DE102005011249B4

DE102005011249B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Leiterschleifenstruktur, sowie eine damit hergestellte Leiterschleifenstruktur

Info

Publication number: DE102005011249B4
Application number: DE102005011249.8A
Authority: DE
Inventors: Manfred Winter; Gerald Zierer; Fabrice Burg; Juergen Schuetz; Dietmar Ahrens; Roland Oesterlein; Hans-Georg Kick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2025-03-12
Also published as: DE102005011249A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Leiterschleifenstruktur (10) mittels Spritzgussverfahren mit folgenden Schritten:- Einlegen von Leiterschleifen (12) in ein Spritzgusswerkzeug (30)- Abstützen der Leiterschleifen (12) im Spritzgusswerkzeug (30) mittels eines in diesem angeordneten Schiebermechanismus (58)- Einspritzen von Kunststoff (34, 35) in das Spritzgusswerkzeug (30)- Entfernen des Schiebermechanismus (58) von den Leiterschleifen (12), sobald ein Sensorsystem (66, 70, 72) den eingespritzten Kunststoff (34, 35) im Bereich (19) der abgestützten Leiterschleifen (12) detektiert- Vollständiges Umspritzen der Leiterschleifen (12) im Bereich (19) des entfernten Schiebermechanismus (58), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (12) als Drahtwicklungen (14) ausgebildet sind, die mittels Backlack (24) zueinander vorfixiert sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Leiterschleifenstruktur mittels Spritzgussverfahren, sowie eine hiermit hergestellte Leiterschleifenstruktur nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der DE 33 12 069 A1 ist eine Spule für ein Elektro-Magnet-System bekannt geworden, bei dem ein leitendes spiralförmig gewickeltes Flachbandmaterial mit einem isolierenden erhärtbaren Kunststoff, bspw. einem Giesharz, allseitig umspritzt ist. Der Spulenkörper ist als flache Scheibe ausgebildet, die eine Mittelbohrung zur Aufnahme eines Magnetankers aufweist. Beim Gießen des Spulenkörpers werden zwischen den umlaufenden Wicklungen Haltestifte als Abstandshalter angeordnet, die nach dem Erkalten des Giesharzmaterials herausgezogen werden, wodurch sich entsprechende Sacklöcher ergeben. Alternativ zu den Haltestiften werden isolierende Abstandsteile, bspw. Isolierstreifen zwischen die Windungen eingesetzt, die nach dem Erkalten der Gussmasse im Spulenkörper verbleiben.
Nachteilig ist bei einem solchen Herstellungsverfahren, dass das Verschieben der Windungen beim Kunststoffgießen mittels zusätzlicher separater Abstandshalter verhindert werden muss. Ein solches Verfahren ist für die Fertigung in Großserie sehr aufwendig und kostspielig, insbesondere wenn hinterher die Abstandshalter mittels eines zusätzlichen Prozessschrittes wieder entfernt werden müssen.
Die gattungsgemäße US 6 063 321 A zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils mit einem Einlegeteil, wobei das Einlegeteil durch ein Halteteil in einem Hohlraum gehalten wird und dort mit geschmolzenem Harz umspritzt wird.
Die DE 198 10 780 C1 zeigt eine Toroid-Luftspule sowie ein Herstellungsverfahren, bei welchem die Windungen der Wicklung der Luftspule um einen toroidförmigen Körper geschlungen werden und anschließend die Wicklungen zusammen mit dem Körper vollständig vergossen oder umspritzt werden.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung einer Leiterschleifenstruktur, sowie die Leiterschleifenstruktur mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch das einstufige Umspritzen der Leiterschleifen in einem einzigen Spritzgusswerkzeug mit dem drin angeordneten Schieber mit einem einzigen Prozessschritt eine sehr homogene Leiterschleifenstruktur herstellbar ist. Dabei bleiben die Leiterschleifen während des Spritzgießens aufgrund deren Abstützung durch den Schieber zuverlässig in ihrer vorfixierten Position. Aufgrund der Anordnung eines Sensorsystems im Spritzgusswerkzeug kann der Schieber entfernt werden, sobald die Fließfront des eingespritzten Kunststoffs den von dem Schieber abgestützten Bereich der Leiterschleifen erreicht. Dadurch ist gewährleistet, dass mittels eines einzigen Druckspritzguss-Prozesses die Leiterschleifen in ihrer ursprünglich vorfixierten Lage gleichmäßig umspritzt werden.
