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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wickeln eines Drahtes um einen
schlitzlosen Statorkern.
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Komponenten
verschiedener Präzisionsgeräte, wie
optischer und elektronischer Geräte,
erfordern eine Arbeitsgenauigkeit in der Größenordnung von Nanometern,
damit die Anforderungen an die Entwicklung noch genauerer, noch
dichter und noch höher
integrierter Versionen erfüllt
werden. Eine sehr hohe Auflösung
erwartet man von einer Werkzeugmaschine, einem Stepper, einem Elektronenstrahl-Bestrahlungssystem
usw., die zur Bearbeitung dieser Hochpräzisionskomponenten verwendet
werden. Im Allgemeinen sind diese Bearbeitungs- und Herstellungsgeräte mit einer
Positioniervorrichtung ausgestattet. In vielen Fällen erfolgt die Lageregelung
der Positioniervorrichtung mithilfe eines Rotationsservomotors oder
Linearmotors, der über
eine CNC gesteuert wird. Zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit der
Komponenten muss deshalb der Rotationsservomotor oder Linearmotor
sehr genau geregelt werden.
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10 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Magnetkreis eines herkömmlichen Servomotors.
Der Servomotor verfügt über Schlitze 24 in
einem Statorkern 21. Eine aus gewickeltem Draht 22 gebildete
Wicklung 23 ist in jedem Schlitz 24 eingebettet,
wodurch ein Magnetkreis gebildet wird. In diesem gehen die magnetischen
Kraftlinien 27 durch Zahnabschnitte 26 zwischen
den Schlitzen 24. Die magnetischen Kraftlinien 27 verlaufen
somit je nach der Stellung und Form der Zahnabschnitte 26 und
werden nicht durch die Art des Wickelns der Wicklung 23 beeinflusst.
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In
der Regel unterliegt der Rotationsservomotor oder der Linearmotor
einer Drehmomentwelligkeit ("Ripple"), die minimiert
werden muss, damit der Motor sehr genau geregelt werden kann.
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Drehmomentwelligkeit
kann grob in zwei Kategorien unterteilt werden: eine aufgrund struktureller Bedingungen
und die andere aufgrund elektromagnetischer Bedingungen. Bei einem
Rotationsservomotor kann zum Beispiel ein Reibungswiderstand, der
in einem Lager für
die Welle eines Rotors erzeugt wird, eine Drehmomentwelligkeit aufgrund
struktureller Bedingungen sein. Eine Magnetostriktion zwischen dem
Rotor und einem Stator kann dagegen eine Drehmomentwelligkeit aufgrund
elektromagnetischer Bedingungen sein.
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Herkömmlicherweise
wird zur Beschränkung des
Auftretens von Drehmomentwelligkeit aufgrund struktureller Bedingungen
vorgeschlagen, dass der Reibungswiderstand durch Stützen der
Welle ohne Kontakt mithilfe eines pneumatischen oder magnetischen
Lagers gesenkt wird. Zur Beschränkung
des Auftretens von Drehmomentwelligkeit auf grund elektromagnetischer
Bedingungen wird zudem die Verwendung eines schlitzlosen Stators
vorgeschlagen.
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Beim
Herstellen einer Wicklung durch Wickeln eines Drahtes um einen Statorkern
werden in der Regel Schlitze im Statorkern gebildet. Die Schlitze
können
ein Cogging-Drehmoment
erzeugen. Bei einem Statorkern mit Schlitzen hängt die elektromagnetische
Wirkung des Rotors von der Schlitzform ab und wird wenig durch die
Art der Drahtwicklung beeinflusst. Also muss nur die Anzahl der
Windungen der Wicklung gleich einer vorgegebenen Anzahl sein; die
Position und die Gestalt der Wicklung sind nicht sehr entscheidende
Faktoren.
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Bei
einem Motor mit einem schlitzlosen Statorkern sind dagegen die Positionsgenauigkeit
und die Gestalt der Wicklung wesentliche Faktoren, die die elektromagnetische
Wirkung auf den Rotor bestimmen.
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11 zeigt
einen schematischen Querschnitt von einem Magnetkreis bei einem
schlitzlosen Motor. 12 zeigt schematisch im Querschnitt
Positionsfehler bei einer Wicklung.
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Siehe 11:
Eine Wicklung 33 ist auf die Innenseite eines ringförmigen Statorkerns 31 von
einem schlitzlosen Motor geklebt, der einem Rotor 35 gegenüberliegt.
Der Statorkern 31 ist ohne Schlitze oder Zahnabschnitte
geformt. Weil die Magnetkraftlinien 37 durch die Stellung
und die Art des Wickelns der Wicklung 33 beeinflusst werden,
ist die Positionsgenauigkeit der auf den Statorkern 31 geklebten Wicklung 33 ein
Faktor, der das Auftreten von Drehmomentwelligkeit bestimmt.
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Siehe 12:
Die Positionsfehler der Wicklung sind u.a. (a) falsche Ausrichtung
zwischen Windungen des Drahtes in jedem Block der Wicklung, (b) ein
Fehler in der Klebeposition des Drahtes in Richtung des Statorkernumfangs
und (c) ein Fehler in der Klebeposition des Drahtes in radialer
Statorkernrichtung. In einigen Fällen
ist die Drehmomentwelligkeit aufgrund von Positionsfehlern in der
Wicklung größer als
bei einem Motor mit Schlitzen.
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Ein
Verfahren zum Wickeln eines Drahtes um einen schlitzlosen Statorkern
ist bereits vorgeschlagen worden. 13 und 14 veranschaulichen
dieses Wicklungsverfahren.
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Siehe 13 und 14:
Die Wicklungen 52 in Form eines einfachen Segments werden
jeweils vorher hergestellt, indem ein Draht wie ein Array mithilfe
einer Aufspannvorrichtung oder dergleichen gewickelt wird. Diese
segmentförmigen
Wicklungen 52 werden auf einen Statorkern 51 geklebt
und dann über
einen Verbindungsdraht untereinander verbunden. Dadurch lässt sich
die Positionsgenauigkeit der Wicklungen beim Zusammenbau verbessern.
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Bei
diesem Verfahren zum Wickeln des Drahtes um den schlitzlosen Statorkern
wird die Wicklung jedoch nur auf eine Seite des Statorkerns geklebt,
so dass eine zufrieden stellende Festigkeit nicht leicht erhalten
werden kann. Wird die gesamte Struktur geformt, kann daher die Wicklung
abfallen, wenn das Formmittel beim Härten schrumpft.
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Weil
die segmentförmigen
Wicklungen einander überlappen,
müssen
sie zudem eine komplizierte dreidimensionale Gestalt haben. Genauer
gesagt, überlappen
sich teilweise ein Erste-Phase-Wicklungssegment 52 (z.B.
ein Segment einer U-Phasen-Wicklung),
ein Zweite-Phase-Wicklungssegment 54 (z.B. ein Segment
einer V-Phasen-Wicklung)
und ein Dritte-Phase-Wicklungssegment 55 (z.B. ein Segment
einer W-Phasen-Wicklung)
und werden stetig in Richtung des Umfangs auf den Statorkern 51 geklebt.
Zur Fixierung der Höhe
eines geraden Abschnitts (der als Magnet dient) von jedem Segment
in senkrechter Richtung wird deshalb des Wicklungssegment 52 mit
einem gebogenen Abschnitt 53 geformt.
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In
dem gebogenen Abschnitt 53 kann die Beschichtung des Drahtes
am leichtesten brechen. Er liegt an einem Randabschnitt des Statorkerns.
Daher tritt in diesem Abschnitt leicht ein Kurzschluss zwischen
Leitungen oder ein Leitung-zu-Masse-Kurzschluss auf. Der Draht unterliegt
folglich einer erheblichen Biegebeanspruchung, so dass seine Beschichtung
brechen kann, was möglicherweise
zu einem Kurzschluss zwischen Leitungen oder zu einem Leitung-zu-Masse-Kurzschluss
führt.
Daneben ist es aufgrund von Positionsfehlern durch Unterschiede
in Form und Größe zwischen
den Segmenten oder Fehlern in senkrechter Richtung aufgrund der
Klebeverbindung schwierig, die Wicklungssegmente mit hoher Positionsgenauigkeit
anzuordnen.
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Siehe 15:
Zudem springen Wicklungsnasen 58 in axialer Richtung einer
Motorwelle 56 aus dem Statorkern 51 vor. Die Nasen 58 haben
keine elektromagnetische Wirkung auf den Rotor. Nimmt die Anzahl
Windungen zu, wird daher der Motor größer, was die Miniaturisierung
behindert. Bei dem in 16 gezeigten Beispiel werden
punktförmige
Rinnen 59 gebildet, indem die Abschnitte von einem Gehäuse 57 von
einer Haltevorrichtung für
den Stator und dergleichen einzeln geschnitten werden, die den Nasen 58 entsprechen.
Wird der Motor auf diese Weise verkleinert, sinkt unvermeidlich
seine mechanische Festigkeit.
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In
DE 44 19 780 A ist
ein Verfahren offenbart zum Wickeln einer toroidalen Wicklung um
einen schlitzlosen Motorstator gemäß der Präambel des beigefügten Anspruchs
1. Dies ergibt einen Motorstator gemäß der Präambel des beigefügten Anspruchs 7.
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US-A-4
511 870 offenbart ein Fokussierungssolenoid zum Fokussieren eines
Elektronenstrahls in einer Bildaufnahmeröhre, wobei isolierter Draht
spiralförmig
um eine isolierende zylindrische Manschette gewunden ist, so dass
mehrere übereinander
liegende Drahtschichten mit der gleichen Wicklungsrichtung um die
Manschette erhalten werden.
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Unter
einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt
zum Wickeln einer toroidalen Wicklung um einen schlitzlosen Motorstatorkern,
umfassend: einen Schritt spiralförmiges
Wickeln einer ersten Schicht von Windungen eines Drahtes um den
schlitzlosen Statorkern, wobei der Draht in einer ersten Richtung
derart verläuft,
dass kein Teil des gewickelten Drahtes sich mit einem anderen, zuvor
gewickelten Drahtanteil überschneidet; gekennzeichnet
durch: einen anschließenden
Schritt spiralförmiges
umgekehrtes Wickeln einer zweiten Schicht von Windungen des Drahtes
um die erste Schicht, wobei der Draht in einer zweiten, zur ersten Richtung
entgegengesetzten Richtung derart verläuft, dass kein Teil des gewickelten
Drahtes in der zweiten Schicht sich mit irgendeinem anderen, zuvor gewickelten
Drahtanteil in der zweiten Schicht überschneidet; und eine Leiterplatte,
die auf mindestens eine Stirnseite des Statorkerns geklebt ist,
wobei der Draht in den spiralförmigen
Wicklungsschritten um den Statorkern und die Leiterplatte gemeinsam
gewickelt wird.
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Unter
einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Stator von einem Motor
bereitgestellt, umfassend: einen schlitzlosen Statorkern mit im
Wesentlichen rechteckigem Querschnitt; und eine Mehrzahl Wicklungssegmente,
die gebildet werden durch toroidales Wickeln eines Drahtes um den
Statorkern, wobei die Anzahl der Segmente von der Anzahl der Pole des
Motors und der Anzahl der Phasen einer Wechselspannungsquelle abhängt, wobei
jedes Wicklungssegment eine erste Wicklungsschicht enthält, die
gebildet wird durch spiralförmiges
Wickeln des Drahtes in einer ersten Richtung auf dem Statorkern, so
dass kein Teil des Drahtes sich mit einem anderen Drahtanteil der
ersten Wicklungsschicht überschneidet;
wobei der Stator gekennzeichnet ist durch: eine zweite Wicklungsschicht,
die gebildet wird durch spiralförmiges
Wickeln des Drahtes in einer zweiten, zur ersten Richtung entgegengesetzten
Richtung auf der ersten Wicklungsschicht, so dass kein Teil des
Drahtes in der zweiten Wicklungsschicht sich mit einem anderen Drahtanteil
in der zweiten Wicklungsschicht überschneidet,
wobei die zweite Wicklungsschicht auf die erste Wicklungsschicht
gestapelt ist; und die Wicklungssegmente, die im Wesentlichen die
gleiche Anzahl Windungen und die gleiche äußere Form besitzen, auf dem
Statorkern in im Wesentlichen gleichen Abständen in Richtung des Kerns
angeordnet sind, wobei jedes Wicklungssegment gebildet worden ist
durch Wickeln des Drahtes um den Statorkern und eine Leiterplatte,
die auf mindestens eine Stirnseite des Statorkerns geklebt ist.
