DE102017124859A1

DE102017124859A1 - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule und Wickelvorrichtung

Info

Publication number: DE102017124859A1
Application number: DE102017124859.5A
Authority: DE
Inventors: Lukas Eisenmann
Original assignee: AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG
Current assignee: AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-04-25
Also published as: WO2019081516A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule (10), bei welchem ein elektrischer Leiter (20) auf einen Träger (12) aufgewickelt wird. Es wird vorgeschlagen, dass der Leiter (20) vor dem Auflaufen auf den Träger (12) in Richtung einer Längsachse (L) der Spule (10) derart plastisch verformt wird, dass eine resultierende Verformung (38) des Leiters (22) einem gewünschten Windungssprung (22) entspricht.
Die Erfindung betrifft ferner eine Wickelvorrichtung (30) zum Herstellen einer elektrischen Spule (10), wobei die Wickelvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Leiter (20) auf einen Träger (12) aufzuwickeln, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens: Die Wickelvorrichtung (30) umfasst eine Umformeinrichtung (32), welche dazu ausgelegt ist, den Leiter (20) vor dem Auflaufen auf den Träger (12) in Richtung einer Längsachse (L) der Spule (10) derart plastisch zu verformen, dass eine resultierende Verformung (38) des Leiters (20) einem gewünschten Windungssprung (22) entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule, bei welchem ein elektrischer Leiter auf einen Träger aufgewickelt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Wickelvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
In vielen technischen Gebieten steigt die Nachfrage nach leistungsfähigen Elektromotoren, beispielsweise im Bereich der Antriebstechnik für Fahrzeuge oder im Anlagenbau. Vorteilhaft an Elektromotoren sind sowohl das gute Drehmomentverhalten über den gesamten Drehzahlbereich, als auch der hohe Wirkungsgrad.
Ein Hauptbestandteil von Elektromotoren sind elektrische Spulen. Um das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment und dessen Wirkungsgrad zu erhöhen, wird die Verwendung von Spulen mit einem möglichst hohen Füllfaktor angestrebt. Der Füllfaktor ergibt quantitativ an, wie gut der zur Verfügung stehende Wickelraum einer Spule mit elektrischen Leitern ausgefüllt ist. Wenn der Füllfaktor erhöht werden kann, so verstärkt sich auch das von der Spule erzeugte elektrische Feld, wodurch bei gleichem Bauraum das Drehmoment und somit die erreichbare Leistung eines Elektromotors erhöht werden kann.
Das Herstellen einer elektrischen Spule erfolgt dadurch, dass ein oder mehrere elektrische Leiter auf einen Träger aufgewickelt werden, wobei der Träger beispielsweise ein Wickeldorn ist, der nach dem Wickeln aus der Spule entfernt wird, oder als Spulenkörper ausgebildet ist, der in der Spule verbleibt. Das Wickeln erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen dem Träger und einer Zuführeinrichtung, welche den aufzuwickelnden elektrischen Leiter von einer Vorratsrolle oder dergleichen an den Träger heranführt.
Die konkrete Ausgestaltung dieser Relativbewegung wird als Wickelverfahren bezeichnet, wobei allgemein verschiedene Arten von Wickelverfahren bekannt sind. Beispielhaft sei hier das Linearwickelverfahren genannt, bei dem der zu bewickelnde Träger um seine Längsachse rotiert wird und die Zuführung des elektrischen Leiters über ein Drahtführerröhrchen (auch als Drahtführerdüse bezeichnet) erfolgt, die relativ zu dem rotierenden Träger in ein oder mehrere Richtungen verfahren werden kann. Ein weiteres beispielhaftes Wickelverfahren ist das Nadelwickelverfahren, mit dessen Hilfe beispielsweise eng beieinanderliegende Polschuhe eines elektronisch kommutierten Vielpol-Drehstrommotors direkt bewickelt werden können. Da hierbei der elektrische Leiter in einem Winkel von 90° aus der Drahtführerdüse gezogen wird, ist ein gezieltes Ablegen des Leiters nur bedingt möglich. Ein anderes bekanntes Wickelverfahren ist das Flyerwickelverfahren.
