Zum Thema:
Höchsteffiziente elektrische Maschinen, wie Energiesparmaschinen und höchstdynamische Antriebe, nach dem Luftspulenprinzip

(aus der Internetseite: http://www.sternen-motoren.de)



Neuntes Herstellungsverfahren für Wicklungen nach dem Luftspulenprinzip

(Auszug aus der 8. Deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 034 611)

Inhaltsverzeichnis:

1. Beschreibung des Herstellungsverfahrens
2. Figuren
3.Teilenummern (Extra Fenster)

1. Beschreibung des Herstellungsverfahrens

Eine neunte Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 48 und wird in den Figuren 93,93a,103,103b,103b-1,103b-2,108,108a, 109,110,110a,111 gezeigt und erfolgt in dem die Wicklung über einen Rahmen erfolgt oder über diesen zusammengesetzt wird, wobei der Rahmen den inneren magnetischen Körper mindestens im Umfangsbereich umgibt und zwischen den Rahmen im Umfangsbereich, der hier die Form eines Hohlzylinders hat, und den Umfangsbereich des inneren magnetischen Körpers Abstandhalter eingebracht sind, die den Rahmen gleichmäßig zum mittleren Körper beabstandet halten und die nach der Bewicklung und Verfestigung der Spule mindestens zum Teil entfernt werden.
Dies hat den Vorteil, das eine Wicklung oder das Zusammensetzen der Wicklung aus Einzelspulen unter Einschluss des mittleren magnetischen Körpers erfolgen kann und ein gleichmäßiger mechanischer Luftspalt zu ihm in axialer und radialer Richtung gewährleistet ist, was den Bau der Maschine ermöglicht und eine hohe Effizienz garantiert und die Wicklung insgesamt zusätzlich stabilisiert wird. Für eine Direktbewicklung werden zumindest die ersten beiden Probleme der Aufgabe gelöst.

Zu dem Hauptanspruch und in den Nebenansprüchen erfundenen Herstellungsverfahren sind die wichtigsten Weiterbildungen in den Unteransprüchen beschrieben, so wie hier in ausführlicher Weise.

In einer Weiterbildung der neunten Lösung der Aufgabe sind die Abstandhalter zwischen mittlerem magnetischem Körper und Rahmen, der mindestens ein hohlzylindrischer Ring ist, Stifte, die axial verlaufen (Fig.93a,103b,108a,110a) und die vorzugsweise durch umfangsseitige Einkerbungen im mittleren magnetischen Körper ihren einheitlichen Abstand zueinander halten (Fig.93a-1) und auch als Wicklungsführung dienen, wie Fig.93,93a,93a-1 zeigen.
Die Stifte in Einkerbungen geschoben haben den Vorteil, dass sie einen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Windungen halten, was die Herstellung einer Zweischichtwicklung zumindest im Umfangsbereich der sich der Achse annähernden Spulenbereiche ermöglicht. Außerdem wird dadurch eine siebförmige Wicklung geschaffen, durch die Kühlmittel geleitet werden kann. Auch können die Wicklungsführungen, in Form der Stifte, nach der Wicklung entnommen werden und der Rahmen kann dünnwandiger ausgeführt werden.
In einer anderen Weiterbildung werden nur wenige (ca. 3 bis 6 Stück) axial verlaufende Abstandhalter verwendet, die lediglich den hohlzylindrischen Rahmen auf Abstand zu dem inneren magnetischen Körper halten. Diese werden entweder nach der Wicklung entnommen oder aufgelöst.

