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5. Deutsche Patentanmeldung: DE 102 08 566 A1
Elektrische Spule mit einseitig zum Spulenbündel liegendem Stromeingang
und Stromausgang und deren Herstellungsverfahren
5.
Deutsche Patentanmeldung:
DE 102 08 566
Titel: Elektrische Spule mit einseitig zum Spulenbündel
liegendem Stromeingang und Stromausgang und deren Herstellungsverfahren
(Anmeldung am 27.02.02 )
Die Erfindung betrifft elektrische Spulen und Wicklungen mit mehreren
in Reihe geschalteten Windungen für elektrische Maschinen, die zur
Energieumsetzung zwischen mechanischer und elektrischer Energie verwendet
werden. Dies gilt für Spulen oder Wicklungen, die in Nuten eines
Eisenblechpaketes eingelegt sind und auch für Luftspulen und kernlose
Luftspaltwicklungen.
Hier handelt es sich um offene oder geschlossene zweipolige Spulen, die
separat oder innerhalb einer Wicklung mit anderen Spulen verwendet werden,
wobei eine geschlossene Spule mit mehreren Windungen im folgenden als
Einzelspule bezeichnet wird.
Zweipolige Spulen sind Spulen, die sich gleichzeitig im Wirkungsbereich
beider magnetischer Pole befinden, im Gegensatz zu einer Ringspule (Spule
z.B. einer Ringwicklung). Oder anders gesagt, handelt es sich um Spulen,
deren Spulenseiten in Bewegungsrichtung versetzt zueinander liegen, wobei
die Spulenseiten durch Wickelkopfleiter oder vorwiegend unwirksame Leiter,
oder im Falle von Schrägleitern, direkt zu einer Spule verbunden
sind. Die Spulenseiten dieser Spulen werden im Falle von Luftspulen von
einem Feld entgegengesetzter Polarität durchdrungen oder im Falle
von in Nuten eingelegten Spulenseiten mit einem Feld entgegengesetzter
Polarität gekoppelt und letztendlich auf dem Umweg über das
Eisen auch durchdrungen.
Die Erfindung bezieht sich sowohl auf linear als auch auf rotierend arbeitende
Maschinen.
Bekannt sind Spulen als geschlossene Einzelspulen, die mit Leiterdraht
mit mehreren Windungen gewickelt sind, oder als geschlossene Einzel-Flachspulen,
die durch Ätzen (galvanisch), Ausstanzen oder Ausfräsen oder
ähnliches hergestellt und spiralförmig aufgebaut sind. Solche
Einzelspulen werden häufig zu einer Wicklung zusammengeschaltet und
auf diese Weise oft aus mehreren Lagen von Spulen aufgebaut, wobei jede
Lage zu der anderen verdreht angeordnet ist und verschiedenen Motorsträngen
zugeordnet sind.
Bekannt sind auch geschlossene oder offene Spulen, die zu Wellenwicklungen
oder einer Kombination von Wellen- und Schleifenwicklungen zusammengefügt
sind und entweder, als mit Draht gewickelte Spulen mehrere Windungen haben,
oder als Flachspulen, die auch durch Ätzen (galvanisch), Ausstanzen
oder Ausfräsen oder ähnliches hergestellt sind und bei der mehrere
Windungen versetzt zueinander, z.B. als Mäanderwicklung, verlaufen.
Allen diesen bekannten Spulen und Wicklungen ist gemeinsam, daß
das eine Leiterende der Spule oder der Wicklung, z.B. die Stromzuführung,
auf der einen Seite des Leiterbündels oder der Flachspule oder der
Wicklung liegt und das andere Leiterende, z.B. die Stromableitung, auf
der anderen Seite dieses Leiterbündels liegt. Wenn solche Spulen
oder Wellenwicklungen untereinander oder mit dem Kollektor oder einer
Elektronik verbunden werden sollen, muß das eine Leiterende quer
über das Spulenbündel gelegt werden, um einen kontinuierlichen
Stromfluß innerhalb der Wicklung zu gewährleisten.
Dies hat den Nachteil, daß sich der Luftspalt um den Leiterdurchmesser
vergrößert oder ein Teil der Spule und damit ggf. der gesamten
Wicklung mit diesem Leiterübergang außerhalb des Luftspaltes
liegen muß. Beides führt zu hohen Verlusten, die sich einerseits
in einer geringeren Luftspaltinduktion und andererseits in erhöhten
Kupferverlusten und den daraus entstehenden Nachteilen ausdrücken.
Bei einem aus DE 2931650 A1 bekannten Motor werden die Wicklungen aus
zwei Spulenlagen aufgebaut, die in Bewegungsrichtung versetzt zueinander
liegen, so daß der Außenumfang der Spulen der einen Spulenlage
auf dem Zentrum der Spulen der anderen Spulenlage zu liegen kommt. Somit
kann schon recht vorteilhaft das innerhalb jeder Einzelspule liegende
Leiterende mit dem außerhalb der benachbarten Spule liegenden Leiteranfang
dieser Spule an der den beiden Spulenschichten einander zugewandten Seite
verbunden werden. Dies führt hier zwar nicht, aufgrund der versetzten
Lage der Spulenschichten, zu einer Vergrößerung des Luftspaltes,
trotzdem muß die Leiterführung verlustbehaftet über das
komplette Spulenbündel jeder Spule vom Spuleninneren nach außen
geschehen.