Für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist es von Vorteil, dass die Leiterschleifen beim Einlegen in das Spritzgusswerkzeug zumindest provisorisch gegeneinander fixiert sind. Dies geschieht besonders einfach dadurch, dass die Leiterschleifen aus Draht gewickelt werden, der einen Backlack aufweist, der die einzelnen Schleifen miteinander verklebt.
Weist das Spritzgusswerkzeug eine Diskusform auf, in der die Leiterschleifen von der Mitte radial nach außen angeordnet sind, kann eine besonders flache scheibenförmige Leiterschleifenstruktur hergestellt werden, wie sie für flachbauende, kompakte elektromagnetische Maschinen notwendig ist.
Wird der Kunststoff im radial inneren Bereich des Spritzgusswerkzeugs in dieses eingespritzt, kann sich die Fließfront gleichmäßig radial nach außen fortsetzen, wodurch ein homogen umspritzter Spulenkörper entsteht.
Verlaufen die Leiterschleifen von der Mitte der Spritzgussform als radiale Stege hin zum äußeren Rand, können diese Stege sehr wirkungsvoll von einem ringförmig ausgebildeten Schiebermechanismus vor Beginn des Spritzgießens axial abgestützt werden. Der Schieber kann dann entfernt werden, sobald die Stege am inneren zentralen Bereich durch den eingespritzten Kunststoff gegeneinander fixiert sind.
Eine besonders günstige Geometrie für das Spritzgusswerkzeug ergibt sich durch eine Trennebene, die quer zur Scheibenachse angeordnet ist. Diese großflächige Öffnung eignet sich gut zum Einlegen der Leiterschleifen und zum Ausstoßen der fertig gespritzten Leiterschleifenstruktur. Außerdem kann hierbei der Schieber als ein Bauteil gefertigt und axial mit kurzem Weg verschoben werden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines schnell härtenden Duroplastmaterials, das sich aufgrund seine besonderen Eigenschaften zum Druckspritzgießen eignet. Dieses Material verbindet die Vorteile einer schnellen einfachen Fertigung mittels Spritzgussverfahren mit der hohen Formbeständigkeit der Duroplaste. Damit kann sehr kostengünstig ein scheibenförmiger Rotor hergestellt werden, der auch bei großer thermischer Last formbeständig bleibt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer scheibenförmigen Leiterschleifenstruktur von etwa 60 bis 100 mm Durchmesser kann der verwendete Werkstoff unter einem relativ niedrigen Druck von etwa 20 bis 50 bar eingespritzt werden, wodurch die Anordnung der vorfixierten Leiterschleifen nicht zerstört wird. Durch das schnelle Aushärten des spritzgießbaren Duroplasts können relativ kurze Spritzzyklen-Zeiten unter 30 sec erreicht werden, wodurch sich das Verfahren zur Großserienfertigung eignet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen scheibenförmiger Leiterschleifenstrukturen kann sehr einfach aus wenigen Formelementen zusammengesetzt werden, in die ein hydraulischer oder pneumatischer Schiebermechanismus integriert werden kann. Durch das Einfügen eines Sensorsystems in das Spritzgusswerkzeug kann der Schiebermechanismus automatisch angesteuert werden, wodurch die Zykluszeit für die Herstellung einer Leiterschleifenstruktur verringert wird, wobei die Leiterschleifen als Drahtwicklungen ausgebildet sind, die mittels Backlack zueinander vorfixiert sind.
Werden bspw. Temperaturfühler als Sensoren angeordnet, kann der beispielsweise 80 bis 100°C heiße Kunststoff zuverlässig durch den Sensor detektiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Detektion der Fließfront des Kunststoffs besteht in der Anordnung von Drucksensoren, die eine Druckänderung innerhalb des Werkzeugs während des Druckspritzgießens erkennen.
Die mittels der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leiterschleifenstruktur eignet sich besonders für den Einbau in elektromagnetische Maschinen wie elektroakustische Wandler, Hubmagnete oder Elektromotoren. Durch die flache scheibenförmige Ausbildung des Rotorkörpers kann der Bauraum der elektromagnetischen Maschinen reduziert werden, wodurch sich diese für den Einbau in Kraftfahrzeuge eigenen.
