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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft die Herstellung von Statorwicklungen für dynamoelektrische
Maschinen. Sie findet Anwendung bei der Konstruktion und dem Bau
von Statoren und damit für
Maschinen, die als dynamoelektrische Rotationsmaschinen konzipiert sind,
und findet insbesondere Anwendung bei der Konstruktion und dem Bau
von Trommelankermotoren und Scheibenankermotoren.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
heutigen dynamoelektrischen Maschinen, insbesondere Gleichstrom-Elektromotoren,
erfordern komplexe Wickelmaschinen zur Herstellung der Statorwicklungen
auf dem Stator. Oft hat der Stator eine besondere Form, nach der
sich die Wickelmaschine oder die Wickeltechnik richten muss. Die Wicklungen
werden in der Regel in Nuten, die sich in einem Stahlstator befinden,
hineingewickelt oder als Schlaufen auf einen magnetischen Rückschlussträger gewickelt.
Im Fall von nutenlosen Scheiben- oder Trommelankermotoren nehmen
die Wicklungsschleifen ungefähr
eine quadratische Geometrie an, wobei die beiden Endabschnitte Kupferdraht
vergeuden und einen unbrauchbaren magnetischen Fluss erzeugen. In
jedem Fall sitzen alle Positionen der Spulen auf oder in der Oberfläche eines
Scheiben- oder Trommelankers.
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Ein
Stator gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und sein entsprechendes Herstellungsverfahren sind
aus US-A-4,103,197
bekannt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung einer Statorwicklung für eine dynamoelektrische Maschine
bereitzustellen, oder wenigstens ein Verfahren bereitzustellen,
das Interessenten eine brauchbare Alternative bietet.
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Beschreibung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt besteht die Erfindung aus einem Stator für eine dynamoelektrische Maschine,
bestehend aus mehreren Wickelspulen, die auf einer gemeinsamen gekrümmten, in
Richtung der von den Wicklungen erzeugten Kraft verlaufenden Achse
angeordnet sind (gleichgültig,
ob es sich um eine Maschine auf Trommel- oder Scheibenbasis handelt), und eine
ringförmige,
durch den Mittelpunkt der Spulen verlaufende ferromagnetische Struktur aufweisend,
dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Struktur an einem
einzigen Punkt gespalten ist, damit die Wickelspulen auf der ferromagnetischen
Struktur angebracht werden können,
aber so beschaffen ist, dass sie anschließend zusammengeschoben werden
kann, um den Spalt im Betrieb im Wesentlichen geschlossen zu halten.
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Die
ferromagnetische Struktur hat vorzugsweise die Form eines gekrümmten länglichen
Streifens und insbesondere einen rechteckigen oder im Wesentlichen
rechteckigen Querschnitt.
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Die
Wickelspulen bestehen vorzugsweise aus mehreren ringförmigen Wicklungsträgern, die
auf die ferromagnetische Struktur aufgezogen sind.
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Die
ferromagnetische Struktur besteht vorzugsweise aus einem Einzelsegment,
das den vollen Kreis einer Rotationsmaschine beschreibt.
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Der
Spalt weist vorzugsweise einen m Winkel zur gemeinsamen gekrümmten Achse
auf, so dass ein ganzer Pol abgedeckt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Wickeln
des Stators einer toroidal gewickelten dynamoelektrischen Maschine,
bei dem eine ferromagnetische Struktur vorgesehen ist, welche an
einem einzigen Punkt gespalten ist, damit Wickelspulen auf der ferromagnetischen
Struktur angebracht werden können,
bei dem ferner mehrere Wickelspulen auf eine ferromagnetische Struktur
aufgezogen werden und bei dem die ferromagnetische Struktur zu einem
Kreisring geformt wird, dessen Spalt im Wesentlichen geschlossen
ist.