Ein weiterer Nachteil dabei ist, daß man, um eine Luftspaltvergrößerung
zu vermeiden, dazu gezwungen ist, daß die Spulen um eine halbe Spulenweite
versetzt zueinander gelegt werden müssen, was sich auch nur bei mehrsträngigen
Elektronikmotoren anbietet. Außerdem hat man auf diese Weise im
Motorbetrieb nie das volle Drehmoment der gesamten Wicklung zur Verfügung,
da die beiden Spulenlagen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihr Maximum
erreichen. Auch im Generatorbetrieb ist die Ausgangsspannung so erheblich
reduziert, was z.B. für eine Batterieladung von Nachteil ist.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Spulenaufbau, sowohl für die geschlossenen
Einzelspulen und ggf. für deren Wicklungen, als auch für Wellenwicklungen
mit offenen Spulen zu finden, deren Spulenseiten einerseits in Reihe geschaltet
sind, damit hohe Spannungen (Generator) oder Drehmomente (Motor) erreicht
werden und andererseits die Verluste gering sind, insbesondere dadurch,
daß die Wicklungs- oder Spulendicke in Luftspaltrichtung und die
Kupferverluste innerhalb der Spulen und der stromzu- und -abführenden
Leiter gering gehalten sind, indem vor allem die Leiterführung nicht
über das gesamte Spulenbündel stattfinden muß, um Spulen-
oder Wicklungsanfang und Spulen- oder Wicklungsende mit einer Elektronik,
einem Kollektor oder einer anderen in Bewegungsrichtung benachbarten Spule
oder Wicklung zu verbinden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Spulen- oder Wicklungsaufbau
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, indem jeweils zwei Spulen, separat
oder innerhalb einer Wicklung, gegensinnig zueinander gewickelt oder verlaufend,
in Feldrichtung übereinander gelegt, betrieben werden. Dabei sind
die Spulenweiten der beiden Spulen im wesentlichen deckungsgleich übereinandergelegt.
Die Leiteranfänge der beiden Spulen oder die Wicklungsteile, zu denen
jeweils eine der beiden Spulen gehört, sind auf einer Seite der Spulenbündel
direkt miteinander verbunden und in Reihe geschaltet, wobei die Stromzu-
und die -ableitung der Spule oder Wicklung auf einer gemeinsamen Seite
der Spulenbündel stattfindet, ohne dabei extra ein Spulenbündel
zu queren.
Besteht die Wicklung aus mindestens zwei Einzelspulen, die übereinandergelegt,
sind befinden sich die verbundenen Leiterenden der gegensinnig gewickelten
Spulen innerhalb der Spulen und die Stromzu- und -ableitung außerhalb
der Spulen, so daß eine Gesamtspule mit außenseitigem Stromein-
und -ausgang entstanden ist. Solche Gesamtspulen können jetzt ohne
Kreuzungen von Spulenbündeln miteinander verlustfrei verbunden werden.
Der gleiche Vorteil besteht, wenn die Wicklung aus mindestens zwei Einzelspulen
als Flachspulen, z.B. auf den beiden Seiten einer kupferkaschierten Leiterplatte,
aufgebracht ist. Die Verbindung innerhalb der Spulen wird hier durch eine
Durchkontaktierung hergestellt und der Stromeingang bei der Annahme einer
rotierenden Scheibenmaschine liegt im Umfangsbereich der Gesamtspule der
einen Seite der Leiterplatte und die Stromableitung liegt im Umfangsbereich
der Gesamtspule auf der anderen Seite der Leiterplatte.
In diesem Zusammenhang sei auf eine gleichzeitig angemeldete Patentanmeldung
"Luftspule für rotierende elektrische Maschinen und deren Herstellungsverfahren"
hingewiesen, in der in Fig.3 eine Seite einer solchen kupferkaschierten
Leiterplatte gezeigt wird. Die andere dort nicht dargestellte Seite der
Leiterplatte trägt Spulen in entgegengesetztem Wickelsinn und der
Strom wechselt nach jedem Durchlauf einer Teilspule die Leiterplattenseite,
wobei dies auch anders aufgebaut sein könnte, so daß der Strom
jeweils zwei benachbarte Teilspulen einer Leiterplattenseite durchläuft,
bevor er die Leiterplattenseite wechselt.
Bei einer Weiterbildung besteht die Wicklung aus einer Wellenwicklung,
die aus offenen Spulen aufgebaut ist, wobei die Gesamtwicklung aus mindestens
zwei Wellenwicklungen besteht, die gegensinnig zueinander verlaufen. Das
heißt, daß die Wellenberge der einen Wellenwicklung auf den
Wellentälern der anderen Wellenwicklung liegen, so daß deren
übereinanderliegende Spulen gegensinnig verlaufen.
In einer Variante wird das eine Ende der Wellenwicklung auf der Außenseite
seines Spulenbündels mit der entsprechend gleichen Außenseite
des Spulenbündels der anderen Wellenwicklungsschicht verbunden, so
daß die beiden Wicklungen in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise
liegt das Leiterende der Gesamtwicklung auf der gleichen Außenseite,
wie der Leiteranfang der Gesamtwellenwicklung. So ist es möglich,
eine Verbindung, beispielsweise mit einer Ansteuerungselektronik eines
Mehrphasenmotors, ohne Kreuzungen des Spulenbündels und verlustarm
auf einer Seite der Wicklung quer zur Bewegungsrichtung herzustellen.
Eine Variante besteht darin, daß jede der beiden gegensinnig verlaufenden
Wellenwicklungen aus nebeneinanderliegenden Leitern als Flachwicklung
besteht, die sich nicht kreuzen, sondern dem benachbarten Leiter in seinem
Wellenverlauf im gleichmäßigen Abstand folgen. Dies hat den
Vorteil einerseits der Freiheit von Leiterkreuzungen innerhalb der Wicklungen,
so daß sie sich als Flachwicklungen besonders leicht herstellen
lassen, und andererseits, daß das maximale Drehmoment beim Motor
oder die maximale Spannung beim Generator sehr hoch ist, weil das ganze
Spulenbündel dazu beiträgt.
Bei Ausgestaltungen dessen ist die Wellenwicklung mäander-, sinus-
oder zickzackförmig aufgebaut. Eine mäanderförmige Wicklung
hat den Vorteil, daß das Drehmoment oder die generierte Spannung
über ein Großteil der Spulenweite zur Verfügung steht.
Eine zickzackförmige Wicklung hat den Vorteil, daß die Kupferverluste
aufgrund des schrägen Leiterverlaufs gering sind, jedoch das Drehmoment
oder die generierte Spannung nicht so lange innerhalb der Spulenweite
zur Verfügung steht.
Eine sinusförmige Wicklung vereint beide Vorteile in abgeschwächter
Form der zuvor beschriebenen Ausführungen. Die Mäander-, Sinus-,
oder Zickzackform können auch als drahtgewickelte Spulen ausgeführt
sein.
Bei einer anderen Variante kreuzen sich benachbarte Spulenwindungen innerhalb
der beiden Wellenwicklungen, indem die Wellenleiter in Bewegungsrichtung
versetzt zueinander liegen. Solche Wicklungen lassen sich besonders gut
mit Draht gewickelt als mindestens Zweischichtwicklung herstellen und
haben den Vorteil, daß die Spannungsschwankungen beim Generatorbetrieb
besonders hoch sind, da sich die Spannungen aller Spulenseiten addieren.
Die so möglichen großen Leiterquerschnitte bieten eine flexible
Motorauslegung bei hohen Spannungen eines z.B. Wechselstrommotors, von
dem die dargestellte Wicklung, wie in Fig.6, dann nur eine Teilwicklung
(Strang) ist.
Die Reihenschaltung der gegensinnigen Wicklungen hat generell bei allen
Weiterbildungen der Erfindung den Vorteil, daß das Drehmoment beim
Motor und die Gesamtspannung beim Generator sehr hoch sind, weil sich
alle Momente bzw. Spannungen der einzelnen Spulenseiten addieren.
Die Wellenwicklungen können als aus Draht gewickelten Spulen oder
als Flachspulen aufgebaut sein.
In Weiterbildungen sind die Spulen oder Wicklungen Teil einer rotierenden
Maschine oder einer linear arbeitenden Maschine.
In beiden Fällen kommen die Vorteile der Erfindung voll zum Ausdruck,
da in beiden Fällen bei herkömmlichen Maschinen ein Spulenbündel
gequert werden muß, um benachbarte Spulen oder Wicklungen miteinander
oder mit einer Ansteuerelektronik oder einem Kollektor zu verbinden.
Diese Vorteile kommen bei trommelförmigen, rotierend arbeitenden
Maschinen, insbesondere bei zylindrischen Wicklungen, voll zum Tragen,
wenn die gesamte Wicklung im Luftspalt verlaufen soll. Auch bei scheibenförmigen
Wicklungen, bei denen die vollständig im Luftspalt verlaufende Wicklung
auch eine Ausgestaltungsvariante ist, ist die Erfindung besonders vorteilhaft,
weil sie auch hier Verluste, entweder durch Feldschwächung aufgrund
eines großen Luftspaltes oder durch Kupferverluste innerhalb jeder
Spule, einspart.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die Erfindung bei,
im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, gebogenen oder gefalteten Spulen,
wie sie aus Patentanmeldung PCT/WO 08683 bekannt sind, eingesetzt wird.
Hierbei kommt der Vorteil insbesondere zum Tragen, wenn die Luftspulen
vollständig im Luftspalt verlaufen und verbessert so die dort beschriebene
Erfindung.
Auch bei Spulen oder Wicklungen, die in Nuten eines Rückschlusses
eingelegt sind, ist die Erfindung vorteilhaft, weil auf diese Weise der
gesamte Spulenstrang mit gleichmäßiger Packungsdichte (Fig.7)
der Leiter aufgebaut sein kann, was bei herkömmlicher Wickeltechnik
nicht der Fall ist. Auf diese Weise können sogar Wickelköpfe
oder schräge Leiter, die sonst außerhalb des Feldes liegen,
in Nuten gleicher Breite eingelegt sein, so daß die Leiter und das
Feld effizienter genutzt werden.
Diese Vorteile wirken sich auch in einer Weiterbildung als Luftspaltwicklung
besonders stark aus, da hier jede kleine Luftspaltvergrößerung
leistungsmindernd wirkt.
In einer Weiterbildung sind die erfindungsgemäßen Spulen oder
Wicklungen in rotierenden Maschinen angeordnet. Hier wirken sich die Vorteile
der Erfindung so aus, daß höhere Drehmomente erreicht werden
oder größere Spannungen generiert werden. Auch die Spulenmasse
sinkt, was weitere mechanische und elektrische Vorteile nach sich zieht.
Entsprechende Vorteile hat man auch bei linear arbeitenden Maschinen durch
den Einsatz der Erfindung.
Die Erfindung ist sowohl im Motor als auch im Generator einzusetzen.
Hier werden die entsprechenden Kennwerte die Kraft beim Motor, die Ausgangsspannung
beim Generator verbessert oder weniger Erregerleistung muß bereit
gestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Spulen und Wicklungen werden in Weiterbildungen
im Ständer oder im Läufer von Motoren oder Generatoren eingesetzt.
In einem Fall wird die Erregerleistung gespart oder diese erhöht
sich und im anderen Fall erhöht sich die Ausgangsleistung.
Dieser Einsatz findet in Weiterbildungen in Synchronmaschinen und in mindestens
teilweise asynchron arbeitenden Maschinen statt. In beiden Fällen
werden die Vorteile der Erfindung für diese beiden großen Gruppen
der elektrischen Maschinen mit ihren jeweiligen speziellen Vorteilen nutzbar
gemacht.
Bei einer Weiterbildung werden nicht nur Spulen aus zwei gegensinnig
verlaufenden Spulenlagen aufgebaut, sondern aus 2n (n=1,2,3...) Lagen
(Fig.7-11), wobei benachbarte Lagen abwechselnd auf der einen Seite des
Spulenbündels (z.B. innen) und dann auf der anderen Seite des Spulenbündels
(z.B. außen) verbunden werden. Dies hat den Vorteil daß das
gesamte Spulenbündel der Gesamtspule gleichmäßig kompakt
aufgebaut ist. Die sonst bei herkömmlichen Spulen auftretenden Aufweitungen
des Spulenbündels jeweils an Stellen, wo eine neue Leiterlage innerhalb
der Spule beginnt, entfällt. Dies ist ein zusätzlicher Vorteil
neben den anfangs erwähnten Vorteilen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Einzelspulen kann auf
verschiedene Weise geschehen.
Im ersten Herstellungsverfahren werden beide Spulenteile mit entgegengesetztem
Wickelsinn separat gewickelt und dann entsprechend zusammengesetzt und
verklebt oder verbacken. Die innerhalb der Spule liegenden Leiterenden
werden miteinander verlötet oder anders elektrisch verbunden.
In einem zweiten Herstellungsverfahren werden beide Spulenteile auf einem
Wickeldorn nacheinander aus einem ununterbrochenen Draht gewickelt. Dazu
wird die Leiterlänge für eine Teilspule auf eine zweite Drahtgeberspule
gewickelt, bleibt aber mit der ersten Drahtgeberspule verbunden. Auf den
beiden Drahtgeberspulen befinden sich somit mindestens der Leiterdraht
der zu der erfindungsgemäßen Spule verarbeitet werden soll.
Die Wickelapparatur besteht aus einem Motor, der den Wickeldorn mit einer
Drehzahl antreibt.
In einer Variante des Verfahrens wird der Draht für die zu wickelnde
Spule auf zwei Drahtgeberspulen zu gleichen Teilen verteilt, so wie beim
ersten Herstellungsverfahren. Im Unterschied dazu dreht sich die erste
Drahtgeberspule beim Wickelvorgang der einen Teilspule mit dem Wickeldorn
mit. Nach der Fertigstellung der ersten Teilspule wird diese vorfixiert
und die erste Drahtgeberspule wird vom Wickeldorn gelöst und anschließend
mit deren Draht die andere Teilspule mit entgegengesetztem Wickelsinn
auf dem gleichen Wickeldorn stramm an die andere Teilspule herangewickelt.
Nach Fertigstellung der Gesamtspule wird diese verfestigt durch beispielsweise
Verkleben oder Verbacken. Die Gesamtspule wird beim Wickelvorgang durch
einen Rahmen seitlich begrenzt, der zum Abnehmen der Spule mindestens
einseitig von der Welle gelöst werden kann.