Bei einer anderen Weiterbildung der neunten Lösung der Aufgabe werden Abstand erzeugende Stifte wie, Bajonettstifte oder Schrauben radial in den hohlzylindrische Rahmen eingesetzt, wie Fig.103b-1 zeigt.
Bei einer Ausgestaltung werden nur an drei Stellen des Umfangs um 120° versetzt zueinander solche Stifte eingesetzt, um lediglich den Abstand zwischen mittlerem magnetische Körper und Rahmen während der Wicklung zu garantieren und nach der Fertigstellung der Wicklung werden sie wieder entfernt.
Bei einer anderen Ausgestaltung werden zwischen zwei benachbarten Windungen solche Stifte eingesetzt, die dann als Wicklungsführung eine ähnliche Funktion wie Nuten erfüllen, die aber nach der Wicklung entfernt werden.
Bei einer Variante der Ausgestaltungen übernehmen die radial eingesetzten Stifte noch die Funktion, die beiden Teile eines für die Wicklung geteilten mittleren magnetischen Körpers im definierten Zustand zueinander zu halten, wie Fig.105a,106a zeigen, um nach der Wicklung entfernt zu werden, wie Fig. 107a zeigt.

Bei einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung , die in Patentanspruch 51 angegeben und Fig.111 gezeigt ist, werden Abstandhalter eingelassen, die nach der Wicklung verflüssigt oder vergast oder chemisch oder anderweitig aufgelöst werden. Dies hat den Vorteil der einfachen Entfernung der Abstandhalter insbesondere, wenn der Umfangsbereich vollständig bewickelt werden soll und somit der Abstandhalter (44d) mit eingewickelt wird.


Eine Weiterbildung der zehnten Lösung der Aufgabe ist in Patentanspruch 53 angegeben und ist in Fig.103b-1,105,106,107,110 gezeigt. Hierbei sind die Abstandhalter entweder Stifte oder Schieber (Fig.105a,106a,107a) oder kammförmige Mittel (Fig.106c), die in radialer Richtung im Umfangsbereich mindestens an drei Stellen aufgesteckt werden und die nach Fertigstellen der Wicklung wieder entnommen werden, wobei die Wicklung vorzugsweise mit dem Hohlzylinder verklebt wird, oder der Hohlzylinder im Querschnitt T-förmig ist (Fig.111) und durch erwärmen, eine chemische Reaktion oder Ähnliches, zu verflüchtigen ist oder nach der Wicklung durch zentrifugieren im wesentlichen aus der Wicklung entfernt wird.
Der Vorteil von radial eingesetzten Abstandhaltern, wie Schiebern oder kammförmigen Mitteln, ist, dass diese nacheinander gewickelte Windungen auf Abstand halten, so dass die Lagenzahl im Umfangsbereich der Scheiben und damit die Luftspaltlänge gering gehalten werden kann und die Abstandhalter dienen als Wicklungsführung, die vorteilhafter Weise nach der Wicklung entnommen werden kann und damit die Masse der Wicklung im Umfangsbereich gering ist. Die dann frei gewordenen Plätze können anschließend bewickelt werden. Der kammförmige Schieber hat zusätzlich den Vorteil einer Arretierung der Scheiben in axialer Richtung.
Die seitlich in Achsnähe axial eingeschobenen und durch Verdrehung arretierten Abstandsmittel (Fig.110b) haben den Vorteil, dass mindestens zum Teil abstanderzeugende Mittel im Umfangsbereich entfallen, was von Vorteil ist, wenn der Bereich lückenlos bewickelt werden soll. Dies ist in Verbindung mit dem zu verflüchtigenden Hohlzylinder mit T-Profil der Fall.
Auch radial eingeschobene Stifte können in einer Weiterbildung als Abstandhalter im Umfangsbereich eingesetzt werden (Fig.110) wenn eine zusätzliche Fixierung der Scheiben in Achsnähe durch z.B. einen kammförmigen Abstandhalter in Schlüsselform geschieht.

