DE102013012659A1

DE102013012659A1 - Verfahren und Prägewerkzeug zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule

Info

Publication number: DE102013012659A1
Application number: DE102013012659.2A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Domes
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: DE102013012659B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule, wobei ein band- oder drahtförmiges Halbzeug zu einer Spule mit einer oder mehreren Wicklungen vorgewickelt wird, und wobei die vorgewickelte Spule in ein Prägewerkzeug eingelegt und beim Schließen des Prägewerkzeugs mit einem in Richtung der Spulenwicklungsachse wirkenden axialen Druck derart beaufschlagt wird, dass die Wicklungen der vorgewickelten Spule zur Erzielung der endgültigen Spulenform umgeformt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Prägewerkzeug zum Herstellen der endgültigen Form einer elektrotechnischen Spule aus einer vorgewickelten Spule.
In der Elektrotechnik sind Spulen wichtige Bestandteile elektrischer Baugruppen oder Geräte. Insbesondere in rotierenden elektromechanischen Energiewandlern (Elektromotoren oder Elektrogeneratoren) werden solche elektrotechnischen Spulen in unterschiedlichster Form regelmäßig eingesetzt.
Die elektrotechnische Spule, welche in der weiteren Beschreibung auch abkürzend nur als Spule bezeichnet ist, besitzt einen spiralförmigen Aufbau, wobei sich eine Leiterschleife mit einer oder mehreren Wicklungen um einen Mittelachse herum, welche in der weiteren Beschreibung auch als Spulenwicklungsachse bezeichnet ist, wickelt. Frei wählbare Parameter beim Aufbau dieser Spulen sind hierbei die Wicklungsanzahl, die Querschnittsabmessungen (Breite und Höhe) der Wicklungen sowie der Abstand der Wicklungen zur Spulenwicklungsachse, welcher mit fortschreitendem Wicklungswinkel nicht konstant sein muss (z. B. nach oben oder unten konische, zylindrische, konkave oder konvexe Wicklungsformen). Auch die in Richtung der Spulenwicklungsachse betrachtete Form, mit der die einzelnen Wicklungen der Spule um die Spulenwicklungsachse gewickelt sind, kann nahezu an beliebige Gehäuseformen oder sonstige benötigte Formen angepasst werden (z. B. Spulen 1 mit im Wesentlichen rechteckig ausgebildeten Wicklungen 1a, 1b, 1c, ... 1n, siehe 1).
Um einen hohen Wirkungsgrad beispielsweise eines Elektromotors zu erzielen, muss der zur Verfügung stehende Wickelraum mit hohem Füllfaktor bewickelt werden, d. h. Freiräume zwischen den Wicklungen der Spule müssen weitestgehend eliminiert werden. Bei herkömmlichen aus metallischem Runddraht gewickelten Spulen wird der Querschnitt des Wickelraums nicht voll ausgenutzt, da sich aufgrund des kreisrunden Wicklungsquerschnitts unweigerlich gewisse Freiräume zwischen den einzelnen Wicklungen der Spule einstellen. Demzufolge ist bei Runddraht die effektiv nutzbare Querschnittsfläche des Wickelraums auf ein theoretisches Maximum von ca. 78% beschränkt, weshalb, insbesondere bei großen Maschinen und dicken Volldrähten, zunehmend rechteckige Profildrähte verwendet werden, wodurch Füllfaktoren bis über 90% erreicht werden.
Bei der in 1 dargestellten, bekannten Spule 1 für einen Elektromotor besteht nun die Herausforderung darin, den flachen rechteckigen Leiterquerschnitt Q spiralförmig so um die Spulenwicklungsachse A zu verformen bzw. zu biegen, dass die, von oben in Richtung der Spulenwicklungsachse A betrachtet, rechteckige Form der Einzelwicklungen 1a, 1b, 1c, ... 1n mit jeweils vier sehr engen Radien eingehalten werden kann. Umformverfahren, welche zum Verformen eines flachen und beispielsweise rechteckigen Metallbandes über die Hochachse eingesetzt werden, sind unter anderem das Hochkantbiegen, das Fließformbiegen oder auch inkrementelle Umformverfahren. Allerdings leiden all diese Umformverfahren an dem Problem, dass sehr kleine Radien, wie sie bei den Spulengeometrien heutiger Elektromotoren regelmäßig gefordert werden (siehe Radien r der bekannten Spule 1 gemäß 1) nicht ausgeformt werden können.
