Ingenieurbüro für Elektro-Maschinenbau

Orthozyklisches Wickeln

Verfahrenstechnische Grundsätze

Als Grundsatz für die Spulenkonstruktion ist danach zu streben, die geometrischen Abmessungen einer Spule so klein wie möglich zu halten.

Das orthozyklische Wickeln bezeichnet ein Verfahren, den für den Draht zur Verfügung stehenden Raum optimal zu nutzen.

Das Verhältnis des Gesamtquerschnittes der Windungen zum Querschnitt des zur Verfügung stehenden Wickelraumes wird dabei als der "Füllfaktor" bezeichnet.

Da ein runder Cul-Draht immer Räume einschießt, die nicht ausgefüllt werden können, wird der Füllfaktor immer kleiner als 1 sein.

Es gibt nun 3 Möglichkeiten, den verfügbaren Wickelraum zu nutzen:

1. durch unregelmäßige, sogenannte wilden Wicklung

Bei dieser Art wird kein optimaler Füllfaktor erreicht. Auch ist die Streuung des Füllfaktors und damit des Spulenwiderstandes relativ groß. Dabei ist nicht auszuschließen, dass Windungen in Freiräume von unteren Lagen gelangen. Diese Windungen besitzen dann ein relativ hohes Spannungspotential, durch dass es zu Durchschlägen kommen kann.

Trotz vorgenannter Nachteile kann dieses Verfahren insbesondere bei der Massenproduktion als das gebräuchlichste und wirtschaftlichste angesehen werden. Es zeichnet sich dadurch aus, dass keine hohen Anforderungen an Maschine und Bediener gestellt werden bzw. die Wicklungen mit sehr hohen Geschwindigkeiten aufgebracht werden können.

Hauptanwendungsgebiet: Schützspulen, Relaisspulen, Übertrager, und Kleintrafos, d. h. Wicklungen mit vorwiegend dünnen Drähten und hohen Windungszahlen.

2. durch schraubenförmige Wicklung

Dabei ist die 1. Lage relativ einfach herzustellen. Die Windungen kreuzen die Spulenachse unter einem Winkel, der unter dem Betrag von 90 verschieden ist. Sie sind in der nachfolgenden Darstellung von links nach rechts gewickelt und bilden eine linksgängige Schraubenlinie.

Beim Legen der zweiten Windungslage von rechts nach links müsste praktisch eine rechtsgängige Schraubenlinie erzeugt werden.

Die folgenden Lagen kreuzen also jeweils die vorherige. Dadurch, dass die Windungen das Bestreben haben, sich in die von den Windungen der 1. Lage gebildeten Rillen zu legen (entgegengesetzte Steigung) kommt es zu keinem Drahtführungsverhalten, der Draht legt sich in unregelmäßigen Abständen in die Täler der vorherigen Wicklung. Schon nach der ersten Lage wird der weitere Wicklungsaufbau unregelmäßig und führt zur "wilden Wicklung".

In der Praxis ist dieses Verfahren daher nur für einlagige Wicklungen anwendbar.

3. durch orthozyklische Wicklung

Aus vorgenannten Punkten wird ersichtlich, dass die 2. Windungslage bereits nicht regelmäßig gelegt werden kann. Die Ursache liegt darin begründet, dass die Neigung der Windungen sich in die von der ersten Lage gebildete Rille zu legen, im Konflikt gerät mit der Linksgängigkeit der einen und der Rechtsgängigkeit der anderen Schraubenlinie.

Wenn also die Windungen der ersten Lage die Spulenachse unter dem Winkel 90 + alpha kreuzen, müsste dies bei der zweiten Lage unter dem Winkel 90 - alpha geschehen. Daraus folgt, dass die Schwierigkeit behoben wird, wenn es gelingt alpha = 0 zu machen, d. h. also, die erste Lage so zu wickeln, dass jede Windung im größten Teil Ihres Umfanges die Achsenlinie rechtwinklig, also orthogonal kreuzt.

Bei dieser Wicklungsart wird der Steigungswinkel alpha der einzelnen Windungen 0. Die Lagenkreuzung entfällt und die Windungen der folgenden Lagen legen sich immer über 2 Windungen der unteren Lage. Das Drahtführungsverhalten ist hierbei so ausgeprägt, dass sich der Draht nach der ersten Lage praktisch selbst führt. Natürlich ist es unmöglich, das Wickeln so auszuführen, dass die Windungen in ihrer ganzen Länge die Orthogonalitätsbedingungen erfüllen.

Den Teil jeder Windung, der sie nicht erfüllt, bezeichnet man als Übergang. Die Übergänge einer ganzen Windungslage bilden zusammen die Übergangszone. Innerhalb dieser Übergangszone muss der Draht von einer Windung zur nächsten springen. Bei runden Spulen ergibt sich eine Übergangszone, die 10% des Umfanges bzw. bei rechteckigen Spulen eine Rechteckseite beträgt.

Wichtig bei orthozyklisch gewickelten Spulen ist, dass die Übergangszone immer an der gleichen Stelle des Umfanges liegt. Ist dies nicht der Fall, geht das Führungsverhalten verloren, das immerhin auf ca. 90% des Umfanges vorhanden ist. Aus dieser Voraussetzung ist zu folgern, dass bei orthozyklisch gewickelten Spulen in jeder Lage immer eine ganze Windungszahl untergebracht werden muss. Die Wickelbreite beträgt demzufolge also immer ein Vielfaches des Drahtdurchmessers.

Der maximal erreichbare, theoretische Füllfaktor beträgt bei der orthozyklisch gewickelten Spule ca. 0,91. Obwohl dieser Wert in der Praxis nicht realisierbar ist, da er in der Übergangszone und an den Lagenenden nicht erreicht wird, stellt das orthozyklische Wickeln die beste Möglichkeit dar, den zur Verfügung stehenden Raum optimal zu nutzen. Es ist aber auch die Art, die sich am schwersten in der Praxis verwirklichen lässt. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die für orthozyklische Wicklungen zu erfüllenden Voraussetzungen sehr hoch sind. So ist neben den bisher bereits erwähnten Voraussetzungen allgemein zu sagen, dass die Aufsummierung der Toleranzen sehr klein gehalten werden muss.

Dies sind:

a. Die Toleranz des Wickelfensters

Das Wickelfenster muss immer einer ganzen Anzahl Windungen entsprechen.
Die Breitentoleranz darf max. + 0,2 x d betragen

b. Die Toleranz des Drahtes

Die max. Drahttoleranz darf nicht größer sein als

Δd = ±0,2 x d/n

n=Windungen je Lage

Wie eng diese Toleranz ist, sieht man am besten an folgendem Beispiel:
d = 1 mm, 20 Wdg./pro Lage
zulässige Toleranz Δd = ±0,01 mm

Daraus folgt, dass ein Draht, der den zulässigen Toleranzen
entspricht (ca. 3 % ), ohne weitere Behandlung nicht zum
Einsatz kommen kann.

Die Behandlungsmöglichkeit wäre durch Kalibrierung mittels Ziehsteine gegeben.

Während die bisherigen Punkte noch mit entsprechend großem Aufwand gelöst werden können, lässt sich das Problem der Drahtführung bei hohen Wickelgeschwindigkeiten jedoch nicht mehr beherrschen.

Der Drahtführer müsste im Bereich der Überganszone immer einen Sprung größer einer Drahtstärke ausführen und den Mehrbetrag zurückspringen.

80%des Umfanges keine Verlegung
10%Steigung um den Betrag d + x
5%Rücksprung um den Betrag x

Möglichkeiten und Technologie zur Herstellung von orthozyklischen Wicklungen

Bei dieser Wicklungsart ergeben sich folgende drei Probleme:

1. Der Drahtführer müsste so gestaltet sein, dass er den Draht zwangsläufig und unverrückbar in eine ganz bestimmte Position auf dem Spulenkörper aufbringt. Der Draht darf keine Freiheit für ein Abweichen von dieser Position haben.

2. Der Drahtführer müsste eine Art Pilgerschrittbewegung ausführen, wobei relativ große Sprünge notwendig sind.

3. Der Drahtdurchmesser muss annähernd die Toleranz Null aufweisen.

Selbst wenn mit entsprechend hohem technischen Aufwand die Forderung zu 1 und 2 zu erfüllen wären, bliebe immer noch das 3. Problem. Dieses Problem wird noch dadurch vergrößert, dass auch der ideale Draht in der Praxis niemals absolut gerade ist. Diese Ungeradheiten und Krümmungen, resultierend aus der Aufspulung des Drahtes auf Lieferrollen, bewirken, dass der Draht niemals absolut entsprechend seinem tatsächlichen Durchmesser aneinander liegt, sondern mit einem Abstand entsprechend seiner Ungeradheit.

Beeinflusst wird diese Lückenbildung beim Aufwickeln des Drahtes noch durch seine Oberflächenbeschaffenheit in der Lackschicht, d. h. im Gleitverhalten. Es ist daher in der Praxis unmöglich, für den Drahtführer eine genaue Steigung entsprechend dem Durchmesser zu bestimmen. Wenn das Toleranzfeld des Drahtes nun beispielsweise 10 % beträgt, bedeutet das, dass schon bei 10 Windungen je Lage eine Windung mehr oder weniger gewickelt werden muss, als es der Einstellung der Drahtverlegung entspricht.

Bereits nach der 1. Lage ergibt sich entweder eine Windung zuviel, die bereits in die 2. Lage gewickelt wird oder eine zu wenig, und die 1. Lage ist nicht dicht, so dass sich Windungen von oben nach unten einziehen können. In beiden Fällen führt der weitere Wicklungsaufbau sehr schnell zu einer "wilden Wicklung". Außerdem befindet sich der Drahtführer bereits nach wenigen Lagen in einer ganz anderen Position als der Spulenaufbau sich entwickelt hat. Weiterhin ergibt sich daraus, dass mit enger werdenden Toleranzen bei dickeren Drähten und schmalen Spulen die möglichen Abweichungen geringer werden und bei geschickter, individueller Einstellung noch unter Umständen brauchbare Ergebnisse zu erzielen sind. Wenn eine orthozyklische Wicklung mit Sicherheit erreicht werden soll, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein.