Besonders günstig ist es, die Leiterschleifen in der flachen Rotorscheibe mit radial verlaufenden Speichen auszuformen, wobei sich die einzelnen Schleifen vorzugsweise überlappen. Derart angeordnete Leiterschleifen eigenen sich für den Zusammenbau mit mehren axial angeordneten Arbeitsmagneten, die die entsprechend bestromte Rotorscheibe antreiben.
Zur Bestromung der Leiterschleifen wird in die Leiterschleifenstruktur im inneren Bereich ein ringförmiger Kommutator mit eingespritzt, dessen Lamellen jeweils mit den einzelnen Leiterschleifen verbunden sind. Je nach Platzangebot in der elektrischen Maschine kann der Kommutator als Plan- oder als Trommelkommutator ausgebildet sein, in dessen Zentrum eine kreisförmige Aussparung in der Leiterschleifenstruktur angeordnet ist, um eine Ankerwelle aufzunehmen.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Leiterschleifenstruktur, sowie eine Herstellungsvorrichtung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 vorfixierte Leiterschleifen als ein Einlegeteil,
2 eine fertig umspritze Leiterschleifenstruktur im Schnitt und
3 schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Leiterschleifenstruktur

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 sind schematisch Leiterschleifen 12 dargestellt, die zur Herstellung einer Leiterschleifenstruktur 10 als ein Einlegeteil 13 in ein Spritzgusswerkzeug 30 eingelegt werden. Die Leiterschleifen 12 sind bspw. aus Kupferdraht 14 mit einem Durchmesser von bspw. 0,3 mm geformt und mit einem Kommutator 16 verbunden, der in einem zentralen Bereich 17 der Leiterschleifenstruktur 10 angeordnet ist. Die einzelnen Leiterschleifen 12 weisen dabei radiale Speichen 18 auf, die am äußeren Umfang 22 und am Umfang des Kommutators 16 in Umfangsrichtung 20 miteinander verbunden sind. Die einzelnen Leiterschleifen 12 überlappen sich in Umfangsrichtung 20 und sind mittels eines auf den Leiterschleifen 12 angeordneten Backlacks 24 provisorisch gegeneinander fixiert, sodass alle Leiterschleifen 12 mit dem Kommutator 16 zusammen das einteilige Einlegeteil 13 bilden. Um die Leiterschleifen 12 gegeneinander zu fixeren, werden diese gegebenenfalls miteinander verpresst. Zusätzlich zu dem Einlegeteil 13 sind in 1 auch schematisch Arbeitsmagnete 26 einer elektrischen Maschine 28 angeordnet. Deren Magnetfeld versetzt die über den Kommutator 16 bestromten Leiterschleifen 12 in Drehung, wenn die Leiterschleifenstruktur 10 als Rotorscheibe 32 in die elektrische Maschine 28 eingebaut ist.
In 2 ist eine fertig umspritzte Leiterschleifenstruktur 10 dargestellt, nachdem das Einlegeteil 13 im Spritzgusswerkzeug 30 gemäß 3 mit Kunststoff 34 umspritzt wurde. Die Leiterschleifenstruktur 10 ist als flache Scheibe 32 ausgebildet, die im Bereich ihrer zentralen Achse 36 eine zentrale Aussparung 38 zur Aufnahme einer schematisch dargestellten Welle 40 aufweist. Am äußeren Umfang 22 und im zentralen Bereich 17 um den Kommutator 16 ist die Leiterschleifenscheibe 10 dicker ausgebildet, da in diesen Bereichen im innerhalb des Kunststoffes 34 viele Drähte 14 in Umfangsrichtung 20 angeordnet sind. Zwischen den beiden Bereichen 17 und 22 weist die Leiterschleifenstruktur 10 einen axial sehr dünnen Bereich 19 vom bspw. ca. 1 mm Dicke auf, in dem die radialen Speichern 18 angeordnet sind.
Als Kunststoff 34 ist im Ausführungsbeispiel ein spritzgießbarer, schnellhärtender Duroplast 35 verwendet, der auch bei hohen Umgebungstemperaturen eine hohe Formbeständigkeit aufweist. Der Kommutator 16 ist im Ausführungsbeispiel als Plankommutator 16 ausgebildet, der sich für den Einbau in elektrische Maschinen 28 eignet, bei dem Kohlebürsten 42 axial zur Rotorscheibe 32 angeordnet sind.
