns 101 ungefähr an den Austrittsdurchmesser der Stange 521 auf der zweiten Seite des verstellbaren Wickeldorns 101 anzugleichen. Die Feder 525 ist mit der Stange 521 auf der zweiten Seite des verstellbaren Wickeldorns 101 verbunden. Der zweite Bundring 527 ist ebenfalls mit der Stange 521 auf der zweiten Seite des verstellbaren Wickeldorns 101 dergestalt verbunden, dass der verstellbare Wickeldorn 101 axial belastet ist. Die Feder 525 und der zweite Bundring 527, der mit der Stange 521 verbunden ist, gestatten eine axiale Bewegung, wenn die Spule, die um den Wickelkern 103 herum gewunden ist, sich ausdehnt und/oder schrumpft. Dementsprechend kann, da der verstellbare Wickeldorn 101 axial belastet ist, eine kontrollierte axiale Bewegung erreicht werden. Die Feder 525, die zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111 verbunden ist, ermöglicht im Wesentlichen eine kontrollierte axiale Bewegung des verstellbaren Flansches 113 und erzeugt eine vorgegebene Kraft zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111.
Der verstellbare Flansch 113 kann während des Wickelns der Spule um den Wickelkern 103 relativ zu dem stationären Flansch 111 in einer vorgegebenen axialen Position fixiert werden und kann anschließend während des Aushärtens der Spule beweglich mit einer vorgegebenen Kraft gegen die Spule gedrückt werden. Die vorgegebene Kraft ist jedoch nicht auf das oben beschriebene Federsystem beschränkt. Die vorgegebene Kraft kann auf verschiedene Weise und mit verschiedenen Elementen bewirkt werden, dergestalt, dass eine kontrollierte Bewegung des verstellbaren Flansches 113 möglich ist. Eine solche kontrollierte axiale Bewegung richtet sich nach der Größenordnung der vorgegebenen Kraft, die je nach dem Grad an Kontrolle ausgewählt werden kann, der während der Ausdehnung und/oder Schrumpfung der Spule gewünscht ist. Das Material der Feder 525 kann je nach der vorgegebenen Kraft gewählt werden, die zwischen dem verstellbaren Flansch 113 und dem stationären Flansch 111 gewünscht ist. Außerdem kann die von der Feder 525 erzeugte vorgegebene Kraft auch je nach der Federkonstante und der Kompressionskraft der Feder 525 variiert werden.
Sobald der verstellbare Wickeldorn 101 in der Lage ist, eine kontrollierte axiale Bewegung der Spule auszugleichen, kann die Spule verarbeitet werden. Beispielsweise kann der verstellbare Wickeldorn 101 durch Erwärmen oder Abkühlen weiterverarbeitet werden und/oder kann bei Raumtemperatur belassen werden. Im Verlauf des Erwärmungsprozesses kann der verstellbare Wickeldorn 101 beispielsweise in einen Ofen eingebracht werden, woraufhin die Temperatur über einen bestimmten Zeitraum hinweg variiert wird. Während eines solchen Erwärmungsprozesses kann sich die Spule ausdehnen, und der verstellbare Wickeldorn 101 der vorliegenden Erfindung passt sich an eine solche Ausdehnung an. Im Anschluss an den Erwärmungsprozess kann der verstellbare Wickeldorn 101 in einem Abkühlungsofen abgekühlt werden, wo sich die Spule zusammenziehen kann, wobei sich der verstellbare Wickeldorn 101 auch an eine solche Schrumpfung an. Wenn die Spule ausgehärtet und zum Herunternehmen bereit ist, so kann der verstellbare Wickeldorn 101 beispielsweise in umgekehrter Reihenfolge der in 2 veranschaulichten Schritte zerlegt werden. Schließlich kann die Spule vom Wickelkern 103 im Wesentlichen ohne Verformung oder Quetschung heruntergenommen werden. Außerdem ermöglicht die hoch abriebfeste und reibungsarme Beschichtung der Oberfläche des Wickelkerns 103 ein einfaches Herunternehmen oder Trennen der Spule von der Oberfläche des Wickelkerns 103.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wickelkerns 103, des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders 105, des Gewindeeinsatzes 107, des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders 109, des stationären Flansches 111, des verstellbaren Flansches 113, des ersten zurückziehbaren Kolbens 115, des zweiten zurückziehbaren Kolbens 117, der Stange 521, des ersten Bundrings 523, des ersten Stopfens 529, des zweiten Stopfens 531 und des zweiten Bundrings 527 gleich sein. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Elemente in solcher Weise ungefähr gleich sein können, dass sie sich radial mit ungefähr der gleichen Rate und um ungefähr den gleichen Betrag ausdehen und/oder zusammenziehen wie die Spule. Außerdem kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der zweite Bundring 527 beispielsweise ein Gewindestiftbundring sein.
