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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wickeln
von Spulen für
elektrische Geräte
und Maschinen, insbesondere Spulen für Statoren und Rotoren von
Elektromotoren und Generatoren, auf eine im Querschnitt im wesentlichen
rechteckige Umfangsfläche,
wobei ein von einer Vorratsrolle abgezogener Wickeldraht mittels
eines als Drahtbremse wirkenden Elektromotors mit entgegengesetzt
zur Drahtabzugsrichtung angetriebener Drahtbremsrolle unter einer
steuerbaren Zugspannung durch einen Drahtführer der Spule zugeführt wird.
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Es
ist bekannt, die Spulen eines Stators unmittelbar auf dessen Eisenkern
zu erzeugen, indem der Wickeldraht während des Wickelvorgangs Windung
für Windung
in die Statornuten eingelegt wird. Das Verfahren ist verhältnismäßig langsam.
Rationeller ist es, die Spulen entweder mittels einer rotierend
antreibbaren Schablone oder eines um eine feststehende Schablone
umlaufenden Drahtführers, eines
sog. "Flyers", vorzuwickeln und
dann axial in den Stator einzuziehen. Allerdings lassen sich mit diesem
Verfahren nur Füllfaktoren
von bis zu etwa 90% erzielen. Außerdem ergeben sich verhältnismäßig große Wickelköpfe an den
Stirnseiten des Stators.
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Um
höhere
Füllfaktoren
zu erreichen und die Drahtlänge
in den Wickelköpfen
zu minimieren, ist es auch schon bekannt, mittels Flyer Spulen für Statoren
möglichst
genau in der Form, die sie nach der Montage im Stator einnehmen
sollen, auf im Querschnitt rechteckigen Trägerkörpern, die während des Wickelvorgangs
undrehbar gehalten werden, vorzuwickeln und die se anschließend zusammen
mit den Spulen an dem Eisenkern eines Stators zu montieren. Die
zur Durchführung
dieses Verfahrens vorgesehene, bekannte Spulenwickelmaschine hat
zwischen einer Drahtbremse mit einem Wirbelstrommotor und dem Flyer
einen Drahtspeicher in Form einer gewichts- und federkraftbelasteten
Tänzerrolle,
die vorübergehend
eine mehr oder weniger große
Drahtschlaufe bildet und auf diese Weise Ungleichmäßigkeiten
der Drahtabzugsgeschwindigkeit kompensiert. Die Bremswirkung des
Wirbelstrommotors kann durch ein Potentiometer oder Programm gesteuert werden.
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Leider
hat ein Wirbelstrommotor ein verhältnismäßig großes Massenträgheitsmoment
und damit eine für
eine Drehmomentsteuerung in Abhängigkeit von
der Drehwinkelstellung der Wickelbewegung ungeeignete Momentenkennlinie,
ganz abgesehen davon, daß eine
Wirbelstrombremse nur bei hohen Drehzahlen bzw.
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Drahtabzugsgeschwindigkeiten
in der Lage ist, ein zum Biegen eines verhältnismäßig dicken Wickeldrahts ausreichendes
Drehmoment zu erzeugen. Um unabhängig
von der Drahtabzugsgeschwindigkeit die Zugspannung im Draht in jeder
Phase der Wickelbewegung momentan zwischen dem Wert 0 und einem
Maximalwert, z.B. entsprechend einem Drehmoment von 30 Nm, steuern
zu können,
wären Zusatzeinrichtungen
erforderlich, die aber separate Antriebe benötigten, welche eine elektrische,
pneumatische, hydraulische oder mechanische Totzeit mit sich bringen
und dadurch die Dynamik des Wickelprozesses behindern würden.
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Darüber hinaus
verursachen Rechteckspulen beim Wickelvorgang ungleichförmige Abzugsgeschwindigkeiten
und erfordern deshalb ein massearmes Drahtabzugssystem, das bei
der bekannten Wickelvorrichtung nicht gegeben ist. Auch eine kontinuierliche Drahtzugsteuerung
ist nicht möglich,
weil zeitweise der Drahtzug zwischen dem Flyer und der Spule nicht
durch die Drahtbremse, sondern durch die Belastung und Beschleunigung
der Tänzerrolle bestimmt
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wickeltechnik für solche
Spulen, die bereits durch den Wickelvorgang in ihrer endgültigen äußeren Form
hergestellt werden und dann zu montieren sind, dahingehend weiterzuentwickeln,
daß im
automatisierten Wickelprozeß die
Genauigkeit der Lage der einzelnen Spulenwindungen und damit die
reproduzierbare Formgenauigkeit der Spulen insgesamt verbessert
wird. Dazu ist es erforderlich, den Draht jeweils in exakt definierten
Lagen in die Spule zu wickeln. Diese soll in jeder Drahtlage auf
den Hauptflanken in Längsrichtung
möglichst
planparallel, also nicht konvex ausbauchend, gewickelt werden. Weiterhin
bedingt die Erfindungsaufgabe in Verbindung mit dem im Radialschnitt
durch einen runden Stator konischen Querschnitt der Statornuten
und der darin aufgenommenen Spulenstränge, daß die äußeren Lagen in Stufen konisch
steigend zu wickeln sind, wobei die Verlegekreuzungen des Drahts
in den Wickelköpfen
liegen müssen.