Als weitere geometrische Herausforderung tritt bei bekannten Spulen 1 hinzu, dass diese je nach Wicklung 1a, 1b, 1c, ..., 1n der Spule 1 unterschiedliche Querschnittsabmessungen (Breite b und Höhe h der Wicklung) aufweisen können. Bei der in 2 im Querschnitt dargestellten, um den Polzahn 6 eines Stators 7 gewickelten bekannten Spule 1 eines Elektromotors ist deutlich erkennbar, dass sich die Querschnittsabmessungen (Breite b und Höhe h) der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n von Wicklung zu Wicklung verändern, wobei zunächst eine breite, flache Wicklung (in 2 die oberste, außenliegende Wicklung 1n) sich kontinuierlich ändert in eine schmale aber hohe Wicklung (in 2 die unterste, innenliegende Wicklung 1a). Der Grund für diese in 2 dargestellte kontinuierliche Anpassung der Wicklungsquerschnitte Q liegt darin, dass zum einen die Querschnittsfläche F des elektrischen Leiters wicklungsunabhängig auf einem konstanten Wert gehalten werden muss, um bei gegebenen Phasenströmen eine vorab definierte Leistung bzw. Drehmoment abgeben zu können, wobei jedoch zum anderen die Geometrie der aufzufüllenden Vertiefung (Nut zwischen radial nach außen stehenden Polzähnen 6 eines Stators 7) zum formschlüssigen Auffüllen unbedingt (in Radialrichtung R_S des Stators 7 gesehen) eine Verbreiterung der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n senkrecht zu dieser Radialrichtung R_S erfordert, um so den Füllfaktor hochzuhalten.
Um Spulen 1 mit einem solchen variablen wicklungsabhängigen Leiterquerschnitt Q herzustellen, muss vor dem eigentlichen Wickelvorgang der Leiter auf aufwändige Weise in mehreren Umformschritten vorgeformt werden (beispielsweise durch mehrere Paare von Quetschrollen), um den erforderlichen Verlauf der Querschnittsabmessungen b, h zu erhalten. Eine zuverlässigere und einfachere Weise komplexe Spulengeometrien herzustellen, stellt das in der DE 10 2010 020 897 A1 vorgeschlagene Gießverfahren dar, welches jedoch mit einem hohen Energieeinsatz verbunden und demzufolge sehr kostenintensiv ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Prägewerkzeug zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule bereitzustellen, mit denen Spulen der genannten Art rationeller als bisher hergestellt werden können, wobei zudem hohe Anforderungen im Hinblick auf die endgültig gewünschte Spulengeometrie erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wir hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule bereitgestellt, wobei zunächst ein band- oder drahtförmiges Halbzeug zu einer Spule mit einer oder mehreren Wicklungen vorgewickelt wird. Die auf diese Weise erhaltene vorgewickelte Spule wird daraufhin in ein Prägewerkzeug eingelegt und beim Schließen des Prägewerkzeugs mit einem in Richtung der Spulenwicklungsachse wirkenden axialen Druck derart beaufschlagt, dass die Wicklungen der vorgewickelten Spule zur Erzielung der endgültigen Spulenform umgeformt werden.
Zunächst wird ein entsprechendes als Massenware erhältliches band- oder drahtförmiges Halbzeug, z. B. ein Vierkantmaterial oder ein Runddraht, ausgewählt, wobei der Querschnitt des ausgewählten Halbzeugs im Wesentlichen schon dem Querschnitt der Wicklungen in der endgültig gewünschten Spulengeometrie entsprechen sollte. Nach dem Vorwickeln der Spule aus diesem Halbzeug erfolgt vorteilhafterweise als einziger und abschließender Umformschritt zur Herstellung der endgültigen Spulengeometrie das Prägen der vorgewickelten Spule in einem Prägewerkzeug.