Der Wickeldorn der vorliegenden Erfindung gestattet eine axiale Bewegung des verstellbaren Flansches, um sich an ein Ausdehen und/oder Zusammenziehen der Spule während der Verarbeitung anzupassen. Das Ermöglichen einer solchen axialen Bewegung verringert wesentlich das Verziehen oder Quetschen der Spule während solcher Verarbeitungsschritte. Außerdem gestattet die flexible Verstellbarkeit der vorliegenden Erfindung, dass eine symmetrische erste Spulenschicht auf den Wickelkern gewickelt werden kann, so dass Verziehen und Quetschen der Spule deutlich verringert werden.

Claims

Die Ausführungsformen der Erfindung, an denen ein exklusives Eigentum oder Recht beansprucht wird, sind folgendermaßen definiert: Vorrichtung (101) zum Wickeln einer Spule, umfassend: einen Wickeldorn (103), um den herum die Spule gewickelt werden kann; einen stationären Flansch (111), der mit dem Wickeldorn verbunden ist; und einen verstellbaren Flansch (113), der mit dem Wickeldorn verbunden ist und von dem stationären Flansch beabstandet ist und dergestalt konfiguriert ist, dass sich der verstellbare Flansch axial bewegen kann, wobei der verstellbare Flansch mit der ersten Seite des Wickelkerns über einen ersten mit Gewinde versehenen Zylinder (105), der in eine erste Seite eines Gewindeeinsatzes (107) hineingeschraubt ist, verbunden ist und wobei der stationäre Flansch mit der zweiten Seite des Wickelkerns über einen zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder (109), der in eine zweite Seite des Gewindeeinsatzes hineingeschraubt ist, verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewindesteigung des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders und die Gewindesteigung des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders voneinander verschieden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Spule, des Wickelkerns, des verstellbaren Flansches, des stationären Flansches, des ersten mit Gewinde versehenen Zylinders, des zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders und des Gewindeeinsatzes ungefähr gleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend wenigstens einen zurückziehbaren Kolben (115), der mit dem verstellbaren Flansch und der ersten Seite des Wickelkerns verbunden ist, um zu verhindern, dass sich der verstellbare Flansch radial um seine eigene Achse dreht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Feder (525), die zwischen dem verstellbaren Flansch und dem stationären Flansch verbunden ist, um eine kontrollierte Bewegung des verstellbaren Flansches zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wickeldorn eine glatte Oberfläche hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wickeldorn eine genutete Oberfläche hat.
Verfahren zum Wickeln einer Spule, umfassend folgende Schritte: Verbinden eines verstellbaren Flansches (113) mit einer ersten Seite eines Wickelkerns (103), dergestalt, dass die Spulenhöhe variieren kann; Verbinden eines stationären Flansches (111) mit einer zweiten Seite des Wickelkerns, dergestalt, dass eine statische Stützung für das Wickeln der Spule bereitgestellt wird, wobei der verstellbare Flansch mit der ersten Seite des Wickelkerns über einen ersten mit Gewinde versehenen Zylinder (105), der in eine erste Seite eines Gewindeein satzes (107) hineingeschraubt ist, verbunden ist und wobei der stationäre Flansch mit der zweiten Seite des Wickelkerns über einen zweiten mit Gewinde versehenen Zylinder (109), der in eine zweite Seite des Gewindeeinsatzes hineingeschraubt ist, verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend den Schritt des Auswählens des Materials der Spule, des Wickelkerns, des verstellbaren Flansches, des stationären Flansches, eines ersten mit Gewinde versehenen Zylinders, eines zweiten mit Gewinde versehenen Zylinders und eines Gewindeeinsatzes dergestalt, dass die radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten ungefähr gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend folgende Schritte: Einführen einer Stange (521) in einen hohlen inneren Abschnitt des verstellbaren Flansches, des Wickelkerns und des stationären Flansches, dergestalt, dass eine Seite der Stange fest mit dem verstellbaren Flansch verbunden ist und die andere Seite der Stange fest mit dem stationären Flansch verbunden ist; Verbinden einer Feder (525) mit der Stange; und axiales Bewegen des verstellbaren Flansches, um eine Ausdehnung und/oder eine Schrumpfung der Spule auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend folgende Schritte: Wickeln der Spule um den Wickelkern zwischen dem verstellbaren Flansch und dem stationären Flansch, dergestalt, dass eine symmetrische erste und nachfolgende Wickelschichten zwischen dem verstellbaren Flansch und dem stationären Flansch angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend folgende Schritte: Aushärten der Spule auf dem Wickeldorn dergestalt, dass sich der verstellbare Flansch axial verschiebt, um eine Ausdehnung und/oder eine Kontraktion der Spule auszugleichen; und Abnehmen der Spule von dem Wickelkern.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend den folgenden Schritt: Beschichten der Oberfläche des Wickelkerns mit einem Material, das eine hohe Abriebfestigkeit und eine geringe Reibung aufweist, bevor die Spule auf den Wickelkern gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend den folgenden Schritt: Beschichten der Oberfläche des Wickelkerns mit einem Material, das eine hohe Abriebfestigkeit und eine geringe Reibung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend den folgenden Schritt: Erzeugen einer zuvor festgelegten Kraft zwischen dem verstellbaren Flansch und dem stationären Flansch, dergestalt, dass sich der verstellbare Flansch mit einer kontrollierten Axialbewegung bewegen kann.