In 3 ist als Vorrichtung 50 zur Herstellung einer Leiterschleifenstruktur 10 ein Spritzgusswerkzeug 30 dargestellt, das zwei axial zusammenfügbare Formteile 52 und 53 zeigt. Eines der beidem Formteile 52 ist dabei als tellerförmige Halbschale 52 ausgebildet, die in der Mitte einen Dom 54 aufweist, um die Aussparung 38 der Leiterschleifenstruktur 10 auszuformen. In das erste Formteil 52 wird das Einlegeteil 13 aus 1 zentrisch eingelegt und mit dem zweiten Formteil 53 verschlossen. Zwischen den beiden Formteilen 52, 53 ist eine Trennebene 56 angeordnet, die im Wesentlichen quer zur Achse 36 der Leiterschleifenscheibe 10 angeordnet ist. Bevor der Kunststoff 34 in das Spritzgusswerkzeug 30 eingespritzt wird, werden die Leiterschleifen 12 im Bereich 19 der Speichen 18 mittels eines Schiebermechanismus 58 gegen das Spritzgusswerkzeug 30 gepresst, um eine Verschiebung oder Zerstörung der Leiterschleifen 12 beim Druckspritzgießen zu verhindern. In der linken Bildhälfte der 3 weist der Schiebermechanismus 58 eine größere radiale Anpressfläche 60 auf, als der Schieber 58 in der Ausführungsvariante auf der rechten Bildhälfte. Vorzugsweise ist der Schiebermechanismus 58 als kreisförmiger Ring 62 ausgebildet, wie dies schematisch in 1 eingezeichnet ist. Der Schiebemechanismus 58 ist bspw. mittels eines hydraulischen oder pneumatischen Antriebs 64 in Axialrichtung 36 verschiebbar. Der Antrieb 64 wird über ein Sensorsystem 66 angesteuert, das im Spritzgusswerkzeug 30 angeordnet ist und die Position des eingespritzten Kunststoffs 34 ermitteln kann.
Zur Herstellung der Leiterschleifenstruktur 10 wird der schnellhärtende Duroplast 35 durch eine Einspritzdüse 68, die im zentralen Bereich 37 der Spritzgussform 30 angeordnet ist, eingespritzt. Als Prozessparameter wird beispielsweise ein Einspritzdruck von ca. 20 bis 50 bar und einer Temperatur von etwa 80 bis 100°C verwendet. Das Spritzgusswerkzeug 30 weist dabei eine Temperatur von etwa 160 bis 200 °C auf, wodurch sich der eingespritzte Duroplast im heißen Werkzeug vernetzt. Die Fließfront breitet sich dann radial vom zentralen Bereich 17 hin zum äußeren Umfang 22 aus. Erreicht der Kunststoff 34 den Bereich 19 mit den Speichen 18, werden die einzelnen Leiterschleifen 12 zuverlässig gegeneinander fixiert. Dies wird durch Temperatursensoren 70 oder Drucksensoren 72 des Sensorsystems 66 erkannt und ein Signal an den Antrieb 64 gegeben, den Schiebermechanismus 58 axial zurückzufahren. Dadurch kann sich der Kunststoff 34 ungestört entlang der radialen Speichen 18 ausbreiten und diese gleichmäßig vollständig umschließen. Aufgrund der speziellen Materialeigenschaften härtet dieser Duroplast 35 sehr schnell aus, sodass die Leiterschleifenstruktur 10 innerhalb einer Zeit von weniger als 30 sec aus dem axial geöffneten Formteil 52 herausnehmbar ist.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann bspw. die konkrete Ausformung der Leiterschleifen 12, des Kommutators 16 sowie des Spritzgusswerkzeugs 30 mit dem Schiebemechanismus 58 beliebig ausgeformt sein. Durch den neuartigen spritzgießbaren Duroplast 35 können im Gegensatz zum Spritzgießen mit Thermoplasten wesentlich geringere Drücke verwendet werden, die der jeweiligen Geometrie der Werkzeugform 30 und der Leiterschleifen 12 angepasst werden. Durch die Betätigung des Schiebermechanismus 58 können in Abhängigkeit des verwendeten Sensorsystems 66 unterschiedliche Ansteuerungsmöglichkeiten verwendet werden. Die Aushärtzeit des neuartigen spritzgießbaren Duroplasten 35 ist deutlich kürzer, als der von herkömmlichen Pressmassen oder Gießharze. Die Aushärtzeit ist jedoch ebenfalls von der konkreten Formgebung der Leiterschleifenstruktur 10 abhängig. Die erfindungsgemäße Leiterschleifenstruktur 10 wird bevorzugt als eisenfreie Rotorscheibe 32 einer elektrischen Maschine 28 verwendet, kann jedoch auch für andere Anwendungen induktiv erzeugter Magnetfelder, wie bspw. Hubmagneten oder elektroakustische Wandler Verwendung