Das Vorwickeln, beispielsweise auf einem stabilen Vorwickeldorn, stellt keine technische Schwierigkeit dar, wobei die Wicklungen der vorgewickelten Spule, in Richtung der Spulenwicklungsachse betrachtet, bereits eine Form (runde Form, rechteckige Form, trapezförmige Form etc.) aufweisen sollten, die möglichst nahe an die endgültig zu erzielende Wicklungsform kommt. Vorteilhafterweise findet anschließend die endgültige Ausformung der Spulengeometrie durch einen einzigen Umformschritt in einem Prägewerkzeug statt, indem beim Schließen des Prägewerkzeugs alle Wicklungen der vorgewickelten Spule simultan in die gewünschte Wicklungsendgeometrie überführt werden.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Wicklungen der vorgewickelten Spule vor dem Einlegen in das Prägewerkzeug durch ein Radiusprägewerkzeug vorgeformt. Die Radiusvorformung wird derart durchgeführt, dass zunächst jeweils oberhalb und unterhalb einer Wicklung der vorgewickelten Spule eine Abstützung erfolgt, wobei anschließend ein Prägestempel die jeweilige Wicklung aus der Spulenwicklungsachse radial nach außen heraus in eine Prägematrize drückt, um einen Radius der Wicklung auszuformen.
Dieser zusätzliche Radiusvorformschritt wird vorzugsweise bei Spulen mit – in Richtung der Spulenwicklungsachse betrachtet – rechteckig oder anderweitig polygonal geformten Wicklungen durchgeführt (siehe 1), da hier jede Wicklung jeweils mehrere sehr enge Eckradien aufweist, die durch konventionelle Spulenwickeltechniken nicht auf zuverlässige Art und Weise vorgewickelt werden können. Die endgültig gewünschten Zielradien der Wicklungen werden dadurch erreicht, dass anschließend im Prägewerkzeug die einzelnen Wicklungen der vorgewickelten und vorgeformten Spule, wie bereits geschildert, mit axialem Druck beaufschlagt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, die vorgewickelte Spule vor dem Einlegen in das Prägewerkzeug in Richtung ihrer Spulenwicklungsachse zu strecken.
Durch dieses Auseinanderziehen der Spulenvorgeometrie wird der notwendige freie Abstand zwischen den Wicklungen hergestellt, welcher für das Einlegen und Umformen der einzelnen Wicklungen im Prägewerkzeug erforderlich ist.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Wicklungen der vorgewickelten Spule im Prägewerkzeug derart umgeformt, dass die Querschnitte der einzelnen Wicklungen hinsichtlich Breite und Höhe und/oder die Winkel der Seitenflanken der einzelnen Wicklungen in ihr endgültiges Maß überführt werden. Insbesondere können bei dieser Ausführungsform des Verfahrens je nach Wicklung unterschiedliche Querschnitte und/oder unterschiedliche Winkel der Seitenflanken erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit trotz Verwendung eines äußerst preiswerten Ausgangsmaterials die Herstellung komplexer Spulengeometrien (wie exemplarisch in 2 dargestellt) mit einfachen Mitteln durch einen einfachen Prägevorgang. Einerseits werden durch diesen Prägevorgang die Querschnitte aller Wicklungen der vorgewickelten Spule auf einmal, d. h. gleichzeitig, durch Einwirken eines axialen (in Richtung der Spulenwicklungsachse gerichteten) Drucks angepasst und andererseits können dabei von Wicklung zu Wicklung (wie in 2 gezeigt) unterschiedliche Wicklungsquerschnitte geformt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug mehrere in seine axialen Richtung übereinander angeordnete und in seiner Umfangsrichtung geschlossen umlaufende Segmente umfasst, wobei für die Umformung der vorgewickelten Spule die Segmente des Prägewerkzeugs zunächst in axialer Richtung auseinandergefahren werden und die vorgewickelte Spule dann axial in das Prägewerkzeug eingefädelt wird, bis die einzelnen Wicklungen der vorgewickelten Spule jeweils auf einem Segment des Prägewerkzeugs zu liegen kommen. Anschließend werden die Segmente des Prägewerkzeugs in axialer Richtung wieder zusammengefahren, sodass die einzelnen Wicklungen der vorgewickelten Spule jeweils zwischen benachbarten Segmenten des Prägewerkzeugs unter Druck umgeformt werden, wobei nach Auseinanderfahren der Segmente die fertig geformte Spule aus dem Prägewerkzeug entnommen wird.
