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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine Biegevorrichtung und auf ein Verfahren zum Biegen isolierter Drähte.
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Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, beispielsweise in Form von Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerken, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Elektrische Antriebseinheiten mit einer elektrischen Maschine ermöglichen demgegenüber einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise. Fortschritte in der Batterie- und Brennstoffzellentechnologie ermöglichen immer weitere Einsatzbereiche von elektrischen Antriebseinheiten.
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Bei Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen kann eine immer weitere Verbesserung verschiedener Zielgrößen angestrebt werden, z.B. Energieeffizienz, Leistungsgewicht oder Lebensdauer. Zugleich kann es wünschenswert sein, elektrische Maschinen in möglichst einfacher und verlässlicher Weise herzustellen. Solche Zielvorstellungen stehen jedoch mitunter in Konflikt miteinander. Die Herstellung von Spulen für elektrische Maschinen kann herausfordernd sein, insbesondere im Falle von Spulen, die nicht aus Litzenleitern, sondern aus einem massiven Draht hergestellt werden.
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Es besteht die Aufgabe, die Herstellung einer Spule für eine elektrische Maschine zu verbessern.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Biegevorrichtung zum Biegen von Drähten, z.B. isolierter Drähte, angegeben, insbesondere zur Herstellung einer elektrischen Spule. Die Biegevorrichtung umfasst ein an einer ersten Halterung montiertes erstes Umlenkelement zum Führen des Drahts und ein ebenfalls an der ersten Halterung aber in einem Abstand vom ersten Umlenkelement montiertes zweites Umlenkelement. Ferner umfasst die Biegevorrichtung ein drittes Umlenkelement, welches an einer zweiten Halterung montiert ist, z.B. drehbar an der zweiten Halterung gelagert ist. Dabei ist vorgesehen, dass eine der beiden Halterungen relativ zur anderen der beiden Halterungen (z.B. entlang einer gekrümmten Bahn) bewegbar gelagert ist und dass zumindest eines der Umlenkelemente (insbesondere zwei oder gar sämtliche der Umlenkelemente) an der jeweiligen Halterung drehbar gelagert ist (sind). Die gekrümmte Bahn beschreibt z.B. den Teil eines Kreises.
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Mit einer solchen Biegevorrichtung ist es möglich, einen Draht präzise und verhältnismäßig schnell zu biegen, ohne den Draht, z.B. eine Isolation des Drahts, zu beschädigen. So kann eine präzise und eng gewundene Spule mit einer empfindlichen, aber vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisenden Isolation in einfacher Weise hergestellt werden. Auf diese Weise kann die Herstellung einer Spule für eine elektrische Maschine zu verbessert werden. Durch die drehbare Lagerung des Umlenkelements oder der Umlenkelemente ist zudem eine höhere Geschwindigkeit der Biegung möglich. Es sei angemerkt, dass an der ersten Halterung und/oder an der zweiten Halterung auch noch mehr Umlenkelemente (jeweils fest oder drehbar) montiert sein können, z.B. ein viertes Umlenkelement an der zweiten Halterung.
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Beispielsweise ist die zweite Halterung schwenkbar relativ zur ersten Halterung an einer Basis gelagert und/oder die erste Halterung ist schwenkbar relativ zur zweiten Halterung an der Basis gelagert. Dies ermöglicht einen leichtgängigen Biegevorgang.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Halterung an der Basis montiert ist. Optional ist/sind die erste Halterung und/oder die zweite Halterung sowohl um ihre eigene Ache drehbar an der Basis gelagert als auch um die jeweils andere Halterung schwenkbar an der Basis gelagert.
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Das erste Umlenkelement kann drehbar an der ersten Halterung gelagert sein. Das zweite Umlenkelement kann (alternativ oder zusätzlich) drehbar an der ersten Halterung gelagert sein. Das dritte Umlenkelement kann drehbar an der zweiten Halterung gelagert sein. Es können das erste, zweite und/oder dritte Umlenkelement drehbar an der jeweiligen Halterung gelagert sein. Es können aber auch das erste und zweite, das erste und dritte oder das zweite und dritte Umlenkelement drehbar an der jeweiligen Halterung gelagert sein. Hierdurch können die Umlenkelemente während dem Biegevorgang am Draht abrollen. Hierdurch kann verhindert werden, dass eine Isolation des Drahts beschädigt wird.
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Die Biegevorrichtung kann ferner einen Motor umfassen, der z.B. zum Antreiben der Bewegung der einen der beiden Halterungen relativ zur anderen der beiden Halterungen eingerichtet ist. Beispielsweise treibt der Motor eine Bewegung, z.B. Schwenkbewegung, der zweiten Halterung relativ zur ersten an. Dies erlaubt einen automatisierten Biegeprozess.
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Ferner kann die Biegevorrichtung eine z.B. motorische Zuführeinrichtung zum Vorschieben des Drahts an die Umlenkelemente umfassen. Dies erlaubt eine weitere Automatisierung des Biegeprozesses. Die Zuführvorrichtung kann so angeordnet sein, dass sie den Draht erst an die Umlenkelemente der ersten Halterung und dann an das (oder die) Umlenkelement(e) der zweiten Halterung führt, oder so, dass sie den Draht erst an das (oder die) Umlenkelement(e) der zweiten Halterung und dann an die Umlenkelemente der ersten Halterung führt.
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Die Biegevorrichtung kann ein, z.B. mit dem Motor und/oder der Zuführeinrichtung kommunikativ gekoppeltes, Steuergerät umfassen. Damit sind mehrere Schritte bei der Herstellung der Spule präzise und automatisiert durchführbar.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, erst die Zuführeinrichtung zu aktivieren, um einen Abschnitt des Drahts an die Umlenkelemente vorzuschieben und dann zu deaktivieren oder zu verlangsamen und dann im Anschluss daran bei deaktivierter oder verlangsamter Zuführeinrichtung den zuvor deaktivierten Motor zu aktivieren, um den Abschnitt des Drahts mittels den Umlenkelementen zu biegen. Auf diese Weise sind besonders geringe Krümmungsradien möglich. Dabei sind zwei der Umlenkelemente auf einer Seite des Drahts angeordnet, während ein weiteres, z.B. das mittlere, z.B. das zweite, der Umlenkelemente auf der gegenüberliegenden Seite des Drahts angeordnet ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, erst den Motor zu aktivieren, um die Umlenkelemente in eine vorgegebene Stellung relativ zueinander (und/oder relativ zur Basis) zu bewegen und dann die Zuführeinrichtung zu aktivieren oder zu beschleunigen, um einen Abschnitt des Drahts derart durch die in der vorgegebenen Stellung befindlichen Umlenkelemente zu bewegen, dass der Abschnitt des Drahts kontinuierlich durch die Bewegung des Drahts durch die (in der vorgegebenen Stellung befindlichen) Umlenkelemente gebogen wird. So kann ein längerer Abschnitt des Drahts, der insbesondere länger ist als der Abstand der beiden äußeren Umlenkelemente zueinander, schnell und zuverlässig gebogen werden.
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Das Steuergerät kann dazu eingerichtet sein, im Wechsel einen Biegeschritt durchzuführen, bei dem das Steuergerät bei deaktivierter oder verlangsamter Zuführeinrichtung den Motor aktiviert, um einen an den Umlenkelementen angeordneten Abschnitt des Drahts (mit einem ersten Krümmungsradius) zu biegen, und einen weiteren Biegeschritt durchzuführen, bei dem das Steuergerät die Zuführeinrichtung aktiviert oder beschleunigt, um den Draht durch die in der vorgegebenen Stellung befindlichen Umlenkelemente zu bewegen, sodass der Draht kontinuierlich in der Bewegung durch die Umlenkelemente (in einem zweiten Krümmungsradius) gebogen wird. Dies ermöglicht eine schnelle und automatisierte Herstellung unterschiedlicher Abschnitte der Spule. Der erste Krümmungsradius ist z.B. verschieden vom zweiten Krümmungsradius, insbesondere kleiner als der zweite Krümmungsradius.
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Zumindest eines der Umlenkelemente kann in Form einer Rolle mit einer umlaufenden Rille ausgebildet sein. Dies erlaubt eine präzise Führung des Drahts.
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Das zweite Umlenkelement kann zwei Umlenkflächen mit verschiedenen Radien oder eine konische Umlenkfläche aufweisen. Dies ermöglicht die Herstellung von Krümmungen mit verschiedenen Krümmungsradien im Biegeschritt, bei welchem eines der Umlenkelemente relativ zu den anderen bewegt wird.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung angegeben, umfassend die Biegevorrichtung nach einer beliebigen der hierin beschriebenen Ausgestaltungen und den Draht. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Draht einen Leiter und eine den Leiter umschließende Isolation umfasst. Die Isolation umfasst z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen) oder besteht daraus. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Drahts angegeben. Das Verfahren umfasst den folgenden Schritt: Bereitstellen einer Biegevorrichtung, insbesondere nach einer beliebigen der hierin beschriebenen Ausgestaltungen. Die Biegevorrichtung umfasst z.B. ein an einer ersten Halterung montiertes erstes Umlenkelement, ein an der ersten Halterung in einem Abstand vom ersten Umlenkelement montiertes zweites Umlenkelement und ein drittes Umlenkelement, welches (z.B. drehbar) an einer zweiten Halterung gelagert ist, wobei eine der beiden Halterungen relativ zur anderen der beiden Halterungen (z.B. entlang einer nicht-geraden Bahn) bewegbar gelagert ist. Zumindest eines der Umlenkelemente kann drehbar an der jeweiligen Halterung gelagert sein Das Verfahren umfasst ferner das Einführen des Drahts zwischen die drei Umlenkelemente; und (vor, während und/oder nach dem Einführen des Drahts) das Bewegen von einer der beiden Halterungen relativ zur anderen der beiden Halterungen (z.B. entlang der gekrümmten, z.B. runden Bahn), wobei beispielsweise eine Bewegung des dritten Umlenkelements relativ zu den beiden anderen Umlenkelementen durchgeführt wird, wobei der Draht durch die aus der Relativbewegung der Halterungen folgende Relativbewegung zwischen den Umlenkelementen, insbesondere zwischen dem dritten Umlenkelement und den beiden anderen Umlenkelementen, und/oder durch eine Bewegung des Drahts durch die Biegevorrichtung (z.B. mittels der oben beschriebenen Zuführeinrichtung) gebogen wird. Hinsichtlich der Vorteile wird wiederum auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Draht in einem (z.B. ersten) Biegeschritt durch die Bewegung der einen der beiden Halterungen relativ zur anderen der beiden Halterungen, insbesondere durch die Bewegung des dritten Umlenkelements relativ zu den beiden anderen Umlenkelementen, gebogen wird und, davor oder danach, in einem weiteren (z.B. zweiten) Biegeschritt durch eine Bewegung des Drahts durch die Biegevorrichtung gebogen wird.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Draht im einen (ersten) Biegeschritt mit einem ersten Krümmungsradius gebogen wird und im anderen (zweiten) Biegeschritt mit einem zweiten Krümmungsradius gebogen wird, der verschieden vom, z.B. größer ist als der erste Krümmungsradius.
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Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
- 1 ein Luftfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen zum Antrieb mehrerer Propeller;
- 2 eine aufgeschnittene Ansicht einer der elektrischen Maschinen des Luftfahrzeugs gemäß 1 mit einem Stator und einem Rotor;
- 3 eine Baugruppe des Stators der elektrischen Maschine gemäß 2 mit einer Spule;
- 4 einen Teil der Spule gemäß 3;
- 5 eine Schnittansicht eines Drahts der Spule gemäß 4;
- 6 eine Biegevorrichtung zum Biegen eines Drahts zur Herstellung der Spule gemäß 3 während einem ersten Biegeschritt;
- 7 die Biegevorrichtung gemäß 6 während einem zweiten Biegeschritt;
- 8 eine schematische Ansicht der Biegevorrichtung gemäß 6 vor Durchführung des ersten Biegeschritts;
- 9 die Biegevorrichtung gemäß 8 während der Durchführung des zweiten Biegeschritts;
- 10 eine weitere Biegevorrichtung zum Biegen eines Drahts zur Herstellung der Spule gemäß 3;
- 11 eine schematische Ansicht eines Umlenkelements für die Biegevorrichtung gemäß 10; und
- 12 ein Verfahren zur Herstellung einer Spule für eine elektrische Maschine.
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1 zeigt ein Luftfahrzeug 3 beispielhaft in Form eines Flugtaxis. Das Luftfahrzeug 3 umfasst eine Kabine 30 und mehrere, hier beispielhaft vier, elektrische Antriebseinheiten. Jede der elektrischen Antriebseinheiten umfasst eine elektrische Maschine 4, jeweils in Form eines Elektromotors, und einen oder mehrere Propeller 32. Jede der elektrischen Maschinen 4 treibt den oder die jeweiligen Propeller 32 an. Hierzu ist jeder der Propeller 32 mit einem Rotor der jeweiligen elektrischen Maschine 4 wirkverbunden (z.B. fest damit verbunden, beispielsweise über eine Welle). Ein Batteriesystem 31 mit einer oder mehreren elektrischen Batterien liefert elektrischen Strom zum Betrieb der elektrischen Maschinen 4. Bei den elektrischen Maschinen 4 handelt es sich vorliegend um Direktantriebe.
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Das Luftfahrzeug 3 ist hier beispielhaft als senkrecht startendes und landendes Luftfahrzeug ausgebildet, wobei auch z.B. eine Ausgestaltung als Flächenflugzeug möglich ist.
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2 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau von einer der im Beispiel gemäß 1 untereinander gleich aufgebauten elektrischen Maschinen 4.
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Die elektrische Maschine 4 umfasst einen Stator 40 und einen um eine Drehachse relativ zum Stator 40 drehbaren Rotor 41. Der Rotor 41 ist mittels Lagern 42, hier in Form von Kugellagern, alternativ z.B. Gleitlagern, am Stator 40 drehbar gelagert. Die elektrische Maschine 4 ist hier beispielhaft als Außenläufer ausgebildet. Der Rotor 41 umgibt den Stator 40. Der Stator 40 ist innerhalb des Rotors 41 angeordnet. Der Stator 40 ist mit einem Befestigungsbereich, hier in Form eines Flansches 403, an einer tragenden Struktur des Luftfahrzeugs 3 montierbar und im Zustand gemäß 1 montiert.
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Der Rotor 41 umfasst einen Wellenflansch 410, an welchem eine Welle montierbar ist und im Zustand gemäß 1 montiert ist. Der Rotor 41 treibt den Propeller 32 dann über die Welle an.
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Der Stator 40 weist ferner eine Basis auf. Die Basis weist Halterungen auf, an welchen Träger für Spulen des Stators 40 montiert sind (diese sind in 2 lediglich aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht eingezeichnet, sondern stattdessen separat in 3 veranschaulicht.
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3 zeigt ein Modul des Stators 40. Der Stator 40 umfasst mehrere, z.B. drei oder, wie im vorliegenden Beispiel, sechs solcher Module. Ein solches Modul kann auch als Phasenmodul bezeichnet werden. Das Modul weist eine Spule 400 auf. Wie in 3 zu erkennen, umfasst das Modul des Stators 40 der elektrischen Maschine 4 zwei Träger 402, hier jeweils in Form einer Platte. Die Träger 402 sind voneinander beabstandet. Die Träger 402 sind parallel zueinander ausgerichtet. Zwischen den beiden Trägern 402 verläuft die elektrische Spule 400. Die Spule 400 ist zwischen den beiden Trägern 402 des Moduls angeordnet. Wird die Spule 400 bestromt, entsteht ein Magnetfeld, welches mit Permanentmagneten des Rotors 41 wechselwirkt und so den Rotor 41 in eine Drehung relativ zum Stator 40 versetzt.
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Dabei wird z.B. jedes der mehreren Module mit einer Phase einer Wechselspannung, z.B. einer Dreiphasenwechselspannung, beaufschlagt.
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Das Modul des Stators 40 umfasst ferner mehrere Eisenkerne 401. Die Eisenkerne 401 erstrecken sich jeweils vom einen Träger 402 zum anderen Träger 402. Die Eisenkerne 401 stehen jeweils mit dem einen Träger 402 und dem anderen Träger 402 in Eingriff.
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Die Eisenkerne 401 umfassen Eisen oder bestehen daraus. Die Eisenkerne 401 können eine ferromagnetische Metalllegierung umfassen oder daraus bestehen. Die Eisenkerne 401 weisen die Form von Haltestegen auf. Die Eisenkerne 401 bilden vorliegend zusammen mit der Spule 400 eine Induktivität. Die Eisenkerne 401 leiten den magnetischen Fluss der Spule 400. Ferner fixieren die Eisenkerne 401 die Spule 400 an den Trägern 402. Somit weisen die Eisenkerne 401 zwei Funktionen auf, eine elektromagnetische und eine mechanische, nämlich die Halterung der Spule 400. Die Eisenkerne 401 sind beispielsweise aus Blech hergestellt. Die Eisenkerne 401 sind beispielhaft jeweils C-förmig ausgebildet.
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Die Windungen der Spule 400 verlaufen (radial näher an der Drehachse des Rotors 41 relativ zum Stator 40) gelegen konzentrisch entlang einem Kreisabschnitt um die Drehachse des Rotors 41, sind dann radial nach außen gewunden und verlaufen radial weiter von der Drehachse entfernt entlang einem Kreisabschnitt konzentrisch um die Drehachse zurück.
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Der radial innere Windungsteil der Spule 400 wird von mehreren Paaren der beschriebenen Eisenkerne 401 eingefasst. Dabei ist der elektrische Leiter der Spule 400 abschnittsweise in einem Verguss vergossen, welcher in Berührung mit den Eisenkernen steht. Auch der radial äußere Windungsteil der Spule 400 wird von mehreren Paaren der beschriebenen Eisenkerne 401 eingefasst. Auch dort ist der elektrische Leiter der Spule 400 abschnittsweise in einem Verguss vergossen, welcher in Berührung mit den entsprechenden Eisenkernen 401 steht.
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In Umfangsrichtung um die Drehachse betrachtet, sind die Eisenkerne 401 paarweise auf gegenüberliegenden Seiten von einem jeweiligen Windungsteil der Spule 400 angeordnet. Die Eisenkerne 401 sind in Umfangsrichtung jeweils versetzt zueinander angeordnet.
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4 zeigt eine Windung der Spule 400. Die Spule 400 ist aus einem einzelnen, isolierten Draht 2 gefertigt.
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Wie in 5 veranschaulicht, umfasst der Draht 2 einen (massiven) Leiter 20, der durch eine Isolation 21 umschlossen ist. Die Spule 400 wird also nicht durch einen Litzenleiter gebildet, sondern durch den Draht 2, bei welchem der einstückige Leiter 20 durch die Isolation umgeben ist. Es sei aber angemerkt, dass auch die Verwendung eines mit der Isolation 21 umgebenen Litzenleiters möglich ist.
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Der Leiter 20 des Drahts 2 weist hier lediglich beispielhaft einen kreisförmigen Querschnitt auf. Alternativ ist der Leiter 20 des Drahts 2 z.B. mit einem vieleckigen, z.B. rechteckigen, z.B. quadratischen Querschnitt oder beispielsweise mit einem ovalen Querschnitt ausgebildet.
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Der Leiter 20 umfasst z.B. Kupfer. Im vorliegenden Beispiel besteht der Leiter 20 aus Kupfer. Die Isolation ist flexibel. Die Isolation 21 umfasst PTFE (Polytetrafluorethylen). Im vorliegenden Beispiel besteht die Isolation 21 aus PTFE. Dieses Material ist sehr hitzebeständig und daher für die als Antriebsmotor für das Luftfahrzeug 3 dienende elektrische Maschine 4 besonders gut geeignet. Allerdings ist dieses Material empfindlich für Beschädigungen.
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Wie in 4 zu erkennen, ist der Draht 2 mehrfach gebogen, um die Windungen der Spule 400 zu beschreiben. Vorliegend ist die Spule 400 (und entsprechend die in 4 gezeigte Windung) bogenförmig und kann auch als bananenförmig bezeichnet werden. Die Windung beschreibt dabei mehrere gekrümmte Abschnitte A1-A5, welche einen ersten Krümmungsradius R1 beschreiben und mehrere weitere Abschnitte A6-A8, welche einen zweiten Krümmungsradius R2 beschreiben. Der zweite Krümmungsradius R2 ist größer als der erste Krümmungsradius R1, und zwar vorliegend mehr als doppelt so groß (hier beispielhaft mehr als fünfmal, und zwar mehr als zehnmal so groß).
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Jeweils zwei stark gekrümmte Abschnitte A1-A5 (mit dem ersten Krümmungsradius R1) sind über einen schwach oder gar nicht gekrümmten Abschnitt A6-A10 miteinander verbunden. Ausgehend von einem schwach (mit dem zweiten Krümmungsradius R2) gekrümmten Abschnitt A6 geht der Draht 2 in einen stark gekrümmten Abschnitt A1 über. Von diesem Abschnitt A1 aus geht der Draht 2 in einen schwächer (z.B. mit dem zweiten Krümmungsradius R2) oder, wie hier dargestellt, nicht gekrümmten, geradlinigen Abschnitt A9 über. Von dort geht der Draht 2 wieder in einen stark gekrümmten Abschnitt A2 über, dann in einen (später in der elektrischen Maschine 4 radial innen angeordneten) schwach gekrümmten Abschnitt A7, dann wieder in einen stark gekrümmten Abschnitt A3, und dann in einen schwächer (z.B. mit dem zweiten Krümmungsradius R2) oder, wie hier dargestellt, nicht gekrümmten, geradlinigen Abschnitt 10. Von dort geht der Draht wieder in einen stark gekrümmten Abschnitt A4 über und dann in einen schwach gekrümmten Abschnitt A8. Von dort geht die hier dargestellte Windung über einen (zu den vorstehend beschriebenen Abschnitten gegensinnig und auch stark) gekrümmten Abschnitt A5 in einen Abschnitt A11 zum Anschluss der Spule 400 über.
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Die in 4 beispielhaft gezeigte Windung ist eine erste Windung ausgehend vom (einen) Abschnitt A11 zum Anschluss der Spule 400. Die Spule 400 umfasst weitere Windungen, von denen eine mit einem zweiten Abschnitt zum Anschluss der Spule 400 endet. Ferner umfasst die Spule 400 eine oder mehrere Windungen, deren Anfang und Ende jeweils in eine andere Windung übergeht. Alternativ kann die Spule 400 aber auch nur eine Windung (dann mit zwei Anschlüssen) oder genau zwei Windungen (dann jeweils mit einem Anschluss) aufweisen.
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Ferner sei angemerkt, dass die verbindende (radial ausgerichteten) Abschnitte A9, A10 nicht zwingend vorgesehen sein müssen. Stattdessen können die zwei gemäß 4 daran angrenzenden stark gekrümmten Abschnitte A1 und A2 bzw. A3 und A4 direkt aneinander angrenzen und somit einen gekrümmten Abschnitt bilden, der 180° beschreibt (und nicht wie in 4 jeweils 90°).
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6 zeigt eine Biegevorrichtung 1A zum Biegen des isolierten Drahts 2, insbesondere zum Herstellen der Spule 400. Die Biegevorrichtung 1A umfasst eine erste Halterung 10 und eine zweite Halterung 14. Die Biegevorrichtung 1A umfasst ferner ein an der ersten Halterung 10 montiertes, und zwar vorliegend daran drehbar gelagertes, erstes Umlenkelement 11A, ein in einem Abstand vom ersten Umlenkelement 11A an der ersten Halterung 10 montiertes, und zwar vorliegend daran drehbar gelagertes, zweites Umlenkelement 12A und ein drittes Umlenkelement 13A, welches drehbar an der zweiten Halterung 14 gelagert ist. Eine der beiden Halterungen 10, 14 ist relativ zur anderen der beiden Halterungen 10, 14 bewegbar gelagert. Vorliegend ist eine Basis 18 vorgesehen, an welcher die erste Halterung 10 fest montiert ist und an welcher die zweite Halterung 14 relativ zur ersten Halterung 10 und zur Basis 18 beweglich gelagert ist, und zwar entlang einer gekrümmten Bahn B relativ zur ersten Halterung 10. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft und alternativ könnte umgekehrt die zweite Halterung 14 fest an der Basis 18 montiert sein, während die erste Halterung 10 bewegbar, insbesondere um die zweite Halterung schwenkbar, an der Basis 18 gelagert sein kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Halterungen 10, 14 bewegbar an der Basis 18 montiert sind. Vorliegend ist die zweite Halterung 14 schwenkbar an der Basis 18 gelagert. Die gekrümmte Bahn B beschreibt vorliegend einen Teil eines Kreises. Die erste Halterung 10 ist hier beispielhaft kreiszylindrisch (mit einer Zylinderachse) ausgebildet. Im gezeigten Beispiel verläuft die Bahn B konzentrisch um die Zylinderachse der ersten Halterung 10.
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Der Draht 2 wird geradlinig an die Biegevorrichtung 1A bereitgestellt oder in nur leicht geborgenem Zustand, insbesondere mit einem Krümmungsradius, der größer (z.B. zweimal, fünfmal oder zehnmal größer) ist als der zweite Krümmungsradius R2. Beispielsweise wird der Draht 2 von einer Trommel (deren Radius z.B. größer, insbesondere zweimal, fünfmal oder zehnmal größer als der zweite Krümmungsradius R2 ist) abgewickelt und dabei optional vor der Biegevorrichtung 1A gerade gebogen oder gezogen.
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6 zeigt eine Anordnung mit der Umlenkvorrichtung 1A und dem Draht 2.
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Das erste Umlenkelement 11A und das dritte Umlenkelement 13A sind jeweils in Form einer Rolle mit einer umlaufenden Rille 110, 130 ausgebildet. Hierdurch kann der Draht 2 gut geführt und in der richtigen Position gehalten werden. Die Rillen 110, 130 sind vorliegend jeweils in Form und Größe an den Draht 2 angepasst. Die Rillen 110, 130 beschreiben im Querschnitt vorliegend jeweils einen Teil eines Kreises.
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Das zweite Umlenkelement 12A könnte auch in Form einer Rolle mit einer umlaufenden Rille ausgebildet sein, ist aber vorliegend beispielhaft in Form eines (zylindrischen) Stifts ausgebildet.
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Eines oder mehrere, insbesondere sämtliche der Umlenkelemente 11A, 12A, 13A können mit einer Beschichtung versehen sein, insbesondere einer Beschichtung, die mit dem Material der Isolation 21 des Drahts 2 eine reduzierte Reibung aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei der Beschichtung um PTFE.
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Alle Umlenkelemente 11A, 12A, 13A sind um eine jeweilige Drehachse D1, D2, D3 drehbar an der jeweiligen Halterung 10, 14 gelagert. Hierdurch kann das jeweilige Umlenkelement 11A, 12A, 13A beim Biegevorgang gedreht werden, sodass an der Isolation keine reibende Verschiebung an den Umlenkelementen 11A, 12A, 13A erfolgt, sondern ein Abrollen. Hierdurch können Beschädigungen der Isolation vermieden werden. Die Drehachsen D1, D2, D3 sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Drehachsen D1, D2, D3 sind voneinander beabstandet. Die Drehachsen D1, D2, D3 sind an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet (dessen drei Winkel jeweils größer sind als Null).
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Im gezeigten Beispiel ist das erste Umlenkelement 11A mittels einem Kugellager 111 an einer Achse 112 drehbar gelagert. Die Achse 112 ist an der ersten Halterung 10 befestigt. Das zweite Umlenkelement 12A bildet eine Achse 124, die mittels einem Kugellager 123 an der ersten Halterung 10 drehbar gelagert ist, wobei hier das Kugellager 123 beispielhaft in eine Öffnung der ersten Halterung 10 eingesetzt ist. Das dritte Umlenkelement 13A mittels einem Kugellager 121 an einer Achse 132 drehbar gelagert. Die Achse 132 ist an der zweiten Halterung 14 befestigt.