Erheblichen Einfluss auf den Füllfaktor hat insbesondere die Wickelgeometrie. Mit einem Wicklungsaufbau als orthozyklische Wicklung lässt sich insbesondere für Leiter mit rundem Querschnitt ein optimaler Füllfaktor erzeugen. Bei einer orthozyklischen Wicklung wird angestrebt, die Windungen einer Oberwicklung in die Täler einer Unterwicklung abzulegen, sodass die Mittelpunkte von jeweils drei unmittelbar zueinander benachbarten Leitern ein gleichschenkliges Dreieck definieren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Großteil der Leiter der Spule rechtwinklig zu der Längsachse der Spule verlaufen, d. h. in Ebenen liegen, die senkrecht zu der Längsachse der Spule verlaufen. Für eine optimale Raumausnutzung wird angestrebt, den größtmöglichen Umfangsanteil einer jeweiligen Windung innerhalb dieser orthogonalen Ebenen zu wickeln. Trifft eine Windung auf den zuvor eingelaufenen Leiter, muss der Leiter einen Windungssprung in der Größe des Leiterdurchmessers vollziehen. Dieser Windungssprung, der auch als Reihensprung oder Windungsschritt bezeichnet wird, kann sich je nach Leiterdurchmesser und Spulendurchmesser und vor allem der Wickelbreite z. B. über einen Winkelbereich von bis zu 60° des Umfangs einer runden Spule bzw. bei rechteckigen Spulen über eine Rechteckseite am Wicklungsgrund in der ersten Windungslage ausbreiten.
Um zu gewährleisten, dass der elektrische Leiter oder Draht die gewünschte orthozyklische Lage einnimmt, werden Träger eingesetzt, die auf ihrem Wicklungsgrund, d. h. an ihrer Umfangsseite, eingeprägte Rillungen oder Vertiefungen aufweisen, die dem gewünschten Windungsverlauf der ersten Wicklungslage entsprechen. Beim Ablegen der zweiten oder weiteren Wicklungslagen ist jedoch eine zuverlässige Drahtführung, insbesondere im Bereich des Windungssprungs, nicht mehr gegeben.
Bei orthozyklisch gewickelten Spulen wird angestrebt, dass sich der Windungssprungbereich für verschiedene Lagen stets mehr oder weniger an derselben Winkelposition befindet. Da sich aufgrund der Umkehr der Wickelrichtung die Leiter im Windungssprungbereich von zwei benachbarten Lagen kreuzen, führt dies zu einer Vergrößerung der Wicklungshöhe, d. h. bei einer runden Spule zu einer buckelförmigen Ausformung. Bei der Konstruktion von Elektromotoren wird angestrebt, dass sich diese Bereiche größerer Wicklungshöhe in Positionen befinden, wo ein ausreichender Bauraum zur Verfügung steht, sodass die Leistung und/oder der Wirkungsgrad des Elektromotors nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt wird.
Eine Maschine zum Wickeln orthozyklischer Spulen ist beispielsweise in US 1 504 005 A beschrieben. Der Drahtführer wird hier nicht kontinuierlich, sondern zyklisch in axialer Richtung bewegt, um den Windungssprung zu realisieren. Eine ähnliche Maschine ist in DE 1 151 321 B beschrieben. In WO 2011/045016 A2 wird ein Wickelverfahren und eine entsprechende Vorrichtung beschrieben, bei welcher der einlaufende Draht in radialer Richtung bezüglich der Längsachse der Spule, d. h. quer zu einer Ablegerichtung des Drahtes, vorgebogen wird. Dadurch wird vermieden, dass sich bei dem Bewickeln eines nicht kreisrunden Trägerkörpers, beispielsweise einer Spule mit rechteckigem Querschnitt, der Draht nicht vollständig an die zu bewickelnde Oberfläche des Trägerkörpers anlegt. Ein derartiges Aufbauchen resultiert dadurch, dass im Bereich der Ecken des Trägerkörpers der Draht mit einem sehr engen Radius aufgewickelt werden muss, wobei alleine durch den Drahtzuführer keine ausreichende plastische Verformung erzielt werden kann. Da der Draht bestrebt ist, zumindest teilweise in seine ursprüngliche Lage zurückzukehren, führt dies zu einem Abheben von dem Trägerkörper zwischen zwei benachbarten Biegepunkten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule und eine entsprechende Wickelvorrichtung anzugeben, welche das Herstellen von elektrischen Spulen, insbesondere von elektrischen Spulen mit orthozyklischer Wicklung, verbessert.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Wickelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Wickelvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sinngemäß auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Wickelvorrichtung und umgekehrt vorgesehen sein können.