Für das gleichzeitige Prägen aller Wicklungen der vorgewickelten Spule mittels des Prägewerkzeugs ist dieses aus mehreren Segmenten aufgebaut. Das Prägewerkzeug lässt dabei zur automatisierten Spulenfertigung zumindest zwei Betriebsstellungen zu, eine geöffnete Stellung mit auseinandergefahrenen Segmenten zum Einführen der vorgewickelten und Entnehmen der fertig geformten Spule und eine geschlossene Stellung mit zusammengefahrenen Segmenten zum Pressformen der einzelnen Spulenwicklungen.
Vorzugsweise kann das Prägewerkzeug zusätzlich noch beheizt werden, um die Wicklungen der vorgewickelten Spule beim Schließen des Prägewerkzeugs warmumzuformen.
Insbesondere bei großen Wicklungsquerschnitten ist das Warmprägen vorzuziehen, da hier bedeutend größere Formänderungen als beim Kaltprägen erreicht werden können. Alternativ wäre es möglich, statt einer Beheizung des Werkzeugs eine vorhergehende Erwärmung des umzuformenden Werkstücks, also der vorgewickelten Spule, durchzuführen.
Auch kann gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens nach dem Umformvorgang in dem Prägewerkzeug die Spule mechanisch nachbearbeitet werden, insbesondere um Grate von der Spule zu entfernen.
Unter einer „endgültigen Spulenform” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist somit nicht zu verstehen, dass die mittels des Prägewerkzeugs umgeformte Spule keinen weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen wird. Vielmehr bedeutet dieser Begriff, dass die Spule nach dem Prägevorgang keine weiteren Umformschritte zur Anpassung der Spulengeometrie (insbesondere der Querschnittsabmessungen der einzelnen Wicklungen) benötigt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Prägewerkzeugs erfindungsgemäß mit einem Prägewerkzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst.
Das gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bereitgestellte Prägewerkzeug zum Herstellen der endgültigen Form einer elektrotechnischen Spule aus einer vorgewickelten Spule umfasst mehrere in axialer Richtung des Werkzeugs übereinander angeordnete und in Umfangsrichtung des Werkzeugs geschlossen umlaufende Segmente. Diese Segmente sind dabei zum Einlegen und Umformen der einzelnen Wicklungen der vorgewickelten Spule in axialer Richtung des Werkzeugs auseinander- und zusammenfahrbar.
Durch den mehrsegmentigen Aufbau des Prägewerkzeugs können alle einzelnen Wicklungen der vorgewickelten Spule gleichzeitig in einem einzigen Umformschritt umgeformt werden. Zudem können die Segmente problemlos so gestaltet sein, dass sich beim Prägen von Wicklung zu Wicklung unterschiedliche Wicklungsquerschnitte ergeben (wie es bei der bekannten, in 2 dargestellten Spule der Fall ist).
Da die Herstellung des endgültigen Wicklungsquerschnitts jeweils dadurch erfolgt, dass die jeweilige Wicklung zwischen einander benachbarten Werkzeugsegmenten gequetscht wird, kann über eine veränderliche Gestaltung der Segmente entlang der Werkzeugachse auch eine dementsprechende Veränderung der Wicklungsquerschnitte entlang der Spulenachse erreicht werden. Im Gegensatz zu konventionellen Spulenherstellungsverfahren ist es somit nicht notwendig, die einzelnen, querschnittsverschiedenen Wicklungen erst in voneinander getrennten Umformschritten herzustellen und daraufhin zusammenzufügen, weshalb durch das erfindungsgemäße Prägewerkzeug eine sehr rationelle und damit kostengünstige Art der Fertigung von komplexen Spulengeometrien ermöglicht wird.
Nach einer Ausführungsform des Prägewerkzeugs sind die Segmente jeweils mit einer Aussparung zur Aufnahme einer Wicklung der vorgewickelten Spule versehen.