Daraus ergibt sich als Anforderung an die Spulenwickelmaschine,
daß sich während des
Wickelvorgangs zumindest bei den örtlich definierten Übergängen jeweils
von einer Drahtlage zur nächsten
die Zugspannung im Wickeldraht vorübergehend reduzieren und dann
wieder erhöhen läßt, um mit
verhältnismäßig geringem
Drahtzug den Draht im Spulenkopf über eine oder mehrere Windungen
hinweg kreuzend verlegen und anschließend mit hohem Drahtzug exakt
einbiegen zu können. Auch
zum Biegen des Kupferdrahts, der normalerweise einen Durchmesser
zwischen 0,4 und 1,7 mm hat, an den Spulenecken braucht man einen
phasenweise erhöhten
Drahtzug.
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Vorstehende
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei
bildet die Verwendung eines Servomotors als Drahtbremse die Voraussetzung
dafür,
daß die
Bremskraft in Abhängigkeit
von der momentanen Drehwinkelstellung der Relativbewegung zwischen
der Spule und dem Drahtführer
gesteuert werden kann. Ein hochdynamischer Servomotor, wie z.B.
aus der Baureihe 1FK7 der Firma Siemens, ist im Gegensatz zu einer
Wirbelstrombremse in seinem die Bremskraft bestimmenden Drehmoment
von der Drehzahl unabhängig,
und sein Massenträgheitsmoment
beträgt
weniger als 1/10 des Massenträgheitsmoments
einer Wirbelstrombremse, die wenigstens bei einer Drehzahl von 1500
U/min dasselbe Bremsmoment erzeugen kann. Infolge des wesentlich
kleineren Massenträgheitsmoments
des eingesetzten Servomotors kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Drahtbremse sehr schnell auf Steuerbefehle reagieren und theoretisch
jeweils nach einem kleinen Winkelschritt der umlaufenden Wickelbewegung
eine gegenüber
dem vorhergehenden geänderte
Bremskraft erzeugen.
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Das
weitere erfindungsgemäße Merkmal, daß die von
dem Servomotor auf den Wickeldraht ausgeübte Zugspannung während des
gesamten Wickelvorgangs auf den Wickeldrahtabschnitt zwischen dem
Drahtführer
und der Spule wirkt, bedeutet mit anderen Worten, daß sich zwischen
der Drahtbremse und dem Drahtführer
kein Drahtspeicher befindet, weil dieser in bestimmten Arbeitsphasen
den Drahtabschnitt zwischen dem Drahtführer und der zu wickelnden
Spule mit einer anderen Zugspannung beaufschlagen würde als
die steuerbare Drahtbremse. Andererseits wird jedoch ein Drahtspeicher
gebraucht, und deshalb sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen Drahtspeicher
zwischen der Drahtbremsrolle und der Vorratsrolle vor. Der Drahtspeicher
nimmt die vorübergehend
von dem Motor der Drahtbremse zurückgezogene Drahtlänge auf
und wirkt dabei mit einer Zugkraft auf den Wickeldraht, die für eine im
wesentlichen rutschfreie, reibschlüssige Anlage des Wickeldrahts
an der Drahtbremsrolle erforderlich ist. Die Notwendigkeit, mittels
des Servomotors Wickeldraht zurückzuziehen
und dem Drahtspeicher zuzuführen,
ergibt sich z.B. immer dann, wenn bei Bewegungen des Drahtführers relativ
zu der zu wickelnden Spule die Länge
des Drahtabschnitts zwischen der Spule und der Drahtvorratsrolle
verkürzt
wird.
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In
der bevorzugten praktischen Ausführungsform
der Erfindung wird eine ununterbrochene reibschlüssige Anlage des Wickeldrahts
an der Drahtbremsrolle durch eine in Drahtabzugsrichtung vor dieser
angeordnete Drahtrückzieheinrichtung
erzeugt, wodurch auf den Drahtabschnitt zwischen dieser und der
Drahtbremsrolle eine Mindestzugspannung ausgeübt wird.
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Beim
Wickeln von Draht auf eine im Querschnitt im wesentlichen rechteckige
Umfangsfläche liegt
der Draht normalerweise in den Eckbereichen an und hat die Tendenz,
sich zwischen den Eckbereichen radial nach außen zu wölben. Gewünscht ist jedoch eine Lage
des Drahts parallel zu den ebenen Teilflächen der im Querschnitt rechteckigen
Umfangsfläche.
Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß der Wickeldraht von dem Drahtführer oder durch
Umlenkung zwischen diesem und der Spule derart bogenförmig gekrümmt wird,
daß er
mit der konvex gekrümmten
Seite an der im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche oder
den bereits darauf gewickelten Spulenwindungen zur Anlage kommt.
Zu diesem Zweck kann der Drahtführer
Umlenkrollen aufweisen, die den Draht in einer bestimmten Rich tung
biegen, wobei die Krümmungsrichtung
entgegengesetzt zu der sich beim Aufwickeln ergebenden Krümmungsrichtung
ist. Alternativ kann die in richtiger Richtung bogenförmige Krümmung des
Wickeldrahts zwischen dem Drahtführer
und der Spule z.B. dadurch erreicht werden, daß der Draht den vorzugsweise
undrehbar gehaltenen, am Auslaß mit
einer Biegekante ausgebildeten, z.B. düsenförmigen Drahtführer mit
Bezug auf das Drehzentrum der Spule tangential verläßt, also
sich normalerweise auf einer Seite an dem Drehzentrum vorbei bewegen
würde.
Die Spule dreht sich dabei in der Richtung, daß sich die dem Drahtführer jeweils
nächstgelegene Teilfläche ihrer
im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche zur anderen Seite des Drehzentrums
bewegt.