Es wird vorgeschlagen, dass der Leiter vor dem Auflaufen auf den Träger in Richtung einer Längsachse der Spule derart plastisch verformt wird, dass eine resultierende Verformung des Leiters einem gewünschten Windungssprung entspricht. Dem elektrischen Leiter oder Draht wird also der Windungssprung bereits vor dem Aufwickeln auf den Träger durch die plastische Verformung dauerhaft eingeprägt, sodass ein präziser, gut steuerbarer Wicklungsaufbau erzielt werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Wickelverfahren, bei denen die Drahtführung und das Ablegen des Drahtes auf dem Träger bzw. der bereits gewickelten Spule alleine durch die Zuführeinrichtung erfolgt, welche den auflaufenden Draht in der Regel nur elastisch verformt, wird insbesondere ein Verrutschen des Drahtes und damit ein Ausbilden einer wilden Wicklung vermieden.
Weiterhin kann auch eine korrekte Positionierung des Leiters auf der Spule im Bereich der Stirnseiten des Trägers erreicht werden. Bei herkömmlichen Trägern ist aufgrund der stirnseitigen Flansche, die die nötige axiale Auslenkung des einlaufenden Leiters begrenzen, ein korrektes Anliegen des einlaufenden Drahtes an die Flanschflächen bzw. die Stirnseiten nahe bereits gewickelter Windungen nicht gewährleistet. Dieser Nachteil wird durch das Vorformen des Leiters vermieden.
Das Merkmal, wonach der Leiter derart verformt wird, dass eine resultierende Verformung des Leiters einem gewünschten Windungssprung entspricht, ist so zu verstehen, dass die resultierende Verformung nicht zwingend exakt dem gewünschten Windungssprung, etwa dem Drahtdurchmesser, entspricht, sondern die plastische Verformung insbesondere auch etwas größer als der Windungssprung sein kann, um eine plastische oder elastische Rückverformung durch eine in Längsrichtung auf den Leiter einwirkende Wickelzugspannung zu kompensieren.
Der gewünschte Windungssprung kann auch ein Mehrfaches des Leiterdurchmessers betragen. So können auch Spulen gewickelt werden, bei denen die Lagen nach außen hin, d. h. mit zunehmender Lagenzahl, immer weniger Windungen aufweisen. Auf diese Weise können z. B. Spulen gefertigt werden, die zur besseren Ausnutzung eines vorhandenen Einbauraums im Längsschnitt nicht rechteckig sind, sondern zu einem Ende konisch oder trapezförmig zulaufen.
Zusätzlich zu einem Verformen in Richtung einer Längsachse der Spule kann der Leiter auch quer zur Längsachse derart plastisch verformt werden, dass die resultierende Verformung des Leiters einem gewünschten Lagensprung entspricht.
Der Träger kann als Wickeldorn ausgebildet sein, der nach dem Wickeln der Spule entfernt werden kann oder durch einen Spulenkörper gebildet sein, der in der Spule verbleibt und insbesondere an seinen Stirnseiten Flansche zur Begrenzung und Fixierung der Spule in axialer Richtung aufweisen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Spule als eine orthozyklische Wicklung aufgebaut. Bei einer solchen Wicklungsgeometrie hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen, da bei orthozyklisch gewickelten Spulen eine präzise Ausformung des Windungssprungs den erreichbaren Füllfaktor weiter optimiert. Die Gefahr eines Verrutschens von Windungen, insbesondere bei höheren Wicklungslagen, die hier wiederum besonders im Bereich sich kreuzender Leiter benachbarter Lagen besteht, wird deutlich reduziert.
Vorteilhafterweise weist der Träger eine rillenfrei ausgebildete Mantelfläche auf. Derartige rillenfreie Träger, welche keine Vertiefungen oder Erhebungen aufweisen, die den aufgewickelten Draht führen, können universell, d. h. für unterschiedliche Leiterdurchmesser verwendet werden. Bei einer Änderung des Leiterdurchmessers, muss folglich kein neuer Wickeldorn oder Spulenkörper konstruiert und hergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verformen derart durchgeführt, dass die beiden Leiterabschnitte, welche sich unmittelbar vor und hinter der Verformung befinden, parallel und in Richtung der Längsachse der Spule versetzt zueinander verlaufen. Der Leiter wird also annähernd S-förmig verformt. Somit entspricht der Verlauf des Leiters vor dem Aufwickeln der Abwicklung der gewickelten Spule.
In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verformen ferner derart durchgeführt wird, dass zwischen den beiden parallel versetzt zueinander verlaufenden Leiterabschnitten ein gerader Übergangsabschnitt gebildet ist, welcher um einen Übergangswinkel geneigt zu den beiden parallel versetzt zueinander verlaufenden Leiterabschnitten verläuft. Ein derartiger gerader Übergangsabschnitt hat sich für das Ausbilden einer orthozyklischen Wicklung als besonders vorteilhaft erwiesen. Das Maß des Windungssprungs wird im Wesentlichen durch den Übergangswinkel und die Länge des Übergangsabschnitts bestimmt, wobei jedoch auch die Biegeradien zwischen dem Übergangsabschnitt und den beiden parallel versetzt zueinander verlaufenden Leiterabschnitten einen gewissen Einfluss ausüben. Der Übergangswinkel kann beispielsweise zwischen 5° und 60°, insbesondere zwischen 10° und 40° liegen.
Vorteilhafterweise sind die Länge des Übergangsabschnitts und/oder der Übergangswinkel veränderbar. Dadurch kann die Ausgestaltung des Windungssprungs an die bereits erreichte Wicklungshöhe bzw. Lagenzahl angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektrische Leiter ein Draht. Derartiger Leiterdraht eignet sich besonders für die vorgesehene plastische Verformung.
Vorteilhafterweise wird der Leiter an vorgegebenen Längspositionen verformt, wobei die Längspositionen in Abhängigkeit von einer bereits gewickelten Anzahl von Windungen vorbestimmt sind und insbesondere zumindest für eine vorgegebene Anzahl von Windungen äquidistant sind. Beispielsweise kann der Abstand der Längspositionen für alle Windungen einer jeweiligen Lage konstant gehalten werden und für eine nachfolgende Lage entsprechend der durch den Lagensprung bedingten Umfangsvergrößerung der Spule angepasst werden.
Vorteilhafterweise ist der Abstand der Längspositionen in Abhängigkeit von der Anzahl der bereits gewickelten Windungen und/oder Lagen veränderbar.
Die Erfindung betrifft ferner eine Wickelvorrichtung zum Herstellen einer elektrischen Spule, wobei die Wickelvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Leiter auf einen Träger aufzuwickeln, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen. Die Wickelvorrichtung umfasst eine Umformeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, den Leiter vor dem Auflaufen auf den Träger in Richtung einer Längsachse der Spule derart plastisch zu verformen, dass eine resultierende Verformung des Leiters einem gewünschten Windungssprung entspricht. Mit einer derartigen Wickelvorrichtung lassen sich die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebenen Vorteile ebenfalls erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Umformeinrichtung zumindest ein mit dem Leiter zusammenwirkendes, quer zu einer Längserstreckung des Leiters in Richtung einer Längsachse der Spule versetzbares erstes Umformelement. Durch das erste Umformelement werden die zum Verformen des Leiters notwendigen Querkräfte aufgebracht. Vorteilhafterweise sind zwei erste Umformelemente vorgesehen, welche derart ausgebildet sind, dass diese den Leiter in zueinander entgegengesetzte Richtungen verformen können.
Vorteilhafterweise umfasst die Umformeinrichtung ferner zumindest ein mit dem Leiter zusammenwirkendes zweites Umformelement, welches in Richtung der Längserstreckung des Leiters von dem ersten Umformelement beabstandet ist. Das oder die zweiten Umformelemente sind bevorzugt nicht versetzbar, d. h. sie sind an dem Verformungsprozess nur passiv beteiligt. Sie fixieren den Leiter an einem Ende des Übergangsanschnitts, während die ersten Umformelemente aktiv das Verformen bewirken. Das oder die zweiten Umformelemente können aber in ihrer Position justierbar sein. Sie sind bevorzugt in der Zuführrichtung des Leiters betrachtet oberhalb der ersten Umformelemente angeordnet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, umfasst die Umformeinrichtung zwei quer zu der Längserstreckung des Leiters voneinander beabstandete erste Umformelemente und zwei quer zu der Längserstreckung des Leiters voneinander beabstandete zweite Umformelemente, wobei insbesondere der Abstand der ersten Umformelemente zueinander und/oder der Abstand der zweiten Umformelemente zueinander und/oder der Abstand zwischen den ersten Umformelementen und den zweiten Umformelementen veränderbar ist. Durch eine Änderung des Abstandes der ersten Umformelemente zueinander bzw. des Abstandes der zweiten Umformelemente zueinander, kann der jeweilige Spalt zwischen den ersten bzw. den zweiten Umformelementen, durch den der zulaufende Leiter hindurchgeführt wird, an den Querschnitt des Leiters angepasst werden, sodass eine präzise Führung des Leiters während des Umformens gewährleistet ist. Durch eine Änderung des Abstandes zwischen den ersten und den zweiten Umformelementen, kann die Länge des Übergangsabschnitts beeinflusst werden, wobei diese Änderung insbesondere in Abhängigkeit von der bereits gewickelten Lagenzahl erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Wickelvorrichtung eine Zuführeinrichtung für den Leiter auf, wobei die Umformeinrichtung dazu eingerichtet ist, das Umformelement in Abhängigkeit von einer Relativwinkelposition zwischen der Zuführeinrichtung und der Spule zu versetzen. Dadurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass die Verformung immer an einer gewünschten, insbesondere stets derselben Winkelposition der Spule zu liegen kommt.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der zugehörigen Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird diese Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:

1 eine schematische und nicht maßstäbliche Seitenansicht einer orthozyklisch gewickelten elektrischen Spule gemäß dem Stand der Technik; und
2 und 3 schematische und nicht maßstäbliche Ansichten einer Wickelvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
1 zeigt eine teilweise gewickelte elektrische Spule 10 mit einem orthozyklischen Wicklungsaufbau. Die Spule 10 umfasst einen Träger, welcher im Ausführungsbeispiel als Spulenkörper 12 ausgestaltet ist, welcher eine Mantelfläche 14 aufweist, die sich entlang einer Längsachse L erstreckt. Der Spulenkörper 12 wird stirnseitig von zwei Flanschen 16 begrenzt, welche die Mantelfläche 14 in radialer Richtung allseits überragen. Die Flansche 16 erstrecken sich in Ebenen, die senkrecht zur Längsachse L verlaufen.
Der Spulenkörper 12 ist rillenfrei aufgebaut, d. h., die Mantelfläche 14 ist frei von Vertiefungen oder Erhebungen, welche bei herkömmlichen Herstellverfahren für orthozyklisch gewickelte Spulen benötigt werden.
Anstelle des hier gezeigten Spulenkörpers 12 kann auch ein Wickeldorn als Träger verwendet werden, von dem die Spule nach erfolgter Wicklung und gegebenenfalls einem anschließenden Verbacken der Windungen, als freitragende Spule abgenommen werden kann. Der Wickeldorn ist vorteilhafterweise ebenfalls rillenfrei ausgebildet.
Auf dem Spulenkörper 12 ist ein elektrischer Leiter oder Draht 20 in mehreren Windungen 18 aufgewickelt. Die einzelnen Windungen 18 liegen mit Ausnahme eines bestimmten Winkelbereichs in Ebenen, die parallel zu den Flanschen 16 und damit senkrecht zu der Längsachse L verlaufen. In den Bereichen, wo die Windungen 18 nicht parallel zu den Flanschen 16 verlaufen, geht der Draht 20 von einer Windung zur nächsten über. Dieser Bereich wird als Windungssprung 22 bezeichnet. Beim Wickeln der Spule 10, kann der Draht mithilfe einer Zuführeinrichtung (in 1 nicht dargestellt) an den Spulenkörper 12 herangeführt werden. Nach dem Wickeln einer vollständigen Windung 18, wird die Zuführeinrichtung um einen Betrag entsprechend des Drahtdurchmessers in einer parallel zur Längsachse L verlaufenden Ablegerichtung A versetzt.
Nachdem eine Lage der Spule 10 gewickelt wurde, wird die Ablegerichtung A umgekehrt.
Eine orthozyklisch gewickelte Spule 10 kann einen maximalen mechanischen Füllfaktor von 91 % aufweisen, wobei dies jedoch nur für den Teil der Spule 10 gilt, in dem die Windungen 18 orthozyklisch ausgerichtet sind. In einem Übergangsbereich, in dem der Windungssprung 22 vorliegt, ist der Füllfaktor aufgrund der sich kreuzenden Leiter benachbarter Windungslagen geringer.
In 2 und 3 ist eine beispielhafte Wickelvorrichtung 30 zum Herstellen einer elektrischen Spule, insbesondere einer orthozyklisch gewickelten Spule 10 gemäß 1, gezeigt. Im Ausführungsbeispiel kann die Wickelvorrichtung 30 nach dem Linearwickelverfahren arbeiten. Hierzu kann der Spulenkörper 12 um seine Längsachse L rotiert werden, wobei eine Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) den Draht 20 entsprechend dem Windungsfortschritt in Richtung der jeweiligen Ablegerichtung A kontinuierlich oder in diskreten Schritten verschieben kann.
Die Wickelvorrichtung 30 umfasst eine Umformeinrichtung 32, in welcher der von einer Vorratsspule (nicht dargestellt) kommende Draht in einer Zuführrichtung Z einläuft und die Umformeinrichtung 32 in Richtung der Spule 10 verlässt.
Die Umformeinrichtung 32 weist ein Paar von ersten, versetzbaren Umformelementen 36A, 36B sowie ein davon entgegen der Zuführrichtung Z beabstandetes Paar von zweiten, feststehenden Umformelementen 34A, 34B auf. Der Draht 20 verläuft zwischen den Umformelementen 34A, 34B bzw. 36A, 36B hindurch. Der Abstand zwischen den feststehenden Umformelementen 34A, 34B und zwischen den versetzbaren Umformelementen 36A, 36B kann einstellbar sein, um eine Anpassung an unterschiedliche Drahtstärken zu gewährleisten.
Die versetzbaren Umformelemente 36A, 36B befinden sich in 2 in ihrer Neutrallage, in welcher der Spalt zwischen den Umformelementen 36A, 36B mit dem Spalt zwischen den feststehenden Umformelementen 34A, 34B fluchtet. Die versetzbaren Umformelemente 36A, 36B können mithilfe von geeigneten Antriebsvorrichtungen, beispielsweise Pressluftzylindern, in einer Versetzrichtung V, welche parallel zu der Längsachse L der Spule und quer, insbesondere senkrecht zu der Zuführrichtung Z des Drahtes 20 verläuft, versetzt werden. Das Versetzen kann dabei in Positionen beiderseits der in 2 dargestellten Neutrallage erfolgen, wobei in 3 nur das Versetzen in die linke Position dargestellt ist.
Das Versetzen der versetzbaren Umformelemente 36A, 36B erfolgt gleichsinnig, wobei der Abstand oder Spalt zwischen den versetzbaren Umformelementen 36A, 36B im Wesentlichen erhalten bleibt. Es kann jedoch auch eine geringfügige Abstandsverkleinerung vorgesehen sein, um den Draht 20 während des Umformvorgangs zu klemmen.
Mithilfe der Umformeinrichtung 32 wird der Draht 20 derart verformt, dass die Verformung einen gerade verlaufenden Übergangsabschnitt 40 aufweist, welcher geneigt zu den beiden parallel versetzt zueinander verlaufenden, benachbarten Leiterabschnitten verläuft. Die Biegeradien zwischen dem Übergangsabschnitt 40 und den parallel versetzt zueinander verlaufenden Leiterabschnitten werden bevorzugt so eng gewählt, wie es das verwendete Drahtmaterial zulässt, um eine möglichst kompakte Wicklung zu erzielen, bei welcher der Windungssprung 22 sich nur über einen möglichst geringen Winkelbereich einer jeweiligen Windung 18 erstreckt.
Durch das Versetzen der Umformelemente 36A, 36B wird in dem zulaufenden Draht 20 eine annähernd S-förmige Verformung 38 erzeugt, welche dem gewünschten Windungssprung 22 der Spule 10 entspricht. Der Draht 20 wird durch die Umformelemente 34A, 34B, 36A, 36B nicht nur plastisch verformt, sondern auch elastisch, sodass das Maß des Versatzes der Verformung 38 nach dem Freigeben durch die Umformelemente 34A, 34B, 36A, 36B bzw. nach dem Verlassen der Umformeinrichtung 32 aufgrund der elastischen Rückstellkräfte wieder etwas kleiner wird, als es dem Verstellweg der versetzbaren Umformelemente 36A, 36B entsprechen würde. Um diese Rückstellwirkung zu kompensieren, kann der Verstellweg der versetzbaren Umformelemente 36A, 36B über das Maß des gewünschten Windungssprungs 22 erhöht werden. Bei dieser Erhöhung kann ggf. auch eine weitere Rückverformung des Drahtes 20 berücksichtigt werden, die durch eine Drahtbremse (nicht dargestellt) verursacht wird, welche oberhalb der Umformeinrichtung 32 vorgesehen sein kann, um einen geeigneten Wickelzug auf den einlaufenden Draht 20 auszuüben.
Das Umformen oder Verformen des Drahtes 20, kann in bestimmten Längsabständen des Drahtes 20 erfolgen, wobei sich diese Abstände aus dem Umfang der jeweiligen Windungen 18 ergeben. Die Umformeinrichtung 32 wird jeweils dann betätigt, wenn der Draht 20 eine entsprechende Längsposition erreicht hat, wobei diese Längsposition direkt durch Messen der durchlaufenden Drahtlänge oder indirekt in Abhängigkeit von einer jeweiligen Winkelposition der rotierenden Spule 10 bestimmt werden kann.
Wenn eine Windungslage vollständig gewickelt wurde, erfolgt eine Umkehr der Ablegerichtung A. Zugleich wird auch die Versetzrichtung V geändert, sodass die Verformung 38 einen spiegelbildlichen Verlauf aufweist. Bei der in den 2 und 3 dargestellten Anordnung verlaufen die Ablegerichtung A des Drahtes 20 auf der Spule 10 und die Versetzrichtung der versetzbaren Umformelemente 36A, 36B in entgegengesetzter Richtung.
Bei dem hier gezeigten Linearwickelverfahren ist eine separate Zuführeinrichtung für den Draht 20 nicht dargestellt. Die Funktion einer Zuführeinrichtung kann auch durch ein lineares Versetzen der Umformeinrichtung 32 in Richtung der Ablegerichtung A erfüllt werden, wobei dieses Versetzen kontinuierlich oder schrittweise, z. B. synchron mit dem Auflaufen der Verformung auf dem Spulenkörper 12, erfolgen kann. Zum Versetzen der Umformeinrichtung 32 kann eine nicht dargestellte Verstellvorrichtung vorgesehen sein.
Durch die erfindungsgemäße Wickelvorrichtung 10 und durch das damit durchgeführte Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule 10 ist es möglich, insbesondere orthozyklisch gewickelte Spulen herzustellen, welche einen definierten, durch die plastische Verformung 38 in den Leiter 20 eingeprägten Windungssprung 22 aufweisen. Durch die Vorprägung des Windungssprungs 22, wird ein Verrutschen von einzelnen Windungen und damit ein unerwünschtes Erzeugen von wilden Wicklungen vermieden, welche den Füllfaktor wesentlich reduzieren. Somit wird ein präzises Wickeln der Spule 10 mit maximalem Füllfaktor ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10: Spule
12: Träger, Spulenkörper
14: Mantelfläche
16: Flansch
18: Windung
20: Leiter, Draht
22: Windungssprung
30: Wickelvorrichtung
32: Umformeinrichtung
34A, 34B: feststehendes Umformelement
36A, 36B: versetzbares Umformelement
38: Verformung
40: Übergangsabschnitt
A: Ablegerichtung
L: Längsachse
V: Versetzrichtung
Z: Zuführrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 1504005 A [0009]
DE 1151321 B [0009]
WO 2011/045016 A2 [0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Spule (10), bei welchem ein elektrischer Leiter (20) auf einen Träger (12) aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (20) vor dem Auflaufen auf den Träger (12) in Richtung einer Längsachse (L) der Spule (10) derart plastisch verformt wird, dass eine resultierende Verformung (38) des Leiters (22) einem gewünschten Windungssprung (22) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (10) als eine orthozyklische Wicklung aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) eine rillenfrei ausgebildete Mantelfläche aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformen derart durchgeführt wird, dass die beiden Leiterabschnitte, welche sich unmittelbar vor und hinter der Verformung (38) befinden, parallel und in Richtung der Längsachse der Spule (10) versetzt zu einander verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformen ferner derart durchgeführt wird, dass zwischen den beiden parallel versetzt zueinander verlaufenden Leiterabschnitten ein gerader Übergangsabschnitt (40) gebildet ist, welcher um einen Übergangswinkel geneigt zu den beiden parallel versetzt zueinander verlaufenden Leiterabschnitten verläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Übergangsabschnitts (40) und/oder der Übergangswinkel veränderbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (20) ein Draht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (20) an vorgegebenen Längspositionen verformt wird, wobei die Längspositionen in Abhängigkeit von einer bereits gewickelten Anzahl von Windungen (18) vorbestimmt sind und insbesondere zumindest für eine vorgegebene Anzahl von Windungen (18) äquidistant sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Längspositionen in Abhängigkeit von der Anzahl der bereits gewickelten Windungen (18) und/oder Lagen veränderbar ist.
Wickelvorrichtung (30) zum Herstellen einer elektrischen Spule (10), wobei die Wickelvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Leiter (20) auf einen Träger (12) aufzuwickeln, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umformeinrichtung (32), welche dazu ausgelegt ist, den Leiter (20) vor dem Auflaufen auf den Träger (12) in Richtung einer Längsachse (L) der Spule (10) derart plastisch zu verformen, dass eine resultierende Verformung (38) des Leiters (20) einem gewünschten Windungssprung (22) entspricht.
Wickelvorrichtung (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (32) zumindest ein mit dem Leiter (20) zusammenwirkendes, quer zu einer Längserstreckung des Leiters (20) in Richtung einer Längsachse der Spule (10) versetzbares erstes Umformelement (36A, 36B) umfasst.
Wickelvorrichtung (30) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (32) ferner zumindest ein mit dem Leiter (20) zusammenwirkendes zweites Umformelement (34A, 34B) umfasst, welches in Richtung der Längserstreckung des Leiters (20) von dem ersten Umformelement (36A, 36B) beabstandet ist.
Wickelvorrichtung (30) nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (20) zwei quer zu der Längserstreckung des Leiters voneinander beabstandete erste Umformelemente (36A, 36B) und zwei quer zu der Längserstreckung des Leiters (20) voneinander beabstandete zweite Umformelemente (34A, 34B) umfasst, wobei insbesondere der Abstand der ersten Umformelemente (36A, 36B) zueinander und/oder der Abstand der zweiten Umformelemente (34A, 34B) zueinander und/oder der Abstand zwischen den ersten Umformelementen (36A, 36B) und den zweiten Umformelementen (34A, 34B) veränderbar ist.