Beim Zusammenfahren des Prägewerkzeugs wird aufgrund dieser Aussparungen jeweils zwischen den Segmenten ein in Umfangsrichtung des Werkzeugs geschlossen umlaufender Hohlraum gebildet. Dieser Hohlraum entspricht in seinen Abmessungen genau der Geometrie der jeweils herzustellenden Wicklung, sodass beim Ausüben eines axialen Drucks auf die jeweilige Wicklung der vorgewickelten Spule der Hohlraum zwischen den Segmenten vom Wicklungsmaterial voll ausgefüllt wird und die Wicklung die Geometrie des jeweiligen Hohlraums annimmt.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Prägewerkzeug, bei dem die Segmente in axialer Richtung des Werkzeugs in zumindest zwei Untersegmente unterteilt sind, wobei zumindest zwei Untersegmente eines Segments in radialer Richtung des Werkzeugs einen Versatz zueinander aufweisen, und wobei dieser Versatz im Segment eine nutförmige Aussparung zur Aufnahme einer Wicklung der vorgewickelten Spule bildet.
Durch eine derartige Untersegmentierung der einzelnen Segmente des Prägewerkzeugs wird vorteilhafterweise erreicht, dass jeweils nur eines der mindestens zwei Untersegmente eines Segments zur Abstützung der Spulenwicklung in Richtung der Spulenwicklungsachse benötigt wird. Das oder die weiteren Untersegmente des Segments begrenzen lediglich die jeweilige Aussparung in radialer Richtung und übernehmen keine abstützende Funktion in axialer Richtung, sodass sie kein Hindernis für das axiale Einfädeln der vorgewickelten Spule in das Prägewerkzeug darstellen.
Um das axiale Einfädeln der vorgewickelten Spule in das Prägewerkzeug weiter zu vereinfachen, ist in den Segmenten des Prägewerkzeugs jeweils zumindest ein Untersegment, welches in radialer Richtung des Werkzeugs weiter nach innen versetzt ist als zumindest ein weiteres Untersegment des jeweiligen Segments, radial nach außen verfahrbar.
Durch diese kassettenförmige Bauweise des Prägewerkzeugs mit radial nach außen verfahrbaren Untersegmenten kann die zu prägende, vorgewickelte Spule problemlos in axialer Richtung des Prägewerkzeugs zentrisch in die Segmente eingeführt werden. Hierzu müssen lediglich die während des Prägevorgangs zur axialen Abstützung der Einzelwicklungen dienenden Untersegmente so weit radial nach außen verfahren werden, dass in axialer Richtung des Prägewerkzeugs innerhalb der Segmente eine Durchgangsöffnung erhalten wird, deren Abmessungen größer sind als die Außenabmessungen der vorgewickelten Spule.
Zur Steuerung des Werkstoffflusses kann zentrisch innerhalb der Segmente ein in axialer Richtung des Werkzeugs verlaufender Dorn angeordnet sein.
Durch diesen zusätzlichen Dorn wird verhindert, dass das Wicklungsmaterial in das Spuleninnere fließt, wodurch vorteilhafterweise auf eine gegebenenfalls zur innenseitigen Gratentfernung notwendige mechanische Nachbearbeitung der Spule verzichtet werden kann.
Im Folgenden werden der Stand der Technik und Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in teilweise vereinfachten Darstellungen:
1 die dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Spule nach dem Prägen, also in endgültiger Spulenform,
2 einen Querschnitt durch eine Motorgeometrie, in welche die in 1 gezeigte Spule eingesetzt ist,
3 einen Querschnitt durch ein Radiusprägewerkzeug gemäß der Erfindung, in das die Wicklung einer vorgewickelten Spule eingesetzt ist, und
4 einen Querschnitt durch ein Prägewerkzeug gemäß der Erfindung, in das eine zu prägende, vorgewickelte Spule eingesetzt ist.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer elektrotechnischen Spule 1, die durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs 3 hergestellt worden ist. Von einer solchen elektrotechnischen Spule 1 können vielfältigste Funktionen in elektrischen Schaltungen und elektromechanischen Anwendungen übernommen werden. Insbesondere wird eine solche elektrotechnische Spule 1, wie in 2 gezeigt, im Elektromaschinenbau als wichtiges funktionales Bauelement eines Elektromotors eingesetzt.