In einer anderen Variante dieses zweiten Herstellungsverfahrens wird die
zweite Teilspule gleichzeitig mit der ersten Teilspule gewickelt. Dazu
ist auf dem Wickeldorn ein Außenläufermotor angebracht, der
die erste Drahtgeberspule trägt und mit doppelter Dorndrehzahl dreht,
so daß beide Teilspulen mit gleicher Geschwindigkeit gewickelt werden.
Zur Drahtführung wird jeweils in allen Varianten des ersten und zweiten
Herstellungsverfahrens z.B. ein gesteuerter Linearmotor eingesetzt. Die
Teilspulen werden so gewickelt, daß sie sich lagenweise exakt aneinanderfügen
oder ineinandergreifen.
In einem dritten Herstellungsverfahren werden beide Teilspulen gleichzeitig
auf einem stehenden Dorn gegensinnig gewickelt, wobei beide Drahtgeberspulen
durch jeweils einen Außenläufermotor getragen werden, die sich
mit ca. der gleichen Drehzahl entgegengesetzt auf der Dornachse drehen.
Die Drahtführung wird beispielsweise durch lineare gesteuerte Servomotoren
bewerkstelligt. Die Spulen werden ineinandergreifend gewickelt, so daß
im Leiterquerschnitt kein Unterschied zu einer herkömmlichen Spule
zu sehen ist.
Der Vorteil ist bei den letzten beiden Herstellungsverfahren und deren
Varianten, daß der Draht beim Übergang von einer Teilspule
zur anderen nicht unterbrochen wird und somit der sonst nötige Arbeitsgang
des elektrischen Verbindens, sowie auch die Fehleranfälligkeit dieser
Verbindung entfällt.
Figurenbeschreibung
Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
beschrieben. Sie zeigen in:
Fig.1 eine Draufsicht einer 1. Weiterbildung auf eine Prinzipdarstellung
einer Teilspule der Gesamtspule in Fig.3,
Fig.2 eine Draufsicht der 1. Weiterbildung auf eine Prinzipdarstellung
der anderen Teilspule der Gesamtspule in Fig.3,
Fig.3 eine Draufsicht der 1. Weiterbildung auf eine Prinzipdarstellung
der Gesamtspule, die sich aus Teilspulen der Fig.1 und 2 zusammensetzt,
Fig.4 eine Draufsicht einer 2. Weiterbildung auf eine Abwicklung eines
Stranges einer zweipoligen Teilwicklung einer Mäanderwicklung,
Fig.5 eine Draufsicht einer 2.Weiterbildung auf eine Abwicklung eines
Stranges der anderen zweipoligen Teilwicklung einer Mäanderwicklung
zu Fig.4,
Fig.6 eine Draufsicht einer 3. Weiterbildung auf eine Abwicklung einer
zweipoligen erfindungsgemäßen Gesamtwicklung einer zickzackförmigen
Wicklung,
Fig.7 einen axialen Querschnitt einer 4. Weiterbildung entlang der Linie
VI-VI in den Figuren 8-11 durch eine vierlagige Gesamtspule,
Fig.8 eine Draufsicht der 4.Weiterbildung auf die oberste Lage der Gesamtspule
von Fig.7 in Richtung des Pfeiles II,
Fig.9 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig.7,
Fig.10 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.7,
Fig.11 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig.7,
Fig.12 das Prinzip einer Wickelmaschine zur Herstellung einer aus Draht
gewickelten erfindungsgemäßen Einzelspule,
Fig.13 zwei herkömmliche in Reihe geschaltete Einzelspulen und
Fig.14 ein Prinzipbild einer Wickelmaschine für Einzelspulen.
Figuren
Gleiche Bauteile haben in allen Figuren gleiche Bezugszahlen.
Fig.1 zeigt eine rechtsgewickelte Teilspule eines Spulenpaares von Fig.3
mit Stromeingang A' und Verbindungspunkt Z mit der zweiten Teilspule von
Fig.2, sowie die Stromrichtung des Stromes I.
Fig.2 zeigt eine linksgewickelte Teilspule eines Spulenpaares von Fig.3
mit Stromausgang A'' und Verbindungspunkt Z mit der zweiten Teilspule
von Fig.1, sowie die Stromrichtung des Stromes I.
Fig.3 zeigt das Wickelschema eines Spulenpaares bestehend aus beiden
Teilspulen der Figuren 1 und 2, wobei die Teilspulen im Verbindungspunkt
Z im Inneren der Teilspulen kontaktiert sind. Die Teilspulen sind entsprechend
ihrer Spulenweite 14 zusammengefügt, und das entstandene Spulenpaar
hat einen äußeren Stromeingang A' und einen äußeren
Stromabgang A''.
Fig.4 zeigt eine Abwicklung einer zweipoligen Teilwicklung 29'einer Wellenwicklung
mit mäanderförmigem Verlauf, die mit der Wicklung von Fig.5
eine Gesamtwicklung ergibt.