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Eine
optimale Füllung
der Statornuten mit Draht erhält
man, wenn dieser zunächst
derart zu einer innersten Lage auf die im Querschnitt rechteckige Umfangsfläche gewickelt
wird, daß benachbarte Drahtwindungen
spurgenau nebeneinander liegen, und dann eine oder mehrere weitere
Lagen gewickelt werden, in denen die Drahtwindungen jeweils in der schraubenförmigen Rille
zwischen den Drahtwindungen der unmittelbar zuvor gewickelten Lage
liegen, wobei nach dem Wickeln einer Lage zur Einführung des
Wickeldrahts an einer bestimmten Stelle in die Rille die relative
Drehbewegung zwischen der Spule und dem Drahtführer angehalten oder verlangsamt, die
Zugspannung im Wickeldraht reduziert und der Drahtführer entsprechend
der Richtungsänderung des
Drahtes an der bestimmten Stelle positioniert wird, und anschließend nach
einer relativen Drehbewegung zwischen der Spule und dem Drahtführer um einen
bestimmten Drehweg und dem Einlegen des Wickeldrahts in die Rille
der Drahtführer
entsprechend deren Richtung ausgerich tet, die Zugspannung im Wickeldraht
wieder erhöht
und mit größerer Drehgeschwindigkeit
weitergewickelt wird.
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Bei
dem zuletzt genannten Verfahren zeigt sich die Bedeutung der zuvor
genannten Maßnahme der
Bremsung des Drahtes mittels eines hochdynamischen Servomotors unmittelbar
vor dem Drahtführer.
Dieselbe Maßnahme
ist auch die Voraussetzung dafür,
daß in
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung durch Wahl des
Abstands der Stellen des Eintritts des Wickeldrahts in die Rille
der jeweils zuletzt gewickelten Lage von einer der beiden Stirnseiten
der Spule in mehreren Lagen übereinander
eine im Querschnitt keilförmige
Spule mit bestimmtem Keilwinkel erzeugt wird.
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Bereits
beim Wickeln der Spulen ist zu berücksichtigen, daß sie ihre äußere Form
verändern, wenn
sie aus der Wickelvorrichtung ausgespannt werden. Es könnten sich
Schwierigkeiten bei der Montage ergeben, wenn man Spulen erzeugte,
die am Ende des Wickelvorgangs, noch in der Aufspannung in der Wickelvorrichtung
bereits die Form haben, die sie bei der Montage haben sollen. Daher wird
das neue Verfahren vorzugsweise in einer Ausführung praktiziert, bei der
die Spule während
des Wickelns auf der im Querschnitt rechteckigen Umfangsfläche zwischen
stirnseitig anliegenden Flächen
unter radialer und axialer Druckspannung gehalten wird und nach
Druckentlastung auf einen vorbestimmten Querschnitt schrumpft und
auf eine bestimmte Länge
expandiert.
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Eine
zur Durchführung
des vorgenannten Verfahrens geeignete Wickelvorrichtung hat erfindungsgemäß als Drahtbremse
einen Servomotor, dessen Drehmoment in Abhängigkeit von der momentanen
Drehwinkelstellung der Relativbewegung zwischen dem Wickelwerkzeug
und dem Drahtführer steuerbar
ist. Der Drahtspeicher ist in Abzugsrichtung des Wickeldrahts vor
der Drahtbremse angeordnet, und der reibschlüssig an der Drahtbremsrolle
anliegende Wickeldraht ist während
Drahtrückzugsbewegungen
durch eine Andrück-
oder Rückzieheinrichtung
in reibschlüssiger
Anlage an der Drahtbremsrolle gehalten.
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Der
Servomotor ist dabei vorzugsweise ein über die Stromstärke steuerbarer
Synchronmotor, und die Rückzieheinrichtung
ist eine durch Schwerkraft oder Federkraft belastete Tänzerrolle,
die den Drahtabschnitt zwischen der Vorratsrolle und der Drahtbremse
belastet und durch Verlängerung
dieses Drahtabschnitts den zurückgezogenen
Wickeldraht speichert.
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Um
die Steuerungsmöglichkeiten
der vorgeschlagenen hochdynamischen Drahtbremse voll ausnutzen zu
können,
ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
daß der
Drahtführer
zu seiner wechselnden Positionierung am Beginn und während eines
Wickelvorgangs sowie beim Übergang
auf eine andere Spulengröße in drei Raumachsen
gesteuert verfahrbar ist. Durch gesteuerte Koordinierung der Bremskraft
in jeder Drehwinkelstellung des rotierend antreibbaren Wickelwerkzeugs
während
des gesamten bei einem Wickelvorgang zurückzulegenden Drehwinkelwegs
bei gleichzeitiger Steuerung der Position des Drahtführers in drei
Achsen relativ zum Drehzentrum der Spule ebenfalls in Abhängigkeit
der Drehwinkelstellung läßt sich
jede beliebige Form von Spulen herstellen, und dies mit einer sehr
hohen Wiederholgenauigkeit.
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Die
erfindungsgemäße Wickelvorrichtung sollte
sich für
eine vollautomatische Fertigung eignen. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen,
daß das Wickelwerkzeug
neben dem zu bewickelnden Bereich des Aufnahmedorns oder eines Spulenträgers eine
Klemmeinrichtung aufweist, in die durch den Drahtführer der
Drahtanfang einer Spule einführbar ist,
und axial zwischen der Klemmeinrichtung und dem zu bewickelnden
Bereich eine schräge
Leitfläche
und eine quer zur Drehrichtung liegende Mitnahmefläche vorhanden
sind, an denen der Wickeldraht nach Beginn der Wickelbewegung zur
Anlage kommt.