Bei einer anderen Weiterbildung der siebten bis zehnten Lösung der Aufgabe, die in Anspruch 50 angegeben ist, wird die Wicklung über einen Rahmen gewickelt oder die Spulen der Wicklung über ihm zusammengesetzt der glockenförmig im Umfangsbereich und in einem sich der Achse annähernden Bereich verläuft, was Fig.108 zeigt. Dabei wird der mittlere magnetische Körper axial um eine Luftspaltbreite verschoben und bildet, in dieser Position während der Fertigstellung der Wicklung fixiert, auf diese Weise, in dem den Rahmen gegenüberliegenden Bereich, die Grenze für die Wicklung. Dies hat den Vorteil, dass man einen scheibenförmigen Rahmen spart und der Luftspalt dort kürzer wird. Nach Fertigstellung der Wicklung wird die Fixierung des mittleren magnetischen Körpers entnommen und er wird wieder in die mittlere Position zwischen den Spulenschenkeln gebracht (Fig.109), die er auch nach der Fertigstellung der Maschine inne hat.

Bei einer anderen Weiterbildung der siebten bis zehnten Lösung der Aufgabe, die in Patentanspruch 45,46 angegeben ist, werden die Spulen allgemein V-förmig um den Rahmen und mittleren magnetischen Körper gewickelt Fig.93 und werden vom Umfangsbereich kommend Richtung Achse verlaufend gewickelt und im achsnahen Bereich im Knie des V's für die Leiterumkehr durch eine kurzfristig eingreifende Wickelnadel (keine Figur) oder einen Stempel (Fig.110,105-107) fixiert und von da aus Richtung Umfangsbereich und um diesen herum verlegt bis in den gegenüberliegenden anderen achsnahen Bereich, wo ebenfalls eine derartige kurze Fixierung stattfindet, wobei die erste Fixierung gelöst wird und die Fixiervorrichtung bereit gestellt wird, für die nächste Fixierung des V's der nun folgenden Spule usw.
Dies hat den Vorteil, dass im achsnahen Bereich keine Wickelvorrichtung, wie ein Spiralring oder Wickelpfosten verbleiben und die Spule bis zum Knie des V's gleichmäßig zweischichtig bleibt.

Eine andere Weiterbildung der siebten bis elften Lösung der Aufgabe ist in Patentanspruch 50 angegeben und in Fig.114 bis 116 gezeigt. Hier werden die Spulen in einer Halterung ausgerichtet und dann vergossen, wobei der mittlere magnetische Körper um eine Luftspaltlänge axial verschoben wird und als Vergussgrenze dient, wobei ein Rahmen seitlich die Vergussbereiche abgrenzt. Auf diese Weise werden alle Spulen in einem späteren Luftspaltbereich zusammen vergossen (Fig.114,116) und anschließend die Spulenschenkel im gegenüberliegenden Luftspaltbereich (Fig.115,116).
Dies hat den Vorteil, dass alle Spulen in einem Guss fixiert werden und Luftschlitze im Umfangsbereich der Wicklung bleiben. Auch der achsnahe Bereich der Spulen wird besser gekühlt, wenn er nicht vergossen ist.
In einer Weiterbildung ist der innere magnetische Körper axial in zwei Scheiben geteilt, ähnlich denen in Fig.105,106,107,110, die zum Vergießen auseinander bis stramm an die Spuleninnenwände bewegt und dort während des Vergießens arretiert werden.