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Die
Statorwicklungen werden vorzugsweise gebildet, indem eine gewünschte Wicklungsanordnung
auf einer Wickelschablone hergestellt wird und die so gefertigten
Wicklungen auf die ferromagnetische Struktur übertragen werden, die den Stator
oder einen Teil davon bildet.
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Die
Wicklungsanordnung wird vorzugsweise auf den länglichen Streifen aufgezogen.
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Wenn
der Stator in einem Trommelankermotor Verwendung findet, so kann
der ferromagnetische Träger
in eine nahezu vollständige
Ringform vorgebogen werden, wobei ein Spalt für das Einführen der Wicklungen (wie unten
beschrieben) verbleibt, und anschließend zusammengefügt werden,
so dass ein geschlossener Ring entsteht, der die Wicklungen trägt und festhält.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Statorwicklung für
eine dynamoelektrische Maschine bereit, wobei eine gewünschte Wicklungsanordnung auf
einer Wickelschablone hergestellt wird und die so gefertigten Wicklungen
auf einen mittigen ferromagnetischen Träger übertragen werden, der den Stator oder
einen Teil davon bildet.
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Der
ferromagnetische Träger
hat vorzugsweise die Form eines gekrümmten länglichen Streifens und insbesondere
einen rechteckigen oder im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt.
Die Wicklungsanordnung wird vorzugsweise auf den länglichen
Streifen aufgezogen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die Erfindung mehrere Wicklungsträger bereit,
die geeignet sind, eine Statorwicklung zu tragen, wobei jeder Wicklungsträger einen
mittigen Körper
aufweist, der ein Paar Endflansche trägt, wobei durch den mittigen Körper eine Öffnung verläuft, mittels
der jeder Wicklungsträger
auf einen länglichen
ferromagnetischen Träger
aufgezogen werden kann. Der mittige Körper hat vorzugsweise einen
im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Besonders bevorzugt hat
die Öffnung
einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt.
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Jeder
Wicklungsträger
ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt.
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Jeder
Wicklungsträger
hat vorzugsweise eine Hauptachse, die wesentlich größer ist
als ihre Nebenachse.
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In
den Fällen,
wo die Spulen auf einem ringförmigen
runden Träger
aufgezogen werden, um in einem Scheiben- oder Trommelankermotor Verwendung zu
finden, können
die entsprechenden Außen- und
Innenflächen
des mittigen Körpers
gekrümmt sein
(beispielsweise kann diese Krümmung
während des
Formungsprozesses ausgebildet werden), um der Krümmung des ferromagnetischen
Trägers
zu folgen. Der Spalt oder Schlitz in dem ferromagnetischen Träger ist
vorzugsweise dergestalt in einem Winkel ausgebildet, dass ein ganzer
Pol abgedeckt ist. Dadurch wird der durch den Spalt verursachte
Effekt des Hängenbleibens
auf einem niedrigen Niveau gehalten, so dass der Motor geräuschärmer läuft.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Stator für eine dynamoelektrische
Maschine bereit, wobei der Stator einen gekrümmten länglichen ferromagnetischen
Kern aufweist, wobei der Kern einen im Wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aufweist, wobei mehrere Wicklungen von dem Kern getragen
werden, wobei die Wicklungen Schlaufen um den Kern herum bilden,
dergestalt, dass der Abschnitt der Wicklungen auf einer Seite des
Kerns von dem Abschnitt der Wicklungen auf der anderen Seite des
Kerns abgeschirmt ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine dynamoelektrische Maschine
bereit, die einen Stator, wie er im vorangegangenen Absatz beschrieben
ist, sowie einen beweglichen Abschnitt aufweist, wobei der bewegliche
Abschnitt magnetische Pole stützt,
wobei der ferromagnetische Kern des Stators so angeordnet ist, das
wenigstens eine lange Fläche
des Kerns und somit die äquivalente Länge an Leiterwicklungen
des Kerns zu einem angrenzenden magnetischen Pol des beweglichen
Abschnitts der Maschine weist.
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Diese
Konfiguration geht aus der folgenden Beschreibung und insbesondere
den Zeichnungen hervor, die verschiedene Beispiele der vorliegenden Erfindung
veranschaulichen.
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In
jedem Fall werden die Wicklungen auf dem ferromagnetischen Kern
getragen, und im Fall beispielsweise eines Trommelankermotors mit
einem Außenrotor
arbeitet nur jener Abschnitt der Wicklung, der den magnetischen
Polen an dem Rotor zugewandt ist, da der Rücklaufpfad der Wicklungen auf der
anderen Seite des ferromagnetischen Kerns durch den Kern abgeschirmt
ist und der dem Rücklaufpfad
der Wicklungen zugehörige
Fluss nicht benutzt wird. Wie jedoch aus einigen der Zeichnungen zu
erkennen ist, ist es möglich,
einen Trommelankermotor sowohl mit Außen- als auch Innenrotor zu
bauen, um beide Abschnitte der Wicklungen auf den langen Flächen des
ferromagnetischen Kerns zu nutzen.
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Diese
und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in all ihren
neuartigen Aspekten zu betrachten ist, gehen aus der folgenden Beschreibung, die
nur beispielhaft ist, unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
hervor.
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1 veranschaulicht
eine Draufsicht eines im Wesentlichen rechteckigen Wicklungsträgers.
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2 veranschaulicht
eine Stirnansicht des Wicklungsträgers von 1.
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3 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 2.
Dieser Wicklungsträger
ist für
die Verwendung in einer Statorbaugruppe vom Trommeltyp geformt.
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4 veranschaulicht
eine Draufsicht einer Statorbaugruppe vom Trommeltyp (ohne die Wicklungen).
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5 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 4.
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6 ist
eine Vorderansicht der Statorbaugruppe von 4.
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7 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 6.
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8 zeigt
ein Wicklungsschaubild, wobei die Wicklungen A und B über den
Wicklungsträger von 8 gelegt
sind.
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9 ist
eine Draufsicht auf einen Trommelankermotor mit einem Außenrotor.
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10 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 9.
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11 zeigt
eine Draufsicht auf einen Trommelankermotor mit Außen- und
Innenrotor.
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12 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A des Trommelankermotors
von 11.
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13 ist
eine Draufsicht auf einen Scheibenankermotor mit einem einzelnen
Rotor.
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14 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 13.
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15 zeigt
eine Wicklungsstruktur für
eine wicklungsträgerlose
Version des Stators.
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Beispiel 1 – Wicklungsträger
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In
ihrer am meisten bevorzugten Form verwendet die Erfindung mehrere
Wicklungsträger,
damit die verschiedenen Wicklungsphasen auf eine Wickelschablone,
welche die Wicklungsträger
stützt, gewickelt
werden können,
woraufhin die Wicklungsträger
auf den entsprechenden ferromagnetischen Kern des Stators übertragen
werden, der eine Form hat, die für
eine bestimmte dynamoelektrische Maschine benötigt wird. Es ist aber auch
möglich,
die Wicklungen ohne Wicklungsträger
herzustellen und die Wicklungen von der Wickelschablone auf den Kern
zu verschieben oder alternativ die Wicklungen direkt auf den Kern
zu wickeln. Ungeachtet dessen stellen Wicklungsträger einen
nützlichen
Mechanismus dar, sowohl um die Wicklungen herzustellen, als auch
um die Wicklungen in der fertigen Maschine auf dem Stator zu halten.
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1 bis 3 zeigen
im Wesentlichen rechteckige Wicklungsträger, wobei jeder Wicklungsträger 10 eine
im Wesentlichen rechteckige Form hat und einen mittigen Körper 11 und
seitliche Flansche 13 und 14 aufweist. Eine mittige Öffnung 15 verläuft durch
die Flansche und den mittigen Körper,
und diese mittige Öffnung
ist ebenfalls im Wesentlichen rechteckig, wenn man sie von der Stirnseite
her betrachtet, wie in 2 zu sehen. Der in den 1 bis 3 gezeigte
Wicklungsträger 10 ist
ein Wicklungsträger,
der speziell für
den Einbau in Statorbaugruppen vom Trommeltyp geformt ist, so dass
die inneren und äußeren Flächen des
mittigen Körpers
gekrümmt
sind, wie durch die Fläche 19 in 3 gezeigt.