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Weitere,
ebenfalls in Richtung Automatisierung zielende Vorschläge sehen
vor, daß in
der Drahtzufuhr, vor dem Drahtführer
eine Schäleinrichtung
angeordnet ist, durch die an den die Anschlußenden der Spule bildenden
Drahtabschnitten die isolierende Ummantelung abschälbar ist.
Außerdem ist
ein Drahtmesser vorhanden, das die Drahtenden der Spule mit ganz
bestimmten Längen
abschneidet.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A, B eine vereinfachte Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Spulenwickelvorrichtung;
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2 einen Querschnitt der
Spulenwickelvorrichtung gemäß Schnittlinie
II-II in 1,
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3 eine vereinfachte Draufsicht
auf die Spulenwickelvorrichtung nach 1 und 2.
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4 eine schematische Darstellung
des Drahtführers
im Zusammenwirken mit dem Spulenträger beim Biegen des Wickeldrahts,
wobei der Drahtführer
in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen gezeigt ist;
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5 und 6 Seitenansichten, z.T. im Schnitt, der
Wickeleinrichtung mit einer darin erzeugten Spule und einer Klemm-
und Führungseinrichtung
für den Drahtanfang.
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Die
in 1A mit ihrer linken
und in 1B mit ihrer
rechten Hälfte
gezeigte Wickelvorrichtung hat einen Maschinenrahmen 10,
an dem eine Wickeleinrichtung 12 zum Spannen und Drehen
eines Spulenträgers 36 sowie
die nachstehend beschriebenen Teile einer Drahtzuführeinrichtung
gelagert sind. Der Spulendraht 14 wird in Form einer großen, in
einem Behälter
aufgenommenen Vorratsrolle 16 angeliefert. Er ist von dort über eine
aus zwei gebremsten Rollen bestehende Drahtbremse 17 mit
einer bestimmten Bremskraft, einen Drahtspeicher 18 und
eine Drahtbremse 20 mit steuerbarer Bremskraft sowie eine Führungsrolle 22 zu
einem Drahtführer 24 in
unmittelbarer Nähe
der Wickeleinrichtung 12 geführt. Die Führungsrolle 22 und
der Drahtführer 24 sind
an einem eine Drahtführungseinheit
bildenden Schlitten 26 gelagert, der durch einen Antrieb 28 längs einer senkrechten
Führung 29 an
einem Querschlitten 27 gesteuert verfahrbar ist. Dieser
ist durch einen Antrieb 32 längs einer horizontalen Querführung 33 an einem
Längsschlitten 25 gesteuert
verfahrbar, der seinerseits durch einen An trieb 30 entlang
einer horizontalen Längsführung 31 gesteuert
verfahrbar ist. Daher ist der Drahtführer 24 in drei Achsen
gesteuert geführt.
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Auf
dem Weg von der Führungsrolle 22 zum Drahtführer 24 durchläuft der
Wickeldraht eine am Schlitten 26 montierte Schäleinrichtung 34,
in der zur Freilegung der Spulenenden der isolierende Lacküberzug des
Wickeldrahts abschälbar
und über
ein angeschlossenes Rohr 35 absaugbar ist. Neben der Schäleinrichtung
ist auch ein gesteuert aktivierbares Drahtmesser 37 angebracht,
das durch eine Zylinder-Kolben-Einheit 39 zum Drahtführer 24 hin
vorschiebbar und zurückziehbar
ist.
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Wie
am besten aus 1 ersichtlich,
läuft der
Wickeldraht 14 von der Vorratsrolle 16 über die Drahtbremse 17,
den Drahtspeicher 18, die Drahtbremse 20 und die
Führungsrolle 22 zum
Drahtführer 24.
Wenn das vorderste Drahtende relativ zu einem in der Wickeleinrichtung 12 eingespannten
Spulenträger 36 festgelegt
worden ist und dieser rotierend angetrieben wird, zieht der rotierende
Spulenträger 36 Draht 14 aus
dem Drahtführer 24 und
auf dem genannten Weg von der Vorratsrolle 16 ab. Dabei
ist wichtig, daß sich
die Drahtbremse 20 in Bewegungsrichtung des Wickeldrahts 14 unmittelbar
vor der Drahtführungseinheit 26 befindet
und der Drahtspeicher 18 zwischen der Drahtbremse 20 und
der Vorratsrolle 16 angeordnet ist.
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Die
Drahtbremse 20 besteht aus einem hochdynamischen Servomotor 38,
der eine Bremsrolle 40 entgegengesetzt zur Abzugsrichtung
des Wickeldrahts 14 antreibt. Der Servomotor 38 stammt z.B.
aus der Baureihe 1FK7 der Firma Siemens. Er hat ein Massenträgheitsmoment
von 0,0023 kg/qm und bietet im ge samten Drehzahlbereich von z.B.
bis zu 1.500 U/min ein steuerbares Drehmoment von bis zu maximal
30 Nm. Dank des geringen Massenträgheitsmoments hat der Servomotor 38,
der sonst z.B. zum Antrieb der beweglichen Teile eines Roboters dient,
eine sehr gute Momentencharakteristik, d.h. er spricht sehr schnell
auf Steuerbefehle an und erzeugt unabhängig von der durch die Abzugsgeschwindigkeit
des Wickeldrahts 14 erzeugten Drehzahl das jeweils durch
den Steuerbefehl vorgegebene Drehmoment in Gegenrichtung, so daß es als
Bremsmoment wirkt.