1. Der Drahtführer muss eine absolut gleichmäßige Steigung je Windung haben (digitale Verlegung).

2. Die Drahttoleranzen müssen in ihrer Auswirkung absolut ausgeschaltet werden.

3. Ein Verschieben der Windungen in der 1. Lage muss verhindert werden.

Soweit von der maschinellen Seite die erste Forderung ausreichend erfüllt wird, muss zur Erfüllung der zweiten Forderung ein idealer Drahtdurchmesser angenommen werden. Dieser muss so groß sein, dass alle Toleranzen aus dem Außendurchmesser und der Ungeradheit innerhalb der gewählten Steigung enthalten sein können.

In der Regel ist dies der Fall, wenn die Steigung ca. 1,5 % größer als der maximal isolierte Außendurchmesser des Drahtes angenommen wird.

Damit ergibt sich zwischen den Drähten ein gewisser Abstand, um den der ideale Füllfaktor schlechter wird.

Unter der Voraussetzung nach 3 gerecht zu werden, ist zu verhindern, dass sich die Drähte auf dem Spulenkörper bzw. am Wickelkern axial verschieben können, da sich sonst Drähte der darüber liegenden Lage einziehen.

Bei der 1. Lage muss die Fixierung der Drähte zwangsweise erfolgen. Dies ist in der Regel möglich, durch Rillen oder Kerben, die den Abstand der gewünschten Steigung aufweisen. Ein weicher Untergrund würde zwar auch genügen, jedoch müsste dann ein Drahtführer eingesetzt werden, der den Draht zwangsweise in der gewünschten Spulengeometrie aufbringt. Ein solcher Drahtführer ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar, da er enorm aufwendig ist und keine hohen Wickelgeschwindigkeiten zulässt.

Ab der 2. Lage wird die Verlegung insofern leichter, als das dann die notwendigen Rillen jeweils von der vorhergehenden Lage genau vorhanden sind. Bei nicht zu großen Auslenkwinkeln vom Ablauf her, führt sich der Draht jetzt allein und mit der absolut richtigen Windungszahl je Lage. Selbstverständlich muss auch der Drahtführer mit dieser Genauigkeit folgen. Wenn die Ablaufwinkel des Drahtes auf die Spule zu groß werden, reicht das Abgleitverhalten des Drahtes an der vorhergehenden Windung nicht mehr aus und er wird dann vom Drahtführer in eine falsche, daneben liegende Rille gezogen.

Durch das Selbstführungsverhalten des Drahtes ist es somit möglich, dass auch beim orthozyklischen Wickeln der Drahtführer kontinuierlich laufen kann und nicht schrittweise dem Draht folgen muss.

Aus dem Gleitverhalten der einzelnen Drähte aneinander ergibt sich auch der mögliche bzw. notwendige Einlaufwinkel der ersten Windung in den Spulenkörper. Ist dieser Winkel zu steil, wird der nächste Draht innerhalb der Lage oder am Lagenende auf die vorhergehende Windung aufliegen und es entstehen Lücken oder unkontrollierte Anhäufungen.

Aus dem Einlaufwinkel ergibt sich auch der Winkel, um den die Überganszone auf dem Spulenumfang wandert.

Trifft sie dabei bei einer rechteckigen Spule von der Fläche auf die Ecke oder umgekehrt, ändert sich schlagartig das Verhältnis Spulenradius zum Winkel der Übergangszone. Dabei kann dann ebenfalls der Draht nicht mehr so leicht an der vorhergehenden Windung abgleiten und es kommt zu Sprüngen.

Aus diesem Grunde sollte das Wandern der Übergangszone um die Ecken möglichst vermieden werden oder es muss mit verringerter Geschwindigkeit gewickelt werden.

Wie vorstehend bereits erwähnt, lassen sich Ungleichmäßigkeiten im Drahtdurchmesser dadurch beseitigen, dass man die 1. Windungslage mit kleinen Zwischenräumen zwischen den Windungen wickelt.

Große Streuungen im Drahtdurchmesser bzw. Ungleichmäßigkeiten lassen sich für das orthozyklische Wicklungsverfahren aber auch dadurch ausgleichen, dass eine vorherige Kalibrierung stattfindet, d. h. indem man den Draht durch einen Ziehstein (Kaliber) zieht. Die Öffnung dieses Ziehsteines muss einen Durchmesser haben, der dem kleinsten vorkommenden Wert des Drahtdurchmessers entspricht, so dass alle dickeren Teile des Drahtes auf dasselbe Maß verkleinert werden.

Das Kupfer wird durch diese plastische Verformung jedoch härter, also weniger biegsam, was sich nachteilig beim Verlegen der Windungen im Bereich der Übergangszone auswirken kann. Um diese Nachteile möglichst klein zu halten, strebt man bei der Drahtherstellung danach, die Streuung im Durchmesser noch kleiner zu halten als sie bereits ist, wodurch das Kalibrieren weniger Verformung verursacht.

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