Wie aus 1 ersichtlich, wird erfindungsgemäß eine Spule 1 mit einer Vielzahl von Wicklungen (die einzelnen Wicklungen sind hier durchnummeriert und mit 1a, 1b, 1c, ..., 1n bezeichnet) hergestellt, wobei die Wicklungen spiralförmig um die Spulenwicklungsachse A, die der Mittelachse der Spule 1 entspricht, angeordnet sind.
Je nach Anwendungsfall kann die Geometrie der Spule 1 angepasst werden, wobei insbesondere die Wicklungsanzahl n, der Wicklungsquerschnitt Q (v. a. Höhe h und Breite b des zur Spule 1 aufgewickelten elektrischen Leiters) und der Abstand der Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n zur Spulenwicklungsachse A, der entlang der Spulenhöhe nicht konstant sein muss (z. B. im Falle konisch geformter Spulen), wichtige geometrische Größen darstellen, die entscheidend für die spätere Charakteristik des Motors, Generators oder sonstigen elektrischen Baugruppe sind.
Die in 1 dargestellte Spule 1 weist, in Richtung der Spulenwicklungsachse A betrachtet, annähernd rechteckig geformte Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n auf, sodass eine annähernd quaderförmige Spule 1 erhalten wird. Zudem besitzt der zur rechteckigen Spirale aufgewickelte Leiter wiederum einen flachen, rechteckigen Querschnitt Q, was insbesondere aus der Schnittdarstellung der 2 deutlich hervorgeht.
Diese Spulengeometrie mit rechteckig um die Spulenwicklungsachse A geformten Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n und rechteckigen Wicklungsquerschnitten Q ist besonders vorteilhaft, um einen hohen Wirkungsgrad beispielsweise eines in 2 ausschnittsweise dargestellten Elektromotors zu erreichen. Dieser Wirkungsgrad hängt entscheidend von dem Füllfaktor ab, also davon wie hoch der Anteil des elektrischen Leiters im zur Verfügung stehenden Wickelbauraum ist. Bei herkömmlichen, aus metallischem Runddraht (z. B. aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen) gefertigten Spulen kann die Querschnittsfläche des verfügbaren Wickelfensters zwangsläufig nicht voll ausgenutzt werden und die effektiv nutzbare Fläche liegt bei Runddrähten bei theoretisch maximal knapp 78%. Durch die Verwendung eines rechteckigen Wicklungsquerschnitts Q können hingegen die Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n dichter gewickelt werden, sodass Freiräume zwischen den Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n weitestgehend eliminiert werden können.
Die in 1 und 2 gezeigte Spule 1 weist aufgrund ihres rechteckigen Wicklungsquerschnitts Q und ihres, in Richtung der Spulenwicklungsachse A betrachtet, rechteckigen Spulenquerschnitts eine sehr hohe Strukturdichte und somit einen sehr hohen Füllfaktor auf, der Werte deutlich über 90% erreicht. Trotz dieser klaren Wirkungsgradvorteile haben rechteckige Spulen 1 mit rechteckigen Wicklungsquerschnitten Q, wie beispielhaft in 1 und 2 dargestellt, noch keine weite Verbreitung im Bereich des Elektromaschinenbaus gefunden und so sind beispielsweise Statorwicklungen herkömmlicher rotierender elektrischer Maschinen heute zumeist noch aus Runddrahtspulen gebildet.
Der Hauptgrund für diese fehlende Marktdurchsetzung besteht darin, dass es immer noch hohe Produktionsschwierigkeiten bereitet, den Leiter mit flachem, rechteckigem Leiterquerschnitt Q über die Hochachse zu verformen bzw. zu biegen, um ihn um die Wickelachse A spiralförmig verlaufen zu lassen. Insbesondere Spulen 1 für Elektromotoren gemäß 1 und 2, die in Form einer rechteckigen Spirale mit flacher, rechteckiger Wicklungsquerschnittsgeometrie Q gestaltet sind, stellen eine sehr große produktionstechnische Herausforderung dar, denn es müssen hier bei jeder Wicklung 1a, 1b, 1c, ..., 1n sehr kleine Eckradien r geformt werden. Mittels konventioneller Umformverfahren, wie dem Hochkantbiegen, dem Fließformbiegen oder auch inkrementellