Spulenwickeltechnik

Unter Spulenwickeltechnik versteht man in der Elektroindustrie die Art und Methode des Aufwickelns des elektrischen Leiters (isolierter Draht oder Litze) zu einer Spule.

Die dabei entstehende geometrische Struktur aus einer oder mehreren Windungen oder Lagen erzeugt in ihrer Gesamtheit eine konzentrierte elektrische Eigenschaft: Spulen können als Aktuatoren (Elektromagnete, Transformatoren, Motoren, Schwingspulen, Drehspulen usw.) oder auch als Sensoren (Antennen, dynamische Mikrofone, Messgeräte usw.) eingesetzt werden. Die Wicklungen von Aktuatoren, wie z. B. der Statoren oder Rotoren von Motoren werden ebenfalls als Spulen bezeichnet. Die Wickeltechnik bestimmt wesentlich die Eigenschaften von wicklungsbehafteten, elektromechanischen Baugruppen. Dazu gehören die Isolationsfestigkeit, der Gütefaktor, die für eine bestimmte Leistung oder Magnetkraft erforderlichen Abmessungen oder auch das magnetische Streufeld. Weil die Anforderungen an die Energieeffizienz stark zunehmen, wachsen auch die Ansprüche an die Entwicklung von Bauteilen für elektromechanische Baugruppen wie z. B. bei Elektromotoren.

Die Wickeltechnik wird anhand von Art und Geometrie der zu wickelnden Spulen in mehrere Gruppen unterteilt.

mini|Spule mini|Stator

Verfahrenstechnische Grundlagen zum Wicklungsaufbau

Begriffserklärung Füllfaktor

Für Miniaturisierung und Materialeinsparung (z. B. Kupfer) gilt es oft, die geometrischen Abmessungen einer Spule so klein wie möglich zu halten. Die in den zur Verfügung stehenden Wickelraum eingebrachte Menge an elektrischen Leitern einschließlich deren Isolationsschicht bezeichnet man mit dem Begriff mechanischer Füllfaktor.

mini|Wilde Wicklung Zur Ermittlung des Füllfaktors wird die Gesamtfläche der Leiterquerschnitte einschließlich ihrer Isolation mit dem zur Verfügung stehenden Wickelquerschnitt ins Verhältnis gesetzt:

– Drahtdurchmesser einschließlich der Lackisolation – Windungszahl – Wickelbreite – Wickelhöhe – Fensterquerschnitt des Spulenkörpers ()

mini|Schliffbild orthozyklische Wicklung mini|Orthozyklisch gewickelte runde Spule

Bei runden Drähten lässt sich erkennen, dass ein geordneter Aufbau einer Wicklung (annähernd dichteste Kreispackung der Drahtquerschnittsflächen) weniger Lufträume in der Wicklung, d. h. einen höheren Füllfaktor und damit eine höhere Effizienz des elektrischen Bauteils bewirkt. Darüber hinaus wird die Wärmeableitung aus der Wicklung heraus verbessert.

Eine optimal ausgeführte Wicklung, in der die Drähte der Oberwicklung zu mindestens 300° des Umfangs in den Tälern der Unterwicklung liegen und somit dort annähernd die dichteste Kreispackung einnehmen, nennt man orthozyklische Wicklung. Hingegen nennt man das im Wickelraum ungeordnete Wickeln von elektrischen Leitern eine wilde Wicklung.

Da ein runder Draht immer Hohlräume einschließt, wird der Füllfaktor immer kleiner als 1 sein. Zum Erreichen eines besonders hohen Füllfaktors werden Rechteck- und Flachdrähte verwendet, die flachliegend oder auch hochkant gewickelt werden.

Wilde Wicklung

Bei dieser Art des Wicklungsaufbaus wird kein optimaler Füllfaktor erreicht. Auch ist die Streuung der aufgebrachten Drahtlänge und damit des Spulenwiderstandes relativ groß. Wilde Wicklungen werden in der Regel homogen erzeugt, indem man während des Wickelns den Draht mit der 1,5- bis 3-fachen Steigung gegenüber dem Drahtdurchmesser verlegt. Dadurch soll auch das Herabrutschen von Windungen in die Unterwicklung, welches zu großen Spannungsdifferenzen und damit zu elektrischen Durchschlägen führen kann, vermieden werden.

Trotz vieler 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 und die Wicklungen mit sehr hoher Geschwindigkeit aufgebracht werden können. Hauptanwendungsgebiete von wilden Wicklungen sind Schütz- und Relais-Spulen, Kleintransformatoren, Zündspulen usw., also Bauteile mit relativ dünnen Drähten bis ca. 0,05 mm Durchmesser.

Die erreichten Füllfaktoren liegen bei Verwendung von Runddrähten bei ca. 73 % und somit bei etwa 80 % des Füllfaktors einer orthozyklischen Wicklung (90,7 %).

Die Wickelhöhe ergibt sich annähernd aus der Formel:

– Drahtdurchmesser über Lack (CuL) – Anzahl Windungen – Wickelbreite

mini|zentriert|450px|Wilde Wicklung

Schraubenförmige Wicklung

mini|Schraubenförmige Wicklung

Die Drähte liegen in jeder Lage schraubenförmig. Da die Gängigkeit von Lage zu Lage zwischen rechts- und linksgängig wechselt, kreuzen sich die Drähte und legen sich spontan in die Lücken der vorhergehenden Lage. Eine Drahtführung durch die untere Lage ist nicht gegeben. Der Wickel gerät daher bei vielen Lagen durcheinander – es entsteht eine wilde Wicklung. Dem kann man durch Lagenisolationen begegnen, die oft ohnehin dann erforderlich sind, wenn die Lagenspannung die Isolationsfestigkeit des Kupferlackdrahtes übersteigt.

Orthozyklische Wicklung

mini|Orthozyklische Wicklung mini|links|Orthozyklisch gewickelte Spule mini|Orthozyklische Wicklung einer runden Spule mini|links|Orthozyklische Wicklung eines rechteckigen Statorsegments

Bei dieser Art des Wicklungsaufbaus für runde Drähte wird der optimale Füllfaktor erzeugt (90,7 %). Ziel ist es, die Windungen der Oberwicklung in die Täler der Unterwicklung abzulegen (ähnlich wie bei der Lebus-Rillung bei Seiltrommeln von Kränen). Wenn man drei Kreise aneinander legt, so zeigt sich, dass sich der kleinstmögliche Raumbedarf unter einer 60°-Anordnung ergibt. Hieraus lässt sich mathematisch genau ableiten, wie groß das Verhältnis des Anteils des verwendeten Gesamtraumes zu dem Anteil der Kreise ist.

Bei der besten Raumausnutzung geht es im Wesentlichen darum, den größtmöglichen Umfangsanteil einer Windung parallel zum Spulenflansch zu wickeln, damit dieser Zustand möglichst lange fortbesteht. Trifft die Windung dann auf den zuvor einlaufenden Draht, muss der Draht einen Windungsschritt in der Größe des Drahtdurchmessers vollziehen. Dieser Windungsschrittbereich kann sich je nach Drahtdurchmesser, Spulendurchmesser und vor allem der Wickelbreite über einen Winkel von bis zu 60° des Umfangs einer runden Spule bzw. bei rechteckigen Spulen über eine Rechteckseite am Wicklungsgrund in der ersten Lage ausbreiten. Ist dies nicht der Fall, geht das Eigenführungsverhalten verloren, und es bildet sich eine wilde Wicklung.

Der einlaufende Draht beeinflusst die Lage und Qualität des Windungssprunges. Es ist zu beachten, dass der Draht in einem möglichst flachen Winkel in den Wickelraum einläuft. Damit wird vermieden, dass der Draht durch unnötige Umlenkungen zum Beulen neigt und dadurch mehr Platz als nötig für die zweite Windung beansprucht. Bei orthozyklisch gewickelten Spulen befindet sich der Windungssprungbereich immer an der gleichen Stelle, nämlich im Bereich des Drahteinlaufs, und setzt sich schraubenförmig entgegen der Wickelrichtung fort. Das heißt, je größer die Wickelbreite einer Spule ist, desto größer ist der sich abzeichnende Windungssprungbereich entlang des Umfangs. Der entstehende Versatz des Windungssprunges hat zur Folge, dass der Punkt, an dem sich der Draht am Ende der ersten Lage in die zweite Lage hochdrückt, an einer anderen Stelle als der Drahteinlaufpunkt liegt. Diese Eigenschaft wiederholt sich mit jeder gewickelten Lage, sodass sich an der Seite einer solchen Spule ein spiralförmiger Lagensprungbereich (crossover) abzeichnet.

Aus der Tatsache, dass sich im Lagensprungbereich Drahtkreuzungen befinden, lässt sich ableiten, dass sich die entstehende Wicklungshöhe in diesem Bereich größer ausbildet. Deswegen sind orthozyklisch gewickelte Spulen mit rundem Spulengrund im Bereich der letzten Lage niemals rund. Die radial ständig wandernden Windungs- und Lagensprünge sorgen für eine buckelförmige Ausformung an dieser Stelle. Der sich ständig radial ändernde Kreuzungsbereich hat zur Folge, dass die Wicklungshöhe an dieser Stelle nicht gleich der Anzahl der Lagen mal Drahtdurchmesser ist. Erfahrungswerte haben gezeigt, dass sich der Kreuzungsbereich je nach Wickelbreite, Spulendurchmesser und Drahtdurchmesser mit 5 % bis 10 % größerer Wicklungshöhe gegenüber derjenigen im Lagenbereich abzeichnet.

Lage und Größe des Lagensprungbereiches (crossover)

Da die Windungen einer Wicklung möglichst lange parallel liegen sollen, d. h. die Orthogonalitätsbedingungen erfüllen sollen, ist es nötig, die Wickelbreite genau auf die Anzahl der zu wickelnden Windungen je Lage abzustimmen. Insbesondere bei eckigen Spulenquerschnitten ist man bemüht, die buckelförmige Abzeichnung infolge des Lagensprunges auf die Wickelkopfseite, d. h. auf die schmale Seite der Spule zu bringen. Der Grund ist häufig, dass eckige Spulen geblockt, in einem stanzpaketierten Blechpaket oder als Einzelpol in einer Kreisanordnung eingesetzt werden. Daher sollten die Spulen möglichst schmal sein, damit es zu keiner Berührung mit der Nachbarspule oder zum Blechpaket kommt. Bei orthozyklischen Wicklungen spezifiziert man sowohl bei runden als auch bei eckigen Spulen drei verschiedene Wicklungsgeometrien:

a) Gleiche Windungszahl je Lage

x250px|Orthozyklische Wicklung

b) ungleiche Windungszahl je Lage, beginnend mit der verkürzten Lage

x250px|Orthozyklische Wicklung

c) ungleiche Windungszahl je Lage, beginnend mit der gestreckten Lage

x250px|Orthozyklische Wicklung

Die Wahl des zu verwendenden Wicklungsaufbaus hängt im Wesentlichen von der Konstruktion der Spule oder des Spulenkörpers ab. Es ist unter anderem zu berücksichtigen, welche Platzverhältnisse in der Wickelbreite und -höhe zur Verfügung stehen. Zudem ist es bei geschickter Wahl des Wickelschemas möglich, Ort und Ende der letzten Windung zu beeinflussen. Die Wicklungshöhe einer orthozyklischen Wicklung ergibt sich aus folgender Gleichung:

– Wicklungshöhe – Anzahl der Lagen – maximaler Drahtdurchmesser über Lack (CuL)

Da bei der orthozyklisch gewickelten Spule über mindestens 300° des Umfangs der Wickellagen die dichteste Kreispackung der Drahtquerschnitte existiert, erreicht diese Wickelmethode den höchsten Füllfaktor und ist die beste Möglichkeit, mit runden Drähten den zur Verfügung stehenden Wickelquerschnitt zu füllen. Für eckige Spulen gilt diese als orthozyklisch gewickelt, wenn der Windungs- und Lagensprung sich lediglich auf einer der Seiten des Wicklungsquerschnitts ausbildet. Theoretisch wird ein geometrischer Füllfaktor von 0,91 erreicht. Der Wert wird in der Praxis nicht erzielt, da ein Windungs- und Lagensprungbereich existiert und die Drahtisolation unberücksichtigt bleibt.

mini|400px|zentriert|Orthozyklische Wicklung

Füllfaktor = = =

≈ 0,907

Grundsätzlich ist festzustellen, dass die für orthozyklische Wicklungen zu erfüllenden Voraussetzungen sehr hoch sind. Die Summe aller Toleranzen ist sehr klein zu halten. So sind folgende Werte richtungsweisend zu nennen:

a) Toleranz der Wickelfenster-Breite

– Toleranz des Wickelfensters – maximaler Drahtdurchmesser über Lack (CuL)

b) Toleranz des Drahtes

die maximale Drahtdurchmesser-Toleranz sollte nicht größer sein als

– Durchmesser-Toleranz des Drahtes – Windungen je Lage – Nenn-Drahtdurchmesser über Lack (CuL)

Dies entspricht etwa der halben Drahttoleranz laut Vorgabe aus der DIN 46435.

Herstellung von orthozyklischen Wicklungen