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6 zeigt den Draht 2 bereits nach einem erfolgten Biegevorgang, bei dem ein stark gekrümmter Abschnitt erzeugt worden ist. Hierzu wird erst der (im Wesentlichen geradlinige oder geradlinige) Draht 2 zwischen die Umlenkelemente 11A, 12A, 13A eingeführt und dann wird das dritte Umlenkelement 13A relativ zu den anderen geschwenkt, wobei es den Draht 2 um das zweite Umlenkelement 12A biegt. Dabei legt sich der Draht 2 an das zweite Umlenkelement 12A an, genauer ausgedrückt an eine Umlenkfläche 120 des zweiten Umlenkelements 12A. Die Umlenkfläche 120 ist im vorliegenden Beispiel zylindrisch (und zwar kreiszylindrisch). Der (stark) gekrümmte Abschnitt weist dann den Radius des zweiten Umlenkelements 12A als Krümmungsradius auf. Hierbei handelt es sich vorliegend um den ersten Krümmungsradius R1. Daraufhin wird das dritte Umlenkelement 13A wieder zurück geschwenkt, wie in 6 veranschaulicht. Bei diesem Biegevorgang handelt es sich um einen Biegeschritt, der hier als erster Biegeschritt bezeichnet wird. Der erste Biegeschritt kann auch als erstes durchgeführt werden, dies muss aber nicht so vorgesehen sein, die Bezeichnung dient hier zur erleichterten Bezugnahme.
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7 veranschaulicht die Biegevorrichtung 1A bei der Durchführung eines zweiten Biegeschritts.
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Erkennbar ist, dass der Draht 2 bereits mehrfach gebogen ist, insbesondere bereits die Abschnitte A11, A9 und einen Teil des Abschnitts A5 (und weitere nicht im Bild befindliche Abschnitte) umfasst.
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Um den mit dem zweiten Krümmungsradius R2 gekrümmten Abschnitt A5 herzustellen, wird nicht wie im ersten Biegeschritt bei stehendem Draht 2 das dritte Umlenkelement 13A geschwenkt (wobei die Drehachse D3 des dritten Umlenkelements 13A relativ zur ersten Halterung 10 geschwenkt wird), sondern das dritte Umlenkelement 13A wird hier beispielhaft in eine vorbestimmte Stellung relativ zu den beiden anderen Umlenkelementen 11A, 12A (deren Drehachsen D1, D2 parallel zueinander in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind) geschwenkt. In dieser Stellung kann der Draht 2 nicht geradlinig durch die drei Umlenkelemente 11A, 12A, 13A geführt werden, sondern wird dazwischen bogenförmig gebogen. In dieser vorgegebenen Stellung verbleiben die Drehachsen D1-D3 der Umlenkelemente 11A, 12A, 13A und es wird der Draht 2 durch die Biegevorrichtung 1A geschoben und/oder gezogen. Hierbei wird dem Abschnitt A5 des Drahts 2 der zweite Krümmungsradius R2 aufgeprägt. Genauer ausgedrückt ist die zwischen den drei Umlenkelementen 11A, 12A, 13A vorgegebene Krümmung stärker als die dem zweiten Krümmungsradius R2 entsprechende Krümmung. Hierdurch wird berücksichtigt, dass der Draht 2 bei dem Biegevorgang zum teil plastisch und zum Teil elastisch gebogen wird. Ein weiter unten beschriebenes Steuergerät 17 speichert hierzu z.B. eine Tabelle mit Einstellungen des dritten Umlenkelements 13A für gewünschte plastisch gebogene Krümmungen.
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Auch zum Biegen des ersten Krümmungsradius R1 ist das Steuergerät 17 dazu eingerichtet, das dritte Umlenkelement 13A in einem größeren Winkel zu schwenken, als der zu biegende Winkel. Hierdurch kann der elastische Anteil der Biegung berücksichtigt werden, sodass in einem Schritt genau die gewünschte Biegung erzielt werden kann.
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Um die Richtung der Krümmung zu wechseln, kann entweder der Draht 2 manuell oder motorisch umgesetzt werden, oder es werden zwei erste Umlenkelemente 11A, zwei zweite Umlenkelemente12A und/oder zwei dritte Umlenkelemente 13A (jeweils beiderseits des Drahts 2) vorgesehen. Beispielsweise werden zwei dritte Umlenkelemente 13A vorgesehen (die auch als drittes und viertes Umlenkelement 13A benannt werden können), zwischen denen der Draht 2 geführt wird. So sind geringere Bewegungen bereits ausreichend. Die dritten Umlenkelemente 13A sind beide an der zweiten Halterung 14 montiert, z.B. beide drehbar. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite Halterung 14 fest an der Basis 18 montiert ist und die erste Halterung 10 drehbar an der Basis 18 montiert ist, optional sowohl drehbar (z.B. um eine Drehachse zwischen dem ersten und zweiten Umlenkelement 11A, 12A) als auch (mit dieser Drehachse) schwenkbar um die zweite Halterung 14. Der Draht 2 wird z.B. von der zweiten Halterung 14 kommende zur ersten Halterung 10 zugeführt oder umgekehrt. Die z.B. zwei dritten Umlenkelemente 13A können so angeordnet sein, dass sie den Draht 2 an gegenüberliegenden Seiten davon an derselben Längsposition entlang der Länge des Drahts 2 berühren. Die Drehachsen der dritten Umlenkelemente 13A sind z.B. parallel zueinander ausgerichtet und/oder spannen eine (imaginäre) Ebene auf, wobei der Draht 2 beispielsweise senkrecht durch diese Ebene vorgeschoben wird. Die beiden dritten Umlenkelemente 13A können untereinander gleich ausgebildet sein.
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8 veranschaulicht, dass die Biegevorrichtung 1A ferner einen Motor 15 zum Antreiben der Bewegung der zweiten Halterung 14 relativ zur ersten Halterung 10 umfasst. Der Motor 15 treibt hier beispielhaft ein Ritzel an, welches an einer (hier beispielhaft bogenförmigen) Zahnstange abrollt. Das Ritzel ist beispielhaft an der Basis 18 drehbar gelagert und die Zahnstange ist beispielhaft an der zweiten Halterung 14 montiert.
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Das bereits erwähnte Steuergerät 17 ist dazu eingerichtet, den Motor 15 selektiv zu aktivieren (in einer vorgegebenen Drehrichtung) und zu deaktivieren. Für den ersten Biegeschritt aktiviert das Steuergerät 17 den Motor 15 in einem ersten Drehsinn, um den Draht 2 mit dem dritten Umlenkelement 13A um das zweite Umlenkelement 12A zu biegen. Daraufhin aktiviert das Steuergerät 17 den Motor 15 im zum ersten Drehsinn entgegengesetzten zweiten Drehsinn, um en Draht 2 wieder freizugeben. Um den Motor 15 zu steuern, ist das Steuergerät 17 kommunikativ mit dem Motor 15 verbunden.
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Die Biegevorrichtung 1A umfasst ferner eine Zuführeinrichtung 16 zum Vorschieben des Drahts 2 an die Umlenkelemente 11A, 12A, 13A. Die Zuführeinrichtung 16 ist so ausgebildet, dass sie den Draht 2 in die Biegeeinrichtung 1A schiebt, könnte alternativ oder zusätzlich aber auch so ausgebildet sein, dass sie den Draht 2 durch die Biegeeinrichtung 1A zieht. Ferner kann die Zuführeinrichtung 16 so angeordnet sein, dass sie den Draht 2 erst an die Umlenkelemente 11A, 12A der ersten Halterung 10 zuführt, dann an das (oder die) Umlenkelement(e) 13A der zweiten Halterung 14. In beiden Fällen kann die erste Halterung 10 relativ zur zweiten bewegbar sein und/oder die zweite relativ zur ersten.
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Um die Zuführeinrichtung 16 zu steuern, ist das Steuergerät 17 kommunikativ mit der Zuführeinrichtung 16 verbunden.
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9 veranschaulicht nochmals den zweiten Biegeschritt. Die Umlenkelemente 11A, 12A, 13A sind in der vorgegebenen Stellung positioniert worden, und zwar durch das Steuergerät 17 durch Ansteuern des Motors 15. Das Steuergerät 17 steuert sodann die Zuführeinrichtung 16 an, um den Draht 2 durch die Biegevorrichtung 1A zu bewegen.
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Optional, z.B. für noch komplexer geformte Spulen, können auch gleichzeitig der Motor 15 und die Zuführeinrichtung 16 durch das Steuergerät 17 angesteuert werden.
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Das Steuergerät 17 ist also dazu eingerichtet, für einen ersten Biegeschritt erst die Zuführeinrichtung 16 zu aktivieren, um einen Abschnitt A1-A5 des Drahts 2 an die Umlenkelemente 11A, 12A, 13A zu bewegen und dann zu deaktivieren oder zu verlangsamen und bei deaktivierter oder verlangsamter Zuführeinrichtung 16 den Motor 15 zu aktivieren, um den Abschnitt A1-A5 des Drahts 2 zu biegen.
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Ferner ist das Steuergerät 17 dazu eingerichtet, für einen zweiten Biegeschritt erst den Motor 15 zu aktivieren, um die Umlenkelemente 11A, 12A, 13A in eine vorgegebene Stellung zu bewegen und dann (bei deaktiviertem oder ebenfalls bewegtem Motor 15) die Zuführeinrichtung 16 zu aktivieren oder zu beschleunigen, um einen Abschnitt A6-A8 des Drahts 2 derart durch die in der vorgegebenen Stellung befindlichen Umlenkelemente 11A, 12A, 13A zu bewegen, dass der Abschnitt A6-A8 des Drahts 2 kontinuierlich durch die Bewegung durch die Umlenkelemente 11A-13B gebogen wird.
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Ferner ist das Steuergerät 17 dazu eingerichtet, abwechselnd jeweils einen ersten Biegeschritt und einen zweiten Biegeschritt durchzuführen (und davor, danach und/oder dazwischen jeweils optional einen oder mehrere weitere Biegeschritte oder einen Vorschub ohne Biegung).
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Es sei angemerkt, dass die schwenkbare Lagerung der zweiten Halterung lediglich beispielhaft ist und stattdessen auch die erste Halterung und/oder die zweite Halterung schwenkbar und/oder linear verschiebbar sein können.
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10 veranschaulicht eine Biegevorrichtung 1B, die weitgehend so ausgebildet ist, wie die vorstehend beschriebene Biegevorrichtung 1A, sodass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Gemäß 10 weist das zweite Umlenkelement 12B zwei Umlenkflächen 120, 121 auf, die voneinander verschiedene Radien aufweisen. Eine untere Umlenkfläche 121 weist einen größeren Radius auf als eine axial darüber angeordnete Umlenkfläche 120. Hierdurch können zwei verschiedene Krümmungsradien in ersten Biegeschritten gebogen werden. Hierfür wird der Draht 2 (z.B. manuell oder motorisch) an die obere oder untere Umlenkfläche 120, 121 gelegt.
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Für eine Führung des Drahts 2 wahlweise an der oberen oder der unteren Umlenkfläche 120, 121 weisen das erste Umlenkelement 11A und das zweite Umlenkelement 13A jeweils zwei (axial entlang der jeweiligen Drehachse D1, D3 zueinander versetzte) Rillen 110, 130 auf.
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11 zeigt ein zweites Umlenkelement 12C für die Biegevorrichtung 1A, 1B, wobei das zweite Umlenkelemente 12C eine konische Umlenkfläche 122 aufweist. Auf diese Weise kann am zweiten Umlenkelement 12C (in einem vorgegebenen Bereich) ein beliebiger erster Krümmungsradius R1 eingestellt werden.
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Hierzu können das erste und das dritte Umlenkelement jeweils zwei, drei oder mehr Rillen umfassen oder entlang der jeweiligen Drehachse D1, D3 verstellbar sein.
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12 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Drahts 2, umfassend die folgenden Schritte:
- Schritt S1: Bereitstellen einer Biegevorrichtung 1A, 1B (insbesondere nach einer beliebigen der vorhergehenden Ausgestaltungen), umfassend ein an einer ersten Halterung 10 montiertes erstes Umlenkelement 11A, 11B, ein an der ersten Halterung 10 in einem Abstand vom ersten Umlenkelement 11A, 11B montiertes zweites Umlenkelement 12A-12C und ein drittes Umlenkelement 13A, 13B, welches drehbar an einer zweiten Halterung 14 gelagert ist, wobei eine der beiden Halterungen 10, 14 relativ zur anderen der beiden Halterungen 10, 14 bewegbar gelagert ist.
- Schritt S2: Einführen des Drahts 2 zwischen die drei Umlenkelemente 11A-13B. Nach dem Schritt S2 wird mit dem Schritt S3 fortgefahren oder es wird zum Schritt S4 gesprungen.
- Schritt S3: Bewegen des dritten Umlenkelements 13A, 13B relativ zu den beiden anderen Umlenkelementen 12A-13B, wobei der Draht 2 durch die Relativbewegung zwischen dem dritten Umlenkelement 13A, 13B und den beiden anderen Umlenkelementen 11A-12C gebogen wird. Optional wird vorher oder danach der Draht 2 vorgeschoben. Der Schritt S3 kann einmal oder mehrmals wiederholt werden. Nach dem Schritt S3 wird mit dem Schritt S4 fortgefahren oder es wird zum Schritt S5 gesprungen.
- Schritt S4: Bewegen des dritten Umlenkelements 13A, 13B relativ zu den beiden anderen Umlenkelementen 12A-13B, wobei der Draht 2 durch eine darauffolgende Bewegung des Drahts 2 durch die Biegevorrichtung 1A, 1B gebogen wird. Der Schritt S4 kann einmal oder mehrmals wiederholt werden. Nach dem Schritt S4 wird zum Schritt S3 zurückgekehrt oder es wird mit dem Schritt S5 fortgefahren.
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Der Draht 2 kann also in einem Biegeschritt gemäß Schritt S3 durch die Bewegung des dritten Umlenkelements 13A, 13B relativ zu den beiden anderen Umlenkelementen 11A-12C gebogen werden und, davor oder danach, in einem weiteren Biegeschritt gemäß Schritt S4 durch die Bewegung des Drahts 2 durch die Biegevorrichtung 1A, 1B gebogen werden.
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Dabei wird der Draht 2 im einen Biegeschritt mit dem ersten Krümmungsradius R1 gebogen und im weiteren Biegeschritt mit dem zweiten Krümmungsradius R2 gebogen wird, der größer ist als der erste Krümmungsradius R1.
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Schritt S5: Entnehmen des zu einer Spule 400 gebogenen Drahts 2.
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Daraufhin kann die so hergestellte Spule 400 an einem Träger 402 montiert werden, um einen Stator 40 herzustellen. Dann kann der Stator 40 mit einem Rotor 41 zusammengebaut werden, um eine elektrische Maschine herzustellen.
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Es sei angemerkt, dass anstelle (oder zusätzlich zu) einer Schwenkbewegung der zweiten Halterung 14 relativ zur Basis 18 auch vorgesehen sein könnte, dass die erste Halterung 10 relativ zur Basis 18 schwenkbar ist, um den Draht 2 zu biegen.
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Es versteht sich, dass die Offenbarung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
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Bezugszeichenliste
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- 1A, 1B
- Biegevorrichtung
- 10
- erste Halterung
- 11A, 11B
- erstes Umlenkelement
- 110
- Rille
- 111
- Kugellager
- 112
- Achse
- 12A-12C
- zweites Umlenkelement
- 120
- Umlenkfläche
- 121
- Umlenkfläche
- 122
- konische Umlenkfläche
- 123
- Kugellager
- 124
- Achse
- 13A, 13B
- drittes Umlenkelement
- 130
- Rille
- 131
- Kugellager
- 132
- Achse
- 14
- zweite Halterung
- 15
- Motor
- 16
- Zuführeinrichtung
- 17
- Steuergerät
- 18
- Basis
- 2
- Draht
- 20
- Leiter
- 21
- Isolation
- 3
- Luftfahrzeug
- 30
- Kabine
- 31
- Batteriesystem
- 32
- Propeller
- 4
- elektrische Maschine
- 40
- Stator
- 400
- Spule
- 401
- Eisenkern
- 402
- Träger
- 403
- Flansch
- 41
- Rotor
- 410
- Wellenflansch
- 42
- Lager
- A1-A11
- Abschnitt
- B
- Bahn
- D1-D3
- Drehachse
- R1, R2
- Krümmungsradius