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Um
die Bremskraft auf den Wickeldraht 14 zu übertragen,
hat die aus Kunststoff bestehende Bremsrolle 40 einen verhältnismäßig großen Durchmesser
von 200 mm. Der Wickeldraht 14 umschlingt die Bremsrolle 40 dreimal
und muß unter
einer bestimmten Mindestzugspannung gehalten werden, die auch dann
noch wirksam ist, wenn bei bestimmten Bewegungen der Drahtführungseinheit 26 plötzlich die
Weglänge
des Wickeldrahts zwischen der Bremsrolle 40 und der Auflaufstelle
des Drahts auf den Spulenträger 36 bzw.
die darauf zu erzeugende Spule verkürzt wird. In einer solchen
Phase bleibt die Haftreibung zwischen der Bremsrolle 40 und
dem diese umschlingenden Draht 14 aufrechterhalten, weil
der Drahtspeicher 18 gleichzeitig als Drahtrückzieheinrichtung
ausgestaltet ist. Er besteht zu diesem Zweck aus einer ersten, um
eine ortsfeste Achse drehbaren Rolle 42 und einer zweiten,
mit ihrer Lagerung an einer senkrechten oder schrägen Führung 44 geführten und
durch Gewichts- oder Federbelastung nach unten gezogenen Tänzerrolle 46.
Der Wickeldraht 14 läuft,
wie in 1 gezeigt, zunächst über die
obere Umfangshälfte
der oberen Rolle 42, dann über die untere Umfangshälfte der
Tänzerrolle 46 und
dann nochmals über
die obere Hälfte
der Rolle 42 weiter zur Bremsrolle 40. Die Tänzerrolle 46 hängt somit
in einer Drahtschlaufe und hat durch ihre Gewichts- oder Federbelastung
ständig
das Bestreben, diese Schlaufe zu verlängern, also darin eine größere Drahtlänge zu speichern,
wobei die Drahtbremse 17 verhindert, daß diese Gewichts- oder Federbelastung
ausreicht, um Draht von der Vorratsrolle 16 abzuziehen.
Mit der Wahl der auf die Tänzerrolle 46 wirkenden
Gewichts- oder Federkraft bestimmt man die Mindestzugbelastung und
-andrückkraft
des Wickeldrahts 14 an den Umfang der Bremsrolle 40.
Infolge des ständig
wirksamen Reibschlusses zwischen dem Draht 14 und der Bremsrolle 40 fördert der
Bremsmotor 38 Draht rückwärts zum
Drahtspeicher 18, wo sich der Achsabstand zwischen den
Rollen 42 und 46 vergrößert, wenn durch eine Bewegung
der Drahtführungseinheit 26 der
Drahtweg zwischen der Bremsrolle 40 und dem Spulenträger 36 verkürzt wird.
Auch bei plötzlichen
starken Änderungen
der Drahtabzugsgeschwindigkeit wirkt der Drahtspeicher 18 ausgleichend.
Das maximale Drehmoment, d.h. die maximale Zugkraft, die der Servomotor 38 über die Bremsrolle 40 auf
den Wickeldraht 14 ausüben
kann, sollte ausreichend groß sein,
um einen verhältnismäßig starken
Wickeldraht 14 von z.B. 1,7 mm Durchmesser zu biegen und
dabei plastisch zu verformen. Daher ist für das gezeigte Ausführungsbeispiel
ein Servomotor 38 mit einem maximalen Drehmoment von 30
Nm gewählt
worden.
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Eine
sehr wichtige Besonderheit der gezeigten Wickelvorrichtung ist die
am besten aus 4 ersichtliche
Führung
des Drahts 14 im Drahtführer 24 und
auf dem Weg zwischen diesem und dem um seine Drehachse 48 rotierenden
Spulenträger 36.
Im Drahtführer 24 wird
der Draht 14 durch Biegerollen 45, 47 so
gebogen, daß er
mit seiner konvexen Seite auf die Umfangsfläche des Spulenträgers 36 oder eine
bereits teilweise erzeugte Spule aufläuft. Die Biegeverformung ist
so stark, daß sie durch
die Zugspannung im Draht nicht aufgehoben wird. Der Spulenträger 36 rotiert
in derjenigen Richtung, in der der Draht in der Spule eine Krümmung erhält, die
entgegengesetzt ist zu der Krümmung
auf dem Weg zwischen dem Drahtführer 24 und
dem Spulenträger 36. Dadurch
wird erreicht, daß in
der Spule 41 die darauf in mehreren Lagen übereinandergewickelten
Drahtwindungen jeweils genau parallel liegen zu den ebenen Teilflächen der
im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Umfangsfläche des
Spulenträgers 36.
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Während des
Wickelvorgangs wird der Wickeldraht 14 durch den Drahtführer 24 mit
einer Genauigkeit von 0,1 mm maximaler Abweichung in jeder Wickellage
bzw. Schicht Windung für
Windung unmittelbar nebeneinander gelegt, zunächst auf die Umfangsfläche des
Spulenträgers 36,
dann genau in die äußere, schraubenförmig umlaufende
Rille zwischen den Windungen der radial innersten Lage, dann in
die äußere Rille
zwischen den Windungen der zweiten Lage usw. bis zur äußersten
Wickellage bzw. Schicht der Spule 41, s. 5 und 6.
Eine Abweichung von dieser geometrisch genau vorbestimmten Parallellage
der Drahtwindungen mit Bezug auf die Umfangsfläche des Spulenträgers 36 ergibt
sich nur an den axialen Enden der Wickellagen bei den Übergängen des
Drahts von der jeweils zuvor gerade gewickelten Lage zu der auf
dieser zu erzeugenden nächsten
Lage, weil es hierbei zu Verlegekreuzungen kommt, bei denen der
Wickeldraht über
wenigstens eine Drahtwindung hinweggeführt werden muß, bevor
er in die äußere Rille
der zuvor gewickelten Lage eingelegt werden kann.
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Die
Verlegekreuzungen werden in die sogenannten Wickelköpfe der
Spule 41 gelegt, d.h. diejenigen Bereiche der Spule, die
im fertig montierten Zustand eines Stators über die Stirnflä chen des
Statorblechpakets vorstehen. Dort beeinträchtigen die Verlegekreuzungen
nicht den Füllfaktor
der Statornuten. Da sich diese im Querschnitt radial von innen nach außen keilförmig erweitern,
muß auch
die Spule 41 so gewickelt werden, daß sie einen entsprechenden keilförmigen Querschnitt
erhält
und die zugeordnete Statornut möglichst
vollständig
ausfüllt.
Dies wird dadurch erreicht, daß nur
die innersten Lagen der Spule über
ihre gesamte axiale Länge
durchgehen. Dann werden zunehmend kürzere Lagen erzeugt, die einen
immer größeren Abstand
von demjenigen axialen Ende der Spule 41 einhalten, welches
sich im fertig montierten Zustand am radial inneren Ende der Statornut
befindet. Die fertig gewickelte Spule 41 hat also an demjenigen
axialen Ende, welches sich im fertig montierten Zustand radial außen befindet,
mehr Wickellagen als am radial weiter innen liegenden Ende, s. 5 und 6. Dazu muß der Drahtführer 24 in der
Ansicht gemäß 1B während des Wickelvorgangs mittels
des horizontalen Längsantriebs 30 zunächst einige
hin- und hergehende Bewegungen nach rechts und links über die
axiale Länge
der auf dem Spulenträger 36 zu
erzeugenden Spule ausführen.
Dann werden die hin- und hergehenden Bewegungen immer kürzer, tangieren
dabei aber immer dasselbe axiale Ende der Spule.
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Um
nach dem Wickeln einer Lage an einer ganz bestimmten Stelle des
Umfangs, nämlich
in einem Wickelkopf, eine Verlegekreuzung über je nach dem zu erzeugenden
Keilwinkel der Spule ein oder mehrere Spulenwindungen hinweg zu
erzeugen, wird im einfachsten Fall die Drehbewegung der Spule angehalten,
die Zugspannung im Wickeldraht 14 durch Veränderung
des Drehmoments des Bremsmotors 38 verringert und die Position
des Drahtführers 24 mittels
des steuerbaren horizontalen Längsantriebs 30 so
verändert,
daß der
Draht beim Wiederein setzen der Drehbewegung über ein oder zwei Drahtwindungen
hinweg kreuzend sich an der vorbestimmten Stelle in die Rille zwischen
den Windungen der zuletzt gewickelten Lage legt. Dann ändert der
Drahtführer 24 wiederum
seine Stellung mit Bezug auf die Spule, so daß bei weiterer Drehbewegung
der Draht dem Verlauf der Rille folgt. Außerdem wird das Drehmoment
des Bremsmotors 38 erhöht,
damit der Draht zuverlässig
und mit solcher Spannung in die Rille gezogen wird, daß er plastisch
verformt und so gebogen wird, daß er sich zwischen den Wickelköpfen parallel
zu den entsprechenden ebenen Teilflächen der Umfangsfläche des
Spulenträgers 36 erstreckt.
Zur optimalen Positionierung des Drahtführers 24 zur Erzeugung
der Verlegekreuzungen können
auch die steuerbaren Antriebe 28 und 32 mit eingesetzt
werden. Diese werden außerdem
dazu gebraucht, beim Übergang
auf eine andere Spulengröße den Drahtführer 24 mit
Bezug auf die Drehachse 48 radial weiter außen oder
innen zu positionieren. Nur beispielhaft sei erwähnt, daß mit der gezeigten Vorrichtung Spulen 41 für Statorblechpakete
von 25 bis 150 mm Höhe,
einer Spulenbreite von 4 bis 16 mm und einer Spulenweite von 5 bis
23 mm gewickelt werden können,
wobei die Spulen etwa 44 bis 120 Windungen haben. Die Arbeitszeit
für die
Erzeugung einer Spule einschließlich
des Anhaltens oder der Verlangsamung der Wickelbewegung zur Erzeugung
genau positionierter Verlegekreuzungen beträgt dabei weniger als etwa 25
bis 30 Sekunden.
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Die
Wickeleinrichtung 12 besteht aus zwei zusammenwirkenden
Einheiten. Die eine ist ein Drehtisch 50 mit zwei diametral
gegenüberliegend angeordneten
Werkstück-Aufnahmedornen 52,
von denen der äußere jeweils
ent- und beladen werden kann, indem eine fertige Spule 41 auf
einem Spulenträger 36 durch
steuerbare Greifer abgenommen und ein leerer Spulenträger 36 aufgesetzt
wird, während ein
in diesem Arbeitszyklus auf dem anderen Aufnahmedorn 52 sitzender
Spulenträger 36 bewickelt
wird. Nach Fertigstellung dieser Wicklung wird der Drehtisch 50 mittels
eines Drehantriebs 53 um 180° geschwenkt und mittels einer
Verriegelungseinrichtung 53' wieder
in ausgerichteter Stellung fixiert, so daß der äußere Aufnahmedorn 52 mit
einem leeren Spulenträger 36 in
die Wickelposition nach innen gelangt.