Dies ist aus den 4–7 deutlicher
zu ersehen.
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Beispiel 2 – Statorbaugruppe
vom Trommeltyp
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4–7 zeigen
die Verwendung der Wicklungsträger 10,
die auf einen ferromagnetischen Kern in Form eines gespaltenen Rings
aufgezogen sind. Dieser ferromagnetische Kern 24 ist vorzugsweise
aus magnetisch weichem Eisen hergestellt und hat ebenfalls einen
vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, der nur geringfügig kleiner
ist als die Querschnittsfläche
der Öffnung 15,
so dass die Wicklungsträger 10 auf
diesen Kern ausgezogen werden können.
Die Wicklungen selbst sind in den 4–7 nicht
gezeigt, um die Gestaltung der Wicklungsträger zu zeigen. In der Praxis
würden
die Wicklungen auf den Wicklungsträgern hergestellt werden, bevor
sie auf den Kern aufgezogen werden.
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Es
werden genügend
Wicklungsträger
auf den Kern aufgezogen, wie in 4 zu sehen,
so dass die radial innenliegenden Kanten der Flansche 13 und 14 benachbarter
Wicklungsträger 10 sich
an den Punkten 21 berühren.
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Der
gespaltene Ringkern 24 hat einen Spalt oder Schlitz bei 25,
der normalerweise auseinandergezogen wird, damit die Wicklungsträger auf
den Kern aufgezogen werden können,
und anschließend zusammengedrückt und
eventuell aneinandergefügt wird,
indem die Enden des Kerns speziell geformt werden, dergestalt, dass
sie ineinander verriegeln, oder indem geeignete Befestigungsmittel
verwendet werden, um zu gewährleisten,
dass der Kern einen nahezu durchgängigen Ring bildet, so dass
die Wicklungen auf den Wicklungsträgern auf dem Kern sich dann
den Wicklungen auf einem kreisrunden Kern annähern.
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Wenden
wir uns 8 zu, wo eine Zweiphasenwicklung
gezeigt ist, die aus den Wicklungen A und B besteht, die in zwei
unterschiedlichen Schattierungen dargestellt sind. Wicklung A ist
dunkler als Wicklung B.
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Die
mehreren Wicklungsträger 10 sind
werden auf einer linearen Wickelschablone angeordnet (dies könnte ein
Flachstreifen aus Stahl, Holz oder einem sonstigen massiven Material
oder auch eine Blocksektion sein) und einer Wickelmaschine zugeführt. In
ihrer einfachsten Form kann sich die Wickelschablone relativ zu
Drahtspulen so drehen, dass der Draht auf die Wicklungsträger in einem
zuvor festgelegten Schema aufgewickelt werden kann, indem sich die
Wickelschablone um ihre eigene Achse dreht und dann schrittweise
relativ zur Position der Drahtspulen linear bewegt wird.
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Alternativ
können
die Drahtspulen auch im gewünschten
Muster um eine unbewegliche Wickelschablone gedreht werden.
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Nachdem
die Wicklungen auf den Wicklungsträgern, die auf der Wickelschablone
gehalten werden, hergestellt wurden, können nun die Wicklungsträger mit
den zugehörigen
Wicklungen auf den offenen gespaltenen ferromagnetischen Kern 24 aufgezogen
werden, woraufhin der Kern so zusammengedrückt wird, dass ein im Wesentlichen
geschlossener Kern entsteht, wobei sich die Wicklungen so auf den
Wicklungsträgern
befinden, wie in 8 gezeigt.