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Die
Erfindung kann ein Verfahren zum Wickeln eines Drahtes um einen
schlitzlosen Statorkern mit hoher Positionsgenauigkeit bereitstellen,
wodurch eine Wicklung hergestellt wird, die ein gleichmäßiges Magnetfeld
erzeugen kann.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren bereit, wobei eine Wicklung hergestellt
wird durch toroidales Wickeln eines Drahtes wie einen Array um einen schlitzlosen
Statorkern, wodurch ein Stator für
einen Rotations- oder Linearmotor hergestellt wird.
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In
der folgenden Erläuterung
bedeutet "toroidale
Wicklung" ein derart
durchgeführtes
Wicklungsverfahren, dass der Draht ohne jegliche überschneidende
oder überlappende
Windungen in einer Richtung zur Herstellung der Wicklung gewickelt
wird, weil diese durch spiralförmiges
Drehen gewickelt wird. Mit diesem Wicklungsverfahren lässt sich
die Genauigkeit der Position der Wicklung in einer zur Oberfläche des
Statorkerns tangentialen Richtung verbessern.
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"Arraywickeln" bedeutet zudem ein
derart durchgeführtes
Wicklungsverfahren, dass die Wicklung in Schichten durchgeführt wird,
die aufeinander gestapelt sind. Mit diesem Wicklungsverfahren lässt sich
die Genauigkeit der Position der Wicklung in einer zur Oberfläche des
Statorkerns senkrechten Richtung verbessern. Durch Verbessern der
Positionsgenauigkeit der Wicklung in senkrechter Richtung wird die
Gesamtdicke der Wicklung gleichmäßig gemacht.
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Die
Positionsgenauigkeit der Wicklung kann also in tangentialer und
senkrechter Richtung zur Oberfläche
des Statorkerns verbessert werden, indem mit einer Kombination von
toroidalem Wickeln und Arraywickeln gewickelt wird. Weil die Wicklung mit
hoher Positionsgenauigkeit in diesen beiden Richtungen durchgeführt wird,
können
der elektrische Widerstand und die Induktivität der Wicklung gleichmäßig gemacht
werden, so dass ein gleichmäßiges Magnetfeld
gebildet werden kann.
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Beim
toroidalen Wickeln kann die Positionsgenauigkeit der Wicklung in
tangentialer und senkrechter Richtung zur Oberfläche des Statorkerns verbessert
werden, wird der Draht in Schichten in vorgegebenen Abständen gewickelt.
Dadurch kann ein gleichmäßiges Magnetfeld
erzeugt werden.
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Beim
toroidalen Wickeln werden keine sich überschneidenden oder überlappenden
Windungen im Draht innerhalb jeder Schicht in einer Richtung zur Herstellung
der Wicklung gebildet. Wird der Wicklungsvorgang wiederholt und
die nächste
Schicht gewickelt, können
aber sich überschneidende
Windungen im Draht zwischen den benachbarten Schichten gebildet
werden. Diese sich überschneidenden
Windungen können
sich auf der Seite eines von dem Stator erzeugten Magnetfelds befinden,
die die Drehung eines Rotors weniger beeinflusst. Je nach der Stelle der
sich überschneidenden
Windungen kann der Einfluss von Ungleichmäßigkeit des darin erzeugten
Magnetfelds auf Drehmomentwelligkeit verringert werden. Die sich überschneidenden
Windungen können sich
beispielsweise auf einer Stirnseite des Stators in seiner Axialrichtung
oder auf der Außenumfangsfläche des
Stators auf der von dem Rotor abgewandten Seite befinden.
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Wird
der Draht um einen ringförmigen
Statorkern toroidal gewickelt, bilden sich Lücken zwischen Drahtwindungen
auf der Außendurchmesserseite aufgrund
des unterschiedlichen Innen- und Außendurchmessers des Statorkerns.
Gewöhnlich
befindet sich der Rotor aber auf der Innendurchmesserseite des Stators.
Wird das Magnetfeld durch die Lücken zwischen
den Drahtwindungen auf der Außendurchmesserseite
ungleichmäßig, wird
die Drehung des Rotors dadurch nicht beeinflusst.
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Bei
einer Entwicklung hat der Draht für die Wicklung einen flachen
rechteckigen Querschnitt und wird derart gewickelt, die die aneinander
stoßenden Seiten
der jeweiligen rechteckigen Querschnitte der benachbarten Drahtwindungen
zueinander parallel sind. Ist der Draht ein Runddraht mit einem
runden Querschnitt, werden die Drahtwindungen an den Umkehrenden
der Wicklung sogar bei Arraywicklung unvermeidbar versetzt gestapelt,
so dass das Magnetfeld ungleichmäßig wird.
Hat der Draht nach dieser Entwicklung einen flachen rechteckigen
Querschnitt, kann er derart gewickelt werden, dass die aneinander stoßenden Seiten
der jeweiligen rechteckigen Querschnitte der benachbarten Drahtwindungen
parallel zueinander verlaufen. Dadurch kann ein gleichmäßiges Magnetfeld
sogar an den Umkehrenden der Wicklung erzeugt werden.
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Eine
Größenzunahme
der gesamten Wicklung kann dadurch beschränkt werden, dass das Verhältnis zwischen
den jeweiligen Längen
der langen und kurzen Seiten des rechteckigen Drahtquerschnitts
geeignet eingestellt wird.
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Bei
einer anderen Entwicklung der Erfindung wird ein Wicklungsverfahren
zur Herstellung von Wicklungen bereitgestellt, wobei die Wicklungen
für einzelne
Phasen, deren Anzahl von der Anzahl der Pole abhängt, über eine Verdrahtung auf der
Leiterplatte, sich auf mindestens einer Stirnseite des Statorkerns
befindet, miteinander elektrisch verbunden werden.
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Ist
ein mehrpoliger Motor derart gestaltet, dass er in verschiedenen
Phasen angetrieben werden kann, werden auf seinem Stator mehrere
Wicklungen hergestellt, die der Anzahl der Pole des Motors und der
Anzahl der Phasen entsprechen. Bei dem Stator eines achtpoligen
dreiphasigen Wechselstromservomotors sind beispielsweise Einheitswicklungen,
die durch eine Kombination von toroidalem Wickeln und Arraywickeln
gebil det und im Folgenden als Segment bezeichnet werden, einzeln
an 24 (= 8 × 3)
Positionen in einem Winkelbereich von 15° auf einem schlitzlosen Statorkern
angeordnet. Bei der Anordnung der Segmente werden jeweils zwei benachbarte
Segmente in umgekehrten Richtungen gewickelt, und jeweils drei Segmente
haben die gleiche Phase.
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Die
Segmente können
mithilfe der Leiterplatte verbunden werden, die auf eine Stirnseite
oder auf jede der zwei gegenüberliegenden
Stirnseiten des Statorkerns geklebt ist. Zudem wird der Draht um
den Statorkern und die Leiterplatte gemeinsam gewickelt. Diese Anordnung
erleichtert die Verbindung der Segmente. Es springen zudem weniger
Nasen der Wicklungen vor, so dass der Motor kleiner werden kann. Weil
der Draht den Statorkern und die Leiterplatte in einem vereinigten
Körper
fixiert, löst
oder verschiebt sich der Draht weniger von der erhaltenen Struktur. Jeder
Randabschnitt des Statorkerns kann mit der Leiterplatte bedeckt
werden. So werden zudem die Biegebeanspruchung auf den Draht und
Abschälen der
Isolationsbeschichtung verhindert. Die Funktion der Leiterplatte
kann durch Abrunden des Profils am Randabschnitt der Platte verbessert
werden.