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Die
zweite größere Einheit
der Wickeleinrichtung 12 ist eine Spannbacke 54,
die durch einen Kraftzylinder 56 längs einer Führung 55 zu dem in
der Wickelposition befindlichen Aufnahmedorn 52 hin vorschiebbar
und stirnseitig gegen den aufgespannten Spulenträger 36 mit einer solchen
Kraft andrückbar
ist, daß die
axiale Länge
der während
des Wickelvorgangs erzeugten Spule trotz der verhältnismäßig hohen
Zugkraft im Wickeldraht 14 auf ein bestimmtes Größtmaß begrenzt
bleibt. Außerdem
sind die Aufnahmedorne 52 in den axialen Bereichen, auf
denen die Spulenträger 36 sitzen,
radial ein wenig aufweitbar bzw. zusammenziehbar. Diese Bereiche
der Aufnahmedorne 52 stützen
die Spulenträger 36 radial
innen ab, so daß sie
während
des Wickelvorgangs trotz der Zugkraft im Wickeldraht 14 einen
bestimmten inneren Querschnitt behalten, der etwas größer ist
als der endgültig
gewünschte
Querschnitt, auf den sich der Spulenträger 36 nach dem Abnehmen
vom Aufnahmedorn 57 zusammenzieht.
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Der
Antrieb für
die rotierende Bewegung der Spulenträger 36 kann auf seiten
der Aufnahmedorne 52 oder, wie im Ausführungsbeispiel ein Drehantriebsmotor 57,
auf seiten der Spannbacke 54 angeordnet sein. Es muß sich um
einen steuerbaren Antrieb handeln, der sich während der Wickelbewegung in
be stimmten Drehwinkelstellungen des gesamten für einen Wickelvorgang notwendigen
Drehwegs anhalten oder verlangsamen läßt, um positionsgenau eine
Verlegekreuzung herstellen zu können.
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Wenn
nach Beendigung eines Wickelvorgangs die Spannbacke 54 von
dem bewickelten Spulenträger 36 und
dem ihn tragenden Aufnahmedorn 52 zurückgezogen worden ist, kann
sich die sehr stramm gewickelte Spule 41 samt Spulenträger 36 aus
Kunststoff axial ein wenig ausdehnen auf das axiale Maß, das für die Montage
im Statorblechpaket vorgesehen ist. Außerdem kann sich die stramm
gewickelte Spule 41 samt Spulenträger 36 nach der vorstehend
erwähnten
Querschnittsverkleinerung des Aufnahmedorns 52, die z.B.
mittels zusammenwirkender Keilflächen
vorgenommen wird, im Querschnitt auf das Maß verkleinern, welches für die Montage
im Statorblechpaket vorbestimmt ist.
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6 zeigt als herausgezogenes
Detail einen Längsschnitt
durch einen Eckbereich des im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen
Spulenträgers 36,
der hier nur mit seiner Innenfläche
dargestellt ist. Die Besonderheit besteht darin, daß der Spulenträger 36 in
seinen Eckbereichen mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rillen 58 versehen ist.
Die gleichmäßig über die
Länge des
Spulenträgers 36 verteilten
Rillen 58 definieren die Lage der untersten Windungen der
aus dem Wickeldraht 14 erzeugten Spule. Durch die Rillen 58 sind
die untersten Spulenwindungen axial fixiert, so daß sie nicht
axial verrutschen können,
wenn die ersten Windungen der nächsten
Spulenlage in die durch die Windungen der untersten Spulenlage gebildete
schraubenförmige Rille
gelegt werden, wobei die durch die Drahtbremse 20 erzeugte
Zugspannung im Wickeldraht 14 normalerweise das Bestreben
hätte,
die Draht windungen der untersten Lage axial zu verdrängen. Da
diese jedoch durch die Rillen 58 axial fixiert sind, haben
auch die Drahtwindungen aller darüber erzeugten Drahtschichten
eine stabile, definierte Lage.
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Anhand
von 6 läßt sich
der automatisierte Start eines Wickelvorgangs erklären.
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Wie
gezeigt, ist an dem Aufnahmedorn 52 eine Drahtklemme 60 angebracht.
In diese wird zu Beginn eines Wickelvorgangs das vordere Ende des Wickeldrahts 14 eingeführt, von
dem zuvor in der Schäleinrichtung 34 die
Isolierung entfernt worden ist. Das Einführen des vorderen Drahtendes 14 in
die Klemmeinrichtung 60 erfolgt mittels der in 2 gezeigten Einrichtung
zum schrittweisen Vorschub des Drahts 14. Diese Vorschubeinrichtung
besteht aus einer oberen, fest angeordneten Klemmzange 62 und einer
unteren Klemmzange 64, die durch eine Zylinder-Kolben-Einheit 66,
welche ebenso wie die obere Zange 62 an der Drahtführungseinheit 26 befestigt ist,
in senkrechter Richtung bewegt wird. Um das vordere Drahtende in
die Klemme 60 einzuführen,
fährt die
Zylinder-Kolben-Einheit 66 bei gelöster oberer Klemmzange 62 die
den Draht 14 geklemmt haltende untere Klemmzange 69 aus
ihrer oberen in die untere Stellung. Anschließend wird die obere Klemmzange 62 gespannt
und die bewegliche untere Klemmzange 64 gelöst und nach
oben zurückgezogen.
Dieser Bewegungsablauf kann auch mehrmals wiederholt werden, um
den Draht schrittweise über
eine größere Strecke
vorzuschieben. Vor Beginn der Wickelbewegung werden beide Klemmzangen 62, 64 gelöst.
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Nachdem
das vordere Ende des Drahts 14 in der Drahtklemme 60 am
Aufnahmedorn 52 fixiert worden ist, wird durch den Drehan triebsmotor 57 über die
mit dem Aufnahmedorn 52 drehschlüssig gekuppelte Spannzange 54 zunächst nur
eine (Teil-) Umdrehung ausgeführt,
wobei der Drahtführer 24 in einer
Stellung steht, in welcher der Draht 14 zunächst noch
nicht auf den Spulenträger 36,
sondern auf eine Umfangsfläche 68 des
Aufnahmedorns 52 gelegt wird. Die hier abgelegte Drahtlänge ergibt
später
eines der beiden von der Spule abstehenden Anschlußenden.
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Nachdem
eine bestimmte Endlänge
des Drahtes auf die Umfangsfläche 68 gelegt
worden ist, wird der Drahtführer 24 über den
Spulenträger 36 verfahren.
Dabei verfängt
sich der Wickeldraht 14 an einem radialen Vorsprung 70 auf
der Umfangsfläche des
Aufnahmedorns 52. Durch den radialen Vorsprung 70 wird
der Draht in eine Nut in der angrenzenden Endwand des Spulenträgers 36 gelenkt
und gelangt durch diese in den Innenraum des Spulenträgers 36.
Danach wird der Wickelvorgang, wie oben beschrieben, ausgeführt, wobei
eine mit Bezug auf den Spulenträger
in axialer Richtung im wesentlichen konische Spule erzeugt wird.
Am Ende des Wickelvorgangs lenkt der Drahtführer 24 den Draht
auf eine Umfangsfläche
der Spannbacke 54 und erzeugt dadurch das andere von der
Spule abstehende Anschlußende,
bevor schließlich
der Draht mittels der Schere 37 abgeschnitten wird.
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Es
sei ergänzend
erwähnt,
daß statt
der Drahtführungseinheit 26 auch
die Wickeleinrichtung 12 in einer oder mehreren Raumachsen
gesteuert einstellbar sein könnte,
um den zu bewickelnden Spulenträger 36 relativ
zum Drahtführer 24 in
der gewünschten
Weise zu positionieren. Außerdem
könnte die
Drahtführungseinheit 26 oder
ein den Drahtführer 24 enthaltender
Teil derselben durch einen Bewegungsantrieb in Längs richtung entlang einer Führung an
einem senkrecht und quer verfahrbaren Schlitten gesteuert bewegbar
sein, um die bei den am häufigsten
auszuführenden
sprunghaften Bewegungen in Längsrichtung
zu bewegende Masse zu minimieren. Als steuerbare Verstellantriebe
eignen sich z.B. positionsgenau zu steuernde Elektroantriebe in
Verbindung mit Schraubenspindeln.
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Die
Drahtführung
zwischen dem Drahtführer 24 und
der Bremsrolle 40 hängt
u.a. von den auf diesem Drahtabschnitt angeordneten Bearbeitungseinheiten,
z.B. der Schäleinrichtung 34 und
dem Drahtmesser 37 ab. Hier besteht, was die Lage der Führungsrolle 22 und
weitere Drahtführungsorgane
anbelangt, weitgehende Gestaltungsfreiheit, es sollten jedoch nach
Möglichkeit
in diesem Bereich hinter der Bremsrolle 40 keine elastischen
Elemente bzw. Drahtspeicher vorhanden sein, um mittels der Drahtbremse 20 jederzeit
eine definierte Zugkraft auf den Drahtabschnitt zwischen der Spule
und dem Drahtführer 24 ausüben zu können.
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Der
Drahtspeicher 18 kann auch eine andere Form, als dargestellt,
haben. So kann z.B. die in ihrer Länge veränderliche Drahtschlaufe, in
welche die Drahtbremse 20 gelegentlich Draht zurückfördert, unbelastet
sein, wenn in anderer Weise, z.B. durch eine mit einer bestimmten
Kraft belastete Andruckrolle, dafür gesorgt wird, daß der Draht 14 schlupffrei
in Anlage an der Bremsrolle 40 gehalten wird.
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Das
Prinzip der Erfindung läßt sich
auch bei einer Wickelvorrichtung realisieren, bei der die Spule während des
Wickelvorgangs drehfest gehalten wird, während der Drahtführer die
Spule umkreist. Weiterhin spielt es für die Erfindung keine Rolle,
ob die Spule 41 auf einen hohlen Träger 36 aus Kunststoff
oder auf ein Eisenkernsegment eines Rotors oder Stators für einen
Linear- oder Drehantriebsmotor gewickelt wird. Auch Spulen ohne
Träger,
die auf eine Schablone gewickelt und deren Windungen nach dem Wickeln
z.B. miteinander verbacken werden, können erfindungsgemäß hergestellt
werden. Schließlich
besteht auch keine Einschränkung
hinsichtlich des Wickeldrahts. In Frage kommen z.B. Rund- und Flachdrähte sowie
Paralleldrähte.
Die Wickelvorrichtung kann mehrere nebeneinander angeordnete Wickeleinrichtungen 12 mit
jeweils einer zugehörigen
Drahtzuführung
aufweisen, wobei die Möglichkeit
besteht, die Drehantriebe der Wickeleinrichtungen 12 und
die steuerbaren Antriebe der Drahtführungen 26 zu koppeln
oder in anderer Weise zu synchronisieren.