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Beispiel 3 – Trommelankermotor
mit einem Außenrotor
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Der
Stator in den 4–8 kann für einen
Trommelankermotor wie in den 9 und 10 verwendet
werden. Bei dieser Anordnung trägt
die Statorkonfiguration, die aus dem ferromagnetischen Kern des
Stators (magnetischer Rückschluss
des Stators) besteht, die Wicklungsträger 10 in der in 9 gezeigten
Gruppierung. Diese Statorwicklungen sind von einem Außenrotor 38 umgeben, der
Dauermagneten 30 trägt
(die magnetische Nord-Süd-Ausrichtung
und die Polzahl sind nicht gezeigt), wobei die Magnete an einem
externen magnetischen Rückschlussring 31 befestigt
sind und von diesem getragen werden, wobei sich dieser externe magnetische
Rückschlussring 31 seinerseits
in einer Rotorkapsel 32 befindet und von dieser getragen wird.
Die Rotorkapsel kann aus jedem geeigneten Material bestehen. Beispielsweise
kann ein Kunststoffmaterial verwendet werden, um einen kompletten
Außenrotor 38 herzustellen.
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Beispiel 4 – Ein Trommelankermotor
mit Außen-
und Innenrotor
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Dies ähnelt dem
Motor der 9 und 10. Er
verwendet ebenfalls die Statorbaugruppe der 4-8.
In diesem Fall besteht die gesamte Rotorbaugruppe 39 aus
dem Außenrotorabschnitt 38 und
dem Innenrotorabschnitt 40, die sich auf jeweils einer
Seite des ferromagnetischen Kerns 24 befinden, der seinerseits
die Wicklungsträger 10 trägt.
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Der
Innenrotor hat ebenfalls Magnete 41, die zur radial innenliegenden
Fläche
der Wicklungsträger 10 weisen,
und die Magnete werden durch einen entsprechenden magnetischen Rückschlussring 42 getragen,
der sich zweckmäßigerweise
in einer Innenrotorkapsel 42 aus Kunststoff befindet, die
in komplizierter Gestalt mit der Außenrotorkapsel 32 und
dem Mittelabschnitt 36 ausgebildet sein kann.
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Beispiel 5 – Scheibenankermotor
mit einzelnem Rotor
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In
dieser Konfiguration (in den 13 und 14 gezeigt)
hat der Scheibenankermotor eine Rotorkapsel 61, die vorzugsweise
aus Stahl geformt ist und mehrere Dauermagnetpole 62 an
der Unterseite der Scheibe 61 trägt. Der Stator besteht aus mehreren
Wicklungsträgern 63,
die von einem ferromagnetischen Kern 64 getragen werden,
der ebenfalls einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist,
obgleich in diesem Fall die lange Achse eines Rechtecks in der Ebene
des Stators angeordnet ist, wie in 14 gezeigt.
Dieser ferromagnetische Kern 64 hat ebenfalls die Form
eines gespaltenen Rings, ähnlich
wie der von 7, wenn auch mit anderer Ausrichtung,
so dass der Spalt wie bei 65 in 13 gezeigt
angeordnet ist. Auch in diesem Fall sind die kurzen Seiten des mittigen
Körpers
der Wicklungsträger
(innen und außen)
gekrümmt,
um den gespaltenen ferromagnetischen Ring 64 aufnehmen zu
können.
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In ähnlicher
Weise können
die Wicklungsträger
auf einer geraden Wickelschablone angeordnet werden, können die
Wicklungen auf den Wicklungsträgern
hergestellt werden und können
die Wicklungsträger
und Wicklungen dann auf den gespaltenen Ring aufgezogen werden,
der dann in die geschlossene Position gedrückt werden kann, wie in 13 zu
sehen.
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Beispiel 6 – Stator
für Trommelankermotor
(ohne Wicklungsträger)
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In
dieser (in 15 gezeigten) Konfiguration wird
der Stator für
einen Trommelankermotor (oder einen Scheibenankermotor) in der Weise
hergestellt, dass Schlaufen oder Spulen mittels einer Transformatorwickelmaschine
auf einen länglichen
gekrümmten
ferromagnetischen Träger
aufgewickelt werden. Alternativ kann der Träger, wie in 15 gezeigt,
ein gespaltener Ring sein, so dass die Wicklungsschlaufen auf den
Ring aufgezogen werden können
und der Ring geschlossen werden kann. Oder der Ring kann aus separaten
gekrümmten
Segmenten bestehen, die zusammengefügt werden können, um die Wicklungen festzuhalten.
Diese Zeichnung zeigt zwei Wicklungsphasen, die aus insgesamt 4
Segmenten bestehen.
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Vorteile
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Die
Erfindung bietet sich für
die einfache und mühelose
Herstellung von Statorwicklungen an, wobei die Spulen in einem Winkel
von 90° relativ
zur herkömmlichen
Spulenanordnung ausgerichtet sind. Dies gestattet auch den Einsatz
eines bevorzugten Verfahrens zum Wickeln der Spulen auf Wicklungsträger, wie
im Beispiel beschrieben wurde.
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Variationen
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Es
ist möglich,
die Statorwicklungen für
dynamoelektrische Maschinen unterschiedlicher Konfiguration herzustellen,
indem die Wicklungen auf einer Wickelschablone, vorzugsweise einer
geraden Wickelschablone, ohne die Verwendung von Wicklungsträgern hergestellt
werden und die so hergestellten Wicklungen dann auf den entsprechenden ferromagnetischen
Statorkern übertragen
werden, beispielsweise den auf trommelförmigen Kern aus den 4–7 oder
den ringförmigen
Kern aus den 13 und 14 des
Scheibenankermotors. Bei den Ausführungsformen, die einen ringförmigen Kern
verwenden, der einen Schlitz oder Spalt aufweist, wurde es für zweckmäßig befunden,
den Kern in einem solchen Winkel zu spalten, dass ein ganzer Pol
bedeckt wird, um den durch den Schlitz oder Spalt im Kern verursachten
Effekt des Hängenbleibens
zu minimieren, so dass der Motor geräuschärmer läuft.
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Es
ist auch möglich,
die Spulen direkt auf den ferromagnetischen Kern zu wickeln. Der
Kern kann entweder ein Vollkreis sein oder aus einem oder mehreren
Bogensegmenten bestehen. Das Wickeln auf einen Vollkreiskern kann
bewerkstelligt werden, indem man die Segmente dreht oder die Wickelspitze um
die Segmente herumführt.
Das direkte Wickeln auf einen Vollkreiskern kann mittels Verfahren
geschehen, die für
das Wickeln toroidaler Transformatoren entwickelt wurden.
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Es
ist jedoch besonders bevorzugt, das Wickeln auf einer Reihe speziell
geformter Wicklungsträger
vorzunehmen, weil dies dazu beiträgt, die Wicklungen an ihrem
Platz zu halten. Ohne Wicklungsträger kann es erforderlich sein,
die Wicklungen mit geeigneten Harzen oder anderen Verbondungsmitteln
zu tränken,
nachdem sie zufriedenstellend auf dem ferromagnetischen Kern des
Stators angeordnet wurden.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Wicklungstechniken
können
Motoren von unterschiedlichen Größen und
Formen hergestellt werden.
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Obgleich
nicht veranschaulicht, kann diese Technik auch für einen Doppelrotor-Scheibenankermotor
verwendet werden (d. h. je ein Rotor auf jeder Seite des Stators
von 14).
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In
ihrer am meisten bevorzugten Form bietet sich die Erfindung für einen
Trommelankermotor mit einem Innen- und einem Außenrotor an.
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Und
schließlich
sind noch verschiedene weitere Änderungen
und Modifikationen am oben Dargelegten möglich, ohne den Geltungsbereich
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.