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Ein
Stator von einem Motor, auf den das oben beschriebene Verfahren
angewendet wird, kann einen ringförmigen schlitzlosen Statorkern
mit rechteckigem Querschnitt und eine Mehrzahl an Wicklungssegmenten
umfassen, die gebildet werden durch Wickeln eines Drahtes um den
Statorkern, wobei die Anzahl der Segmente von der Anzahl der Pole des
Motors und der Anzahl der Phasen einer Wechselspannungsquelle abhängt. Jedes
Wicklungssegment enthält
eine erste Wicklungsschicht, die gebildet wird durch spiralförmiges Wickeln
des Drahtes in einer ersten Richtung auf dem Statorkern, ohne dass ein
Teil des Drahtes sich mit irgendeinem anderen Drahtanteil überschneidet,
und eine zweite Wicklungsschicht, die gebildet wird durch spiralförmiges Wickeln
des Drahtes in einer zweiten, zur ersten Richtung entgegengesetzten
Richtung auf der ersten Wicklungsschicht, ohne dass irgendein Teil
des Drahtes sich mit einem anderen Drahtanteil überschneidet, wobei die zweite
Wicklungsschich auf die erste Wicklungsschicht gestapelt ist. Die
Wicklungssegmente haben zudem die gleiche Anzahl an Windungen und
die gleiche äußere Form
und werden auf dem Statorkern in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet.
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Der
Draht, der die Wicklungssegmente bildet, kann zudem einen runden
oder flachen rechteckigen Querschnitt haben.
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Außerdem können die
Wicklungssegmente miteinander durch ein gedrucktes Muster auf der
Leiterplatte, die auf mindestens eine Stirnseite des Statorkerns
geklebt ist, verbunden werden.
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Die
vorstehenden und weitere Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt:
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1 eine
Perspektivansicht von der Seite eines Rotors her von einer Wicklung
auf dem Stator eines dreiphasigen Wechselstromservomotors, die durch
ein erfindungsgemäßes Drahtwicklungsverfahren
gebildet wurde;
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2 eine
Aufsicht auf den Stator der 1 von der
Rotorseite her;
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie A-A der 2, der einen
Draht mit rundem Querschnitt zeigt;
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4 einen
Querschnitt entlang der Linie A-A der 2, der einen
Draht mit rechteckigem Querschnitt zeigt;
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5 eine
Perspektivansicht von der vom Rotor abgewandten Seite von einer
Wicklung auf dem Stator eines dreiphasigen Wechselstromservomotors,
die durch das erfindungsgemäße Drahtwicklungsverfahren
gebildet wurde;
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6 eine
Aufsicht auf den Stator der 5 von der
Rotorseite her;
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7 einen
Querschnitt entlang der Linie B-B der 6, der einen
Draht mit rundem Querschnitt zeigt;
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8 einen
Querschnitt entlang der Linie B-B der 6, der einen
Draht mit rechteckigem Querschnitt zeigt;
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9 einen
Querschnitt durch den dreiphasigen Wechselstromservomotor mit dem
in 1 oder 5 dargestellten Stator;
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10 einen
schematischen Querschnitt, der den Magnetkreis eines herkömmlichen
Servomotors veranschaulicht;
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11 einen
schematischen Querschnitt, der den Magnetkreis eines herkömmlichen
schlitzlosen Motors veranschaulicht;
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12 eine
Ansicht zur Veranschaulichung von Positionsfehlern bei einer Wicklung;
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13 ein
Beispiel aus dem Stand der Technik, das durch Wickeln eines Drahtes
um einen schlitzlosen Statorkern gebildet wird;
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14,
wie der Draht der 13 an einem schlitzlosen Statorkern
für einen
dreiphasigen Motor befestigt wird;
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15 einen
Querschnitt durch den dreiphasigen Motor mit dem schlitzlosen Statorkern
der 14; und
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16 punktförmige Rinnen
in einem Gehäuse,
die einzeln Nasen einer Wicklung aufnehmen.
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Siehe
die beigefügten 1 bis 9:
Es wird ein Fall beschrieben, wobei ein erfindungsgemäßes Wicklungsverfahren
auf einen Stator von einem dreiphasigen Wechselstromservomotor angewendet wird.
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Die
Leiterplatten 12 und 13 werden einzeln innig mit
den gegenüberliegenden
Stirnflächen
(oberen und unteren Stirnflächen
in 1) eines Statorkerns 11 in der axialen
Richtung einer Motorwelle verbunden. Ein Draht 2 wird um
die Leiterplatten 12 und 13 und den Statorkern 11 gewunden
und umschließt
diese integral. Diese Art der Drahtwicklung ist eine Kombination
aus toroidalem und Arraywickeln.
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Beim
toroidalen Wickeln des Drahtes 2 um den Statorkern 11 und
die Leiterplatten 12 und 13 wird der Draht spiralförmig in
Längsrichtung
(Richtung A-A in 2) des Statorkerns 11 gedreht.
Siehe 2: Bei jeder durch das Wickeln gebildeten Wicklungsschicht
wird der Draht 2 toroidal gewickelt, ohne dass Überschneidung
oder Überlappung
erzeugt wird.
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Nach
dem Wickeln des Drahtes 2 um den Kern 11 und die
Leiterplatten 12 und 13 zu einer Schicht in Längsrichtung
des Statorkerns 11 wird er am Endabschnitt umgekehrt und über die
Schicht (erste Schicht) aufgebracht, die im vorhergehenden Wicklungszyklus
hergestellt wurde. Für
die nächste Schicht
(zweite Schicht) wird der Draht 2 wie für die erste Schicht toroidal
gewickelt.
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Dadurch
erfolgt die Wicklung in Schichten, und die einzelnen Schichten sind
für das
Arraywickeln gestapelt.
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In 3 und 4 ist
dieses Arraywickeln dargestellt, und zwar in 3 für einen
Draht mit rundem Querschnitt und in 4 für einen
Draht mit flachem rechteckigem Querschnitt.
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Siehe 3:
Ein Draht 2a wurde für
jede Schicht toroidal gewickelt, und die einzelnen Schichten werden
mittels Arraywickeln gestapelt. Jeweils ein runder Querschnitt des
Drahtes 2a in der einen Schicht befindet sich über der
Grenze zwischen den jeweiligen runden Querschnitten zweier benachbarter
Windungen des Drahtes 2a in der darunter liegenden Schicht.
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Siehe 4:
Ein Draht 2b wird für
jede Schicht toroidal gewickelt, und die einzelnen Schichten werden
mittels Arraywickeln gestapelt. Jeweils ein rechteckiger Querschnitt
des Drahtes 2b in einer Schicht befindet sich direkt auf
dem rechteckigen Querschnitt des Drahtes 2b in der jeweiligen
direkt darunter liegenden Schicht. Wird der Draht 2b derart gewickelt,
dass in jeder Schicht jeweils die kurze Seite des rechteckigen Querschnitts
jeder Windung des Drahtes 2b parallel zu der kurzen Seite
seiner benachbarten Windung liegt, werden die jeweiligen Endabschnitte
der umgekehrten Ränder
des Drah tes 2b in jeder Schicht ausgerichtet, so dass ein
gleichmäßiges Magnetfeld
erzeugt werden kann.
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Eine
Vergrößerung der
gesamten Wicklung kann zudem beschränkt werden durch geeignetes Einstellen
des Verhältnisses
zwischen den jeweiligen Längen
der langen und kurzen Seiten von dem rechteckigen Querschnitt des
Drahtes 2b. Zum Beispiel kann die Gesamtdicke des Motors
in radialer Richtung von der Achse der Motorwelle verringert werden,
indem man den rechteckigen Draht 2b in Schichten derart
stapelt, dass die kurze Seite jedes rechteckigen Querschnitts in
einer Linie mit der radialen Richtung liegt.
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Verläuft der
Draht beim toroidalen Wickeln jeder einzelnen Schicht in einer Richtung, überschneiden
sich, wie erwähnt,
niemals zwei benachbarte Windungen des Drahtes. Ist das Wickelns
der ersten Schicht abgeschlossen und wird mit dem Wickeln der zweiten
Schicht begonnen, überschneiden sich
jedoch einige Windungen der beiden Schichten. Diese sich überschneidenden
Windungen befinden auf der Seite eines vom Stator erzeugten Magnetfelds,
die die Drehung des Rotors weniger beeinflusst wird, d.h. bei dem
in 5 dargestellten Beispiel auf der von dem Rotor
abgewandten Seite. Ersatzweise können
die sich überschneidenden
Windungen auf der Stirnfläche
des Stators in der axialen Richtung der Motorwelle sein.
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6 zeigt
den Stator von der Rotorseite her, wobei man die sich überschneidenden
Windungen zwischen den benachbarten Schichten sieht. Wie 6 zeigt,
verändert
sich der Neigungswinkel der Wicklung in Bezug auf die Längsrichtung
des Statorkerns (Richtung B-B in 6) zwischen
den Schichten. Der Draht kann auf diese Weise mittels Arraywickeln
gewickelt werden, was in dem Querschnitt der 7 oder 8 dargestellt
ist.
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Siehe 7 oder 8:
Ein Draht 2a oder 2b wird für jede Schicht toroidal gewickelt.
Die einzelnen Schichten werden mittels Arraywickeln gestapelt. Ein
runder oder rechteckiger Querschnitt des Drahtes 2a oder 2b in
jeder Schicht kommt direkt auf dem runden oder rechteckigen Querschnitt
des Drahtes 2a oder 2b in der jeweils direkt darunter
liegenden Schicht zu liegen.
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Der
Rotor wird mit elektromagnetischer Kraft gedreht, die zwischen magnetischen
Kraftlinien davon und durch Strom, der durch die toroidale Wicklung
fließt,
erzeugt wird. Die von einem Magneten in einem Rotorkern erzeugten
magnetischen Kraftlinien durchqueren die toroidale Wicklung auf
der Rotorseite, gehen durch den Statorkern, durchqueren erneut die
toroidale Wicklung und kehren zum Rotor zurück. So wird ein Magnetkreis
gebildet. Fließt
Strom durch die toroidale Wicklung, die von den magnetischen Kraftlinien
durchquert wird, wird elektromagnetische Kraft erzeugt, so dass
der Stator einer Kraft unterliegt. Weil der Stator fest ist, dreht
sich der Rotor aufgrund einer Reaktionskraft, die dieser Kraft entgegenwirkt.
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Bei
dem Wicklungsverfahren der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform müssen nicht
die an herkömmlichen
Wicklungen gebildeten Nasen erzeugt werden, so dass die axiale Länge der
Motorwelle beschränkt
und Miniaturisierung gewährleistet
werden kann. Siehe 9: Außerdem kann das Wicklungssegment 3 in
einem Motor untergebracht werden, ohne dass eine punktförmige Rinne
in einem Gehäuse 17 gebildet
werden muss.
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Die
vorstehende Ausführungsform
wurde in Verbindung mit einem Rotationsservomotor beschrieben. Die
Erfindung kann aber auch auf einen Linearmotor angewendet werden.
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Nach
der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform können eine
Wicklung eines schlitzlosen Statorkerns, die ein gleichmäßiges Magnetfeld
erzeugen kann, sowie ein Drahtwicklungsverfahren für die Wicklung
bereitgestellt werden. Zudem können
eine Wicklung von einem schlitzlosen Statorkern, die mit hoher Positionsgenauigkeit angeordnet
ist, sowie ein Drahtwicklungsverfahren für die Wicklung bereitgestellt
werden. Zudem können
eine Wicklung von einem schlitzlosen Statorkern, die weniger Vorsprünge von
dem Statorkern in Axialrichtung eines Motors aufweist, sowie ein
Drahtwicklungsverfahren für
die Wicklung bereitgestellt werden.