finden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Leiterschleifenstruktur (10) mittels Spritzgussverfahren mit folgenden Schritten: - Einlegen von Leiterschleifen (12) in ein Spritzgusswerkzeug (30) - Abstützen der Leiterschleifen (12) im Spritzgusswerkzeug (30) mittels eines in diesem angeordneten Schiebermechanismus (58) - Einspritzen von Kunststoff (34, 35) in das Spritzgusswerkzeug (30) - Entfernen des Schiebermechanismus (58) von den Leiterschleifen (12), sobald ein Sensorsystem (66, 70, 72) den eingespritzten Kunststoff (34, 35) im Bereich (19) der abgestützten Leiterschleifen (12) detektiert - Vollständiges Umspritzen der Leiterschleifen (12) im Bereich (19) des entfernten Schiebermechanismus (58), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (12) als Drahtwicklungen (14) ausgebildet sind, die mittels Backlack (24) zueinander vorfixiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgusswerkzeug (30) tellerförmig ausgebildet ist und die Leiterschleifen (12) darin radial angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (34, 35) in einem zentralen Bereich (37) des Spritzgusswerkzeugs (30) eingespritzt wird und radial nach außen fließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (12) radial außerhalb des Einspritzbereichs (37) mittels des Schiebermechanismus (58) abgestützt werden, der als umlaufender Ring (62) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgusswerkzeug (30) mindestens zwei Formteile (52, 53) aufweist, die axial zueinander gefügt werden und der Schiebermechanismus (58) axial beweglich zwischen den beiden Formteilen (52, 53) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff (34) ein spritzgießbarer, schnellhärtender Duroplast (35) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung einer fertigen Leiterschleifenstruktur (10) nur genau ein Spritzgusswerkzeug (30) und genau ein Spritzgießvorgang angewendet wird, wobei der Kunststoff (34, 35) mit einer Temperatur von ca. 80-100°C unter einem Druck von ca. 20 - 50 bar und einer Spritz-Zykluszeit von weniger als 30 Sekunden eingespritzt wird.
Vorrichtung (20) zum Herstellen einer Leiterschleifenstruktur (10) mittels Spritzgussverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens zwei kreisförmigen Formelementen (52, 53), die einen axial verschiebbaren Schiebermechanismus (58) zum Andrücken von Einlegeteilen (13) aufnehmen, und mit einem Sensorsystem (66, 70, 72), das die Gegenwart des Kunststoffs (34, 35) in dem Bereich (19) des Schiebermechanismus (58) anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (12) als Drahtwicklungen (14) ausgebildet sind, die mittels Backlack (24) zueinander vorfixiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (66) Temperaturfühler (70) und/oder Drucksensoren (72) aufweist.
Leiterschleifenstruktur (10) zur induktiven Erzeugung von Magnetfeldern, wobei die Leiterschleifen (12) mit Kunststoff (34, 35) umspritzt und in einer kreisförmigen Leiterschleifenstruktur (10) angeordnet sind, gefertigt nach dem Verfahren und/oder mit der Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in elektroakustischen Wandlern, in Hubmagneten oder in elektrischen Antrieben (28).
Leiterschleifenstruktur (10) zur induktiven Erzeugung von Magnetfeldern nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Ausbildung als flache Rotorscheibe (32) mit radial verlaufenden Speichen (18) der in den Kunststoff (34, 35) eingespritzten Leiterschleifen (12), wobei die Leiterschleifen (12) mit axial dazu angeordneten Arbeitsmagneten (26) des elektrischen Antriebs (28) zusammenwirken können.
Leiterschleifenstruktur (10) zur induktiven Erzeugung von Magnetfeldern nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine zentrale Aussparung (38) zur Aufnahme einer Welle (40), wobei ein mit den Leiterschleifen (12) verbundener Trommel- oder Plankommutator (16) um die Aussparung (38) herum eingespritzt ist, der radial oder axial mit Kohlebürsten (42) des elektrischen Antriebs (28) kontaktierbar ist.