Eine Weiterbildung der siebten bis neunten Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 56 angegeben und zeigt Fig.117,118. Hierbei handelt es sich um den Zusammenbau einer Wicklung Fig.117 mit einseitiger axialer Annäherung (Glockenform). Dies ermöglicht die Herstellung der Wicklung ohne dass der mittlere magnetische Körper dabei umfasst wird, nach dem Herstellungsverfahren der siebten bis neunten Lösung der Aufgabe. Anschließend wird der mittlere magnetische Körper (Teil 1), der auf einer Hohlachse sitzt, in den glockenförmigen Körper (Teil 2) eingeführt (Fig.117a), wobei die Hohlachse durch die Wicklung im Bereich der Achsannäherung ragt. Auf diesen Teil der Hohlachse wird nun der dem mittleren magnetischen Körper axial gegebenüberliegende scheibenförmige Körper (Teil 3) der selbst auf einer Hohlachse sitzt, die die Lagerschale für das erste Lager bildet, passgenau aufgeschoben, so dass die Spule im dazwischen liegenden Luftspalt frei beweglich ist (Fig.117b). Anschließend wird das Teil 4 mit der die Welle und dem darauf sitzenden zweiten Lager sowie der scheibenförmigen Trägerplatte der Spule auf der der Kollektor angebracht ist, in die Hohlwelle mit den darin sitzenden ersten Lager eingesetzt und die Spule mit der scheibenförmigen Trägerscheibe fest verbunden. Die Leiterzuführungen werden mit dem Kollektor verbunden und anschließend das hohlzylindrische Gehäuse über den ganzen Körper geschoben und mit dem Teil 3 fest verbunden. Auf der noch offenen Stirnseite wird ein zweiter, dem inneren magnetischen Körper axial gegenüberliegender, magnetischer Körper, der die Bürsten des Kollektors trägt, in das mantelförmige Gehäuse eingesetzt und mit diesem fest verbunden.
Dies ermöglicht die Herstellung von hocheffizienten Glockenläufern mit einseitiger axialer Spulenannäherung und trotzdem einfacher axialer Montage, was auch der Vorteil von herkömmlichen Glockenläufern ist.
In einer Variante liegt der sich der Achse oder Welle annähernde Bereich der Glockenwicklung auf der gleichen Seite wie die Kommutierung. Die Wicklung ist im Bereich der Achsannäherung entweder selbsttragend oder durch einen glockenförmigen Rahmen gestützt. Die Montage dieses Glockenläufers entspricht der Montage eines herkömmlichen Glockenläufers, da hier nur die Wicklungsträgerscheibe durch die Wicklung und gegebenen Falls ergänzt durch einen Rahmen ersetzt wird. (keine Figur)





2. Figuren

Gleiche Bauteile haben in allen Figuren gleiche Bezugszahlen.

Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben.


Fig.93-96 zeigen ein Herstellungsverfahren der siebten und neunten Lösung der Aufgabe

Fig.93 zeigt eine Seitenansicht einer Wicklung des Wickelschemas der Fig.94,95

Fig.93 zeigt eine Seitenansicht der Wicklung in Fig.104 und der zweischichtigen, achtpoligen Gleichstromwicklung des Wickelschemas der Fig.94,96. Ein Wicklungsumlauf ist wie auch in Fig.94,96 fett hervorgehoben. Im achsnahen Bereich sind die Windungen um einen vierfach spiralförmigen Ring 42 gewickelt, der verschieden ausgeführt werden kann. Eine Ausführung ist in der Detailzeichnung Fig.93b zu sehen, der aufgrund des Wicklungsführungshakens an seinem Ende für den Verbleib in der Wicklung bestimmt ist.

Fig.93a zeigt eine Detaildarstellung aus Fig.93 und zeigt den Wicklungsverlauf im Umfangsbereich, wobei zwischen hohlzylindrischem Rahmen 43 (58) und mittlerem magnetischem Körper 25 Abstandshalter 44 in Form von seitlich durchgesteckten Pfosten 44a (siehe auch Fig.103b) eingebracht sind. Fig.93a-1 zeigt eine Detaildarstellung aus Fig.93a

Fig.93a-1 zeigt dass der mittlere magnetische Körper 25 und/oder der Innenrand des Hohlzylinders 58 (43) zur Fixierung der Abstandhalter 44 leicht genutet ausgeführt sein kann. In dieser Ausgestaltung ist es der mittlere magnetische Körper 25, der Nuten am Außenumfang trägt. Die Leiter sind zur Veranschaulichung durchsichtig dargestellt.

Fig.103,104 zeigen ein Herstellungsverfahren einer mehrpoligen zweischichtigen Gleichstromwicklung der Fig.93-96 nach der siebten und neunten Lösung der Aufgabe
Fig.103,Fig.104 zeigen jeweils den Querschnitt durch die Wicklung der Fig.93 während der Wicklung entlang der Linie XXXX-XXXX, ohne den Schnitt der Leiter

Fig.103,104 zeigen ein Herstellungsverfahren einer mehrpoligen zweischichtigen Gleichstromwicklung der Fig.93-96, wobei die Spulen 3 im Umfangsbereich über einen hohlzylindrischen Rahmen 43 gewickelt werden, der durch Abstandshalter 44 in Form von axial eingeschobenen Stiften 44a zum mittleren magnetischen Körper 25 fixiert wird. Eine Variante der Abstandshalter sind radial eingesetzte Abstandshalter 44b, wie Schrauben (Fig.103b-1) oder Arretierstifte (Fig.103b-2). Im achsnahen Bereich ist die Spule über einen vierfach spiralförmigen Ring 42 gewickelt, wie auch in Fig.93,93b,93b-1,95,96.
Während oder nach der Wicklung pressen axial angreifende Stempel 20 oder Spulenbündelpresser 24 (Fig.103) die Wicklung mit der Kraft F1 zu einer Zweischichtwicklung (Fig.104), wobei Unterlegwinkel 47 eingesetzt werden, um den Abstand der Spule 3 zum mittleren Körper 25 einzuhalten. Der spiralförmige Ring 42 bleibt in diesem Fall in der Wicklung. In einer anderen Weiterbildung wird der spiralförmige Ring 42 aus Fig.93b-1 aus der Wicklung entnommen und die Spule ähnlich wie in Fig.105 durch die mit der Kraft F1 axial angreifenden Stempel 20 (24) zu einer durchgängigen Zweischichtspule gepresst.

Fig.103b zeigt den Umfangsbereich der Fig.103 vergrößert

Fig.103b-1 zeigt zu Fig.103b zwei alternative Abstandhalter 44b statt des Abstandhalters 44a in Fig.103b
Fig.103b-2 zeigt einen alternativen Abstandhalter in drei Ansichten

Fig.106,107 zeigen ein Herstellungsverfahren der siebten und zehnten Lösung der Aufgabe in einer Schnittdarstellung, ähnlich dem in Fig.103, einer zweischichtigen Gleichstromwicklung
Fig.106 zeigt den Querschnitt während der Wicklung
Fig.107
zeigt den Querschnitt nach Abschluss der Wicklung

Fig.106a zeigt ein Detail der Fig.106 vergrößert
Fig.106b zeigt ein Detail der Fig.106 vergrößert
Fig.106c zeigt ein alternatives Detail des Details in der Fig.106a
Fig.107a zeigt ein Detail der Fig.107 vergrößert
Fig.107b zeigt ein Detail der Fig.107 vergrößert

Fig.106,107 zeigen ein Herstellungsverfahren in Schnittdarstellungen eines mittleren magnetischen Körpers 25, der als Wickelkörper eingesetzt wird und axial in zwei Scheibenkörper 25a,25b geteilt ist, die für die Bewicklung um die doppelte mechanische Luftspaltlänge 36 axial in Fig.106 auseinander bewegt sind. In diesem Fall im Unterschied zu Fig.105 sind die Scheibenkörper 25a,b in Achsnähe durch eine Passung 56 verbunden und deren Abstand zueinander wird durch Gewindeschrauben (Fig.106b,107b) fixiert in Verbindung mit radial zwischen die Scheiben 25a,b eingreifenden Abstandhaltern 44b. Die Abstandhalter sind in dafür vorgesehene Schlitze Fig.106a in die Scheibenkörper eingelassen und fixieren den Rahmen 43, der ein hohlzylindrischer Körper 58, der im Querschnitt ein Brückenprofil zeigt, wobei die axial außenseitig liegenden Brückenpfeiler auf dem Umfang der Scheibenkörper 25a,b während der Bewicklung aufliegen (Fig.106a). Die Bewicklung funktioniert ähnlich wie zu Fig.105 erläutert. Fig.106c zeigt einen kammförmigen Abstandhalter 44c, der alternativ für den eingesetzten Schieber 44b (Fig.106a) und die Schraubenfixierung aus Fig.106b in den Umfangsbereich radial eingesetzt wird.
Fig.107
zeigt das Herstellungsverfahren aus Fig.106 nach Abschluss der Wicklung, wobei die Abstandshalter 44b in Form von radial eingreifenden Schiebern aus der Wicklung entnommen werden. (Fig.107a). Die beiden Scheibenkörper 25a,25b werden zu dem mittleren magnetischen Körper 25 zusammengeschoben oder -gedreht. In diesem Fall geschieht das durch Anziehen der Schrauben in Fig.107b.

Fig.108,109 zeigen ein Herstellungsverfahren der siebten und neunten Lösung der Aufgabe anhand von Schnittzeichnungen, ähnlich dem in Fig.103 einer zweischichtigen Gleichstromwicklung
Fig.108 zeigt den Querschnitt während der Wicklung
Fig.109 zeigt den Querschnitt nach der Wicklung

Fig.108,109 zeigen ein Herstellungsverfahren in Schnittzeichnungen eines mittleren magnetischen Körpers 25, der während der Wicklung als Teil des Wickelkörpers dient. Die Wicklung 3 wird um einen Rahmen 43 (Fig.108a), der eine glockenförmige Form aufweist gewickelt, wobei die Begrenzung der Wicklung einerseits durch den Rahmen und andererseits durch den axial verschobenen mittleren magnetischen Körper 25 gebildet wird. Der Rahmen 43 und der mittlere magnetische Körper werden durch axial eingeschobene Abstandshalter 44a zueinander während der Wicklung fixiert (Fig.108a), die nach der Wicklung wieder entnommen werden (Fig.109a). Nach oder während der Wicklung wird die Wicklung durch axial angreifende Stempel mit der Kraft F1 in Form gepresst, so dass sich gleichmäßige Spulenbereiche abzeichnen, die der Anzahl der übereinander liegenden Spulenlagen entsprechen. Die Wicklung entspricht der aus Fig.97,98.

Fig.110 zeigt ein Herstellungsverfahren der neunten und zehnten Lösung der Aufgabe einer Gleichstromwicklung anhand einer Schnittzeichnung durch einen mittleren magnetischen Körper 25, ähnlich dem in Fig.103
Fig.110a zeigt ein Detail der Fig.110 vergrößert

Fig.110 zeigt ein Herstellungsverfahren einer Gleichstromwicklung anhand einer Schnittzeichnung durch einen mittleren magnetischen Körper 25, der axial geteilt ausgeführt ist und die Wicklung über einen Rahmen 43 in Form eines Hohlzylinders 58 erfolgt, sowie über die axial auseinandergeschobenen Scheibenkörper 25a,b. Im Umfangsbereich werden die hohlzylindrischen Rahmen 43 und die Scheiben 25a,b durch axial eingeschobene Abstandshalter 44a in Form von Stiften zueinander fixiert, so wie im achsnahen Bereich durch axial eingeschobene oder schlüsselförmige Abstandshalter 44c der Fig.110b. Alternativ dazu können auch die kammförmigen Abstandshalter von Fig.106c eingesetzt werden. Eine andere Alternative für den Einsatz eines der gezeigten hohlzylindrischen Rahmen, zeigt Fig.111, wobei der dort gezeigte hohlzylindrische Rahmen ein T-Profil hat und aus einem sich verflüchtigenden Material besteht, wie Wachs oder Eis, welches sich durch Erwärmen oder durch eine chemische Reaktion nach der Wicklung aus der Wicklung verflüchtigt, so dass die Scheiben 25a,25b dadurch zum mittleren magnetischen Körper 25 zusammengeschoben werden können und im Umfangsbereich ein Luftspalt zwischen mittlerem magnetischen Körper und Wicklung verbleibt.

 

Erfinder/ Autor:

Dipl.-Ing. Jörg Bobzin ist Forscher und Entwickler von hocheffizienten elektrischen Maschinen und ganzheitlicher Wissenschaft und Technik