Fig.5 zeigt eine Abwicklung der anderen zweipoligen Teilwicklung (29'')
einer meanderförmigen Wicklung, die mit der Wicklung von Fig.4 die
Gesamtwicklung 29 ergibt. Die Wicklungsteile 29',29'', sowie deren offene
Spulen 3',3'' in Fig.4 und 5, verlaufen gegenläufig und sind im Punkt
Z miteinander verbunden und somit in Reihe geschaltet, so daß der
Stromeingang Punkt A und der Stromabgang in Punkt A' auf der gleichen
Wicklungsseite liegt. Diese Gesamtwicklung 29 kann auch als nur ein Wicklungsstrang
einer mehrsträngigen Wicklung angesehen werden, der durch z.B. zwei
weitere hier nicht dargestellte Wicklungsstränge gleichen Aufbaus
ergänzt wird, so daß die Maschinenfläche voll genutzt
wird.
Fig.6 zeigt eine zweipolige Gesamtwicklung, bestehend aus gegensinnig
angeordneten Teilwicklungen, ähnlich wie in Fig.4,5, nur daß
hier schräg zur Bewegungsrichtung verlaufende Leiter verwendet werden.
Auch hier kann diese Wicklung als nur ein Strang einer Gesamtwicklung
angesehen werden, die dann entsprechend ergänzt wird.
Fig.7 zeigt einen Querschnitt durch eine Einzelspule, die aus vier Teilspulen
zusammengesetzt ist, wobei die Teilspulen aufeinanderfolgend gegensinnig
3',3'' gewickelt sind. Die vier Teilspulen sind in den Schnitten in Fig.8
bis 11 zu sehen. Die Verbindungspunkte zwischen zwei Lagen sind mit Z1,
Z2, Z3 und die Stromzuleitung mit A und die Stromableitung mit A' gekennzeichnet.
Fig.8 bis 11 zeigt die vier Teilspulen der Gesamtspule 3 von Fig.7 gemäß
den dort eingezeichneten Schnitten. Die Verbindungspunkte zwischen zwei
Lagen, bei denen der Leiter die Spulenebene wechselt, sind mit Z1, Z2,
Z3 und die Stromzuleitung A und die Stromableitung mit A' gekennzeichnet.
Fig.12 zeigt das Prinzip einer Vorrichtung zur Herstellung erfindungsgemäßer
Einzelspulen. Zu sehen ist ein Wickeldorn 16, der den Rahmen 19 für
die beiden Teilspulen trägt. Der Motor M2 dreht den Dorn mit der
Drehzahl n2. Der Motor M1 ist ein Außenläufermotor und dreht
mit doppelter Drehzahl n1. Die Drahtgeberspule 50 wird von diesem Motor
mitgedreht. Die Spulenführung wird durch die Linearmotoren ML1, ML2
bestimmt.
In einer Variante ist der Motor M2 ersetzt durch einen weiteren Außenläufermotor
mit entgegengesetzter Drehrichtung zu M1, aber gleicher Drehzahl.
Fig.13 zeigt die Verbindung nebeneinanderliegender herkömmlicher
Einzelspulen und deren Leiterverbindung über jeweils ein Spulenbündel
hinweg. Die Spulen sind hier noch idealisiert gezeichnet, da die Spulenbündel
in der Praxis, speziell am Anfang jeder neuen Wicklungslage nach herkömmlicher
Technik, nicht so gleichmäßig gewickelt werden können.
Fig.14 zeigt eine Abwicklung einer mit Draht gewickelten Zylinderwicklung
die aus zwei gegensinnig verlaufenden Wicklungsteilen 29', 29'' besteht,
die im Punkt Z in Reihe geschaltet sind. Der Leiter 53 hat hier keine
elektrische Funktion und ist vorzugsweise aus mechanischen Gründen
mit einzubeziehen.
Zusammenfassung
Es handelt sich, für den Einsatz in elektrischen Maschinen, um eine
Gesamtspule oder Gesamtwicklung, die aus mindestens zwei Spulen oder Wicklungen
aufgebaut ist, die in Luftspaltrichtung übereinanderliegen, zueinander
gegensinnig verlaufen oder gegensinnig gewickelt und dabei in Reihe geschaltet
sind.
Die so verlaufenden Spulen haben eine umfangsseitige Stromzu- und -ableitung,
so daß lästige Leiterführungen aus dem Innenbereich der
Spulen quer über das Leiterbündel nach außen entfallen.
Ähnliche Vorteile bestehen bei Wellenwicklungen, bei denen Stromzu-
und -ableitung auf einer Seite der Wicklung liegen und auch hier Querverbindungen
über das Leiterbündel entfallen. Bei Luftspulenmaschinen kann
so der Luftspalt kurz gehalten werden und Kupferverluste werden eingespart,
was auch für in Nuten eingelegte Spulen und Wicklungen gilt, die
auf diese Weise dicht gepackt über die volle Wicklungslänge
gleichmäßig aufgebaut sind und ggf. stramm in der Nut liegen
können.
Figur zur Zusammenfassung: Fig.3
Patentansprüche
1. Elektrische Spule (3) mit mehreren Windungen, als Einzelspule oder
Teil einer Wicklung (29), innerhalb einer elektrischen Maschine,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Spulen (3',3'') als Teil einer Einzelspule oder
als Teil von Wicklungen (29',29'') gegensinnig (gegenläufig) in Luftspaltrichtung
übereinander gelegt und betrieben werden, wobei die Leiterenden (Z),
die auf einer Seite der Spulenbündel der Spulen (3',3'') oder Wicklungen
(29',29'') liegen, miteinander elektrisch verbunden sind und deren andere
Leiterenden (A,A') dieser, auf einer gemeinsamen Seite des Gesamtspulenbündels
liegen und der Gesamtspulenanfang (A) und das Gesamtspulenende (A') sind.
2. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens zwei Spulen (3',3'') Einzelspulen sind, die mit Draht gewickelt
sind, die ihrer Spulenweite (14) entsprechend übereinanderliegen,
wobei die Leiterenden (Z), die innerhalb der so entstandenen Gesamtspule
liegen, miteinander elektrisch verbunden und die Spulen (3',3'') somit
elektrisch in Reihe geschaltet sind und diese gleichzeitig vom gleichen
Feld innerhalb der elektrischen Maschine durchdrungen werden.
3. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens zwei Spulen (3',3'') spiralförmige Einzel-Flachspulen
sind, die galvanisch, durch Ausstanzen oder Fräsen oder ähnliches
hergestellt sind, die ihrer Spulenweite (14) entsprechend übereinanderliegen
und die beiden Spiralenden (Z) innerhalb der Spulen (3',3'') miteinander
verbunden und die Spulen somit elektrisch in Reihe geschaltet sind und
diese gleichzeitig vom gleichen Feld innerhalb der elektrischen Maschine
durchdrungen werden.
4. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens zwei Spulen (3',3'') Teil jeweils einer Wellenwicklung
(29',29'') sind, wobei die beiden Wellenwicklungen gegensinnig (gegenläufig)
verlaufen und in Luftspaltrichtung in mindestens zwei Schichten, der Spulenweite
(14) ihrer Spulen (3',3'') entsprechend, übereinanderliegen und betrieben
werden, oder anders gesagt die Wellenberge einer Wicklungsschicht in Luftspaltrichtung
gesehen auf den Wellentälern der zweiten Wicklungsschicht liegen.
5. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei übereinanderliegende, jeweils quer zum Wellenstrang liegende
Wicklungsenden (Z) der beiden gegenläufigen Wicklungen (29',29'')
miteinander elektrisch verbunden und die beiden Wicklungen somit in Reihe
geschaltet sind und auf einer, quer zur Bewegungsrichtung liegenden, äußeren
Wicklungsseite Stromeingang und Stromausgang der Gesamtwicklung (29) liegen.
6. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die wellenförmigen Einzelleiter in jeder der Wellenwicklungen
(29',29'') quer zur Bewegungsrichtung versetzt nebeneinander und im wesentlichen
im gleichmäßigem Abstand zueinander liegen und mäander-,
sinus- oder zickzackförmig verlaufen.
7. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die wellenförmigen Einzelleiter, die Spulen mit einer Windung
sind, in jeder der Wellenwicklungen (29',29'') in Bewegungsrichtung versetzt
zueinander liegen, so daß jede der Einzelleiterspulen alle benachbarten
Einzelleiterspulen des gleichen Wellenberges oder Wellentales des gemeinsamen
Leiterbündels kreuzt.
8. Elektrische Spule (3) nach Anspruche 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens zwei Wellenwicklungen (29',29'') sinus- oder zickzackförmig
verlaufen.
9. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') innerhalb
einer rotierend arbeitenden Maschine um eine Achse oder Welle angeordnet
sind.
10. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zu einer
Linearmaschine gehören.
11. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') Teil einer
trommelförmigen Wicklung (29) einer rotierend arbeitenden Maschine
sind.
12. Elektrische Spule (3) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens zwei Spulen (3',3'') Teil einer zylindrischen Wicklung
(29) einer rotierend arbeitenden Maschine sind.
13. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder
nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei
Spulen (3',3'') Teil einer scheibenförmigen Wicklung (29) einer rotierend
arbeitenden Maschine sind.
14. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (3) oder Wicklung
(29), die aus mindestens einer Spule (3) aufgebaut ist, im Schnitt quer
zur Bewegungsrichtung gebogen und/oder gefaltet ist und vorzugsweise die
gesamten Spulenseiten vom Feld durchdrungen werden.
15. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spulenseiten der mindestens zwei Spulen
(3',3'') in Nuten einer Luftspaltgrenzfläche eingelegt sind.
16. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') Luftspulen
oder Teil einer Luftspaltwicklung sind.
17. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zum Ständer
der Maschine gehören.
18. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zum Läufer
der Maschine gehören.
19. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zu einem
Motor gehören.
20. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zu einem
Generator gehören.
21. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zu einer
mindestens teilweise asynchron arbeitenden Maschine gehören.
22. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spulen (3',3'') zu einer
Synchronmaschine gehören.
23. Elektrische Spule (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spule (3) oder Wicklung (29) lagenweise
abwechselnd links und rechts gewickelt ist und zwei Lagen miteinander,
abwechselnd auf einer Seite des Leiterbündels (z.B. der Innenseite)
und bei der nächsten Lage auf der anderen Seite des Leiterbündels
(z.B. der Außenseite), verbunden sind.
24. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Spulen (3) in Form von Einzelspulen
mit umfangsseitigem Stromeingang A und Stromausgang A' nach einem der
Ansprüche 1,2,9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
zwei Spulen (3',3'') separat gewickelt und anschließend gegensinnig
zusammengefügt, vorzugsweise verklebt oder verbacken werden und deren
innerhalb der Spulen (3',3'') liegende Drahtenden (Z), miteinander verbunden
werden.
25. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Spulen (3) in Form von Einzelspulen
mit umfangsseitigem Stromeingang A und Stromausgang A' nach einem der
Ansprüche 1,2,9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
zwei Spulen (3',3'') auf einem Wickeldorn 16 gewickelt werden, wobei die
Gesamtspule (3) gewickelt wird, indem zuerst die eine Teilspule (3') gewickelt
wird und deren innenliegendes Leiterende mit dem Leiteranfang der zu wickelnden
Spule (3'') elektrisch verbunden wird, bevor diese dann auf den gleichen
Wickeldorn stramm an die erste Teilspule (3') herangewickelt wird, so
daß eine kompakte Gesamtspule (3) entsteht.
26. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Spulen (3) in Form von Einzelspulen
mit umfangsseitigem Stromeingang A und Stromausgang A' nach einem der
Ansprüche 1,2,9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
zwei Spulen (3',3'') auf einem Wickeldorn 16 gewickelt werden, wobei die
Gesamtspule (3) gewickelt wird, indem die Gesamtspule aus einem durchgehenden
Draht gewickelt wird und zuerst die eine Teilspule (3') gewickelt wird
und dann auf den gleichen Wickeldorn die zweite Teilspule stramm an die
erste Teilspule (3') herangewickelt wird, so daß eine kompakte Gesamtspule
(3) entsteht.
27. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Spulen (3) in Form von Einzelspulen
mit umfangsseitigem Stromeingang A und Stromausgang A' nach einem der
Ansprüche 1,2,9 bis 23 oder nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulen aus einem durchgängigen Leiter gewickelt werden,
wobei mindestens dieser auf zwei Drahtgeberspulen (50,51) verteilt liegt
oder eine elektrische Verbindung der beiden Leiterenden der beiden Drahtgeberspulen
hergestellt wird und der Leiter vor Beginn des Wickelvorganges um den
Dorn (16) gelegt wird und beim Wickelvorgang die erste Teilspule (3')
durch Rotation des Dornes auf diesen gewickelt wird unter Zuhilfenahme
einer Leiterführung, die den Wickelvorgang fest vorbestimmt ausführt,
und die andere Teilspule (3'') danach auf den gleichen Dorn (16) gegensinnig
gewickelt wird, wobei das innerhalb der Spule (3') liegende Leiterende
zusammen mit der Drahtgeberspule (50) für die zweite Teilspule (3'')
beim Wickeln der ersten Teilspule (3') fest mit dem Dorn (16) verbunden
ist und mit diesem rotiert und diese Drahtgeberspule (50) erst danach
mit einer Drahtführungsvorrichtung verbunden wird, die das Wickeln
der zweiten Teilspule (3'') vorbestimmt ausführt, wenn der Wickeldorn
nun andersherum drehend den Draht zur Teilspule (3'') aufwickelt und die
Gesamtspule (3) außenseitig beim Wickelvorgang durch eine Spulenbegrenzung
(19) begrenzt wird und die Gesamtspule vorzugsweise in dieser Begrenzung
zumindest vorfixiert oder sogar verklebt, vergossen oder verbacken wird.
28. Herstellungsverfahren zum Wickeln von Spulen (3) in Form von Einzelspulen
mit umfangsseitigem Stromeingang A und Stromausgang A' nach einem der
Ansprüche 1,2,9 bis 23 oder nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulen aus einem durchgängigen Leiter gewickelt werden,
wobei mindestens dieser auf zwei Drahtgeberspulen (50,51) verteilt liegt
oder eine elektrische Verbindung der beiden Leiterenden der beiden Drahtgeberspulen
hergestellt wird und der Leiter vor Beginn des Wickelvorganges um den
Dorn (16) gelegt wird und beim Wickelvorgang die erste Teilspule (3')
durch Rotation des Dornes auf diesen gewickelt wird unter Zuhilfenahme
einer Leiterführung, die den Wickelvorgang fest vorbestimmt ausführt,
und die andere Teilspule (3'') gleichzeitig mit der ersten Teilspule (3')
gewickelt wird, wobei die Drahtgeberspule (50) für die zweite Teilspule
(3'') mit doppelter Drehzahl rotiert und mit einer Drahtführungsvorrichtung
ML1 verbunden ist, so daß beide Teilspulen (3',3'') mit gleicher
Geschwindigkeit gewickelt werden, und die Gesamtspule (3) außenseitig
beim Wickelvorgang durch eine Spulenbegrenzung (19) begrenzt wird und
die Gesamtspule vorzugsweise in dieser Begrenzung zumindest vorfixiert
oder sogar verklebt, vergossen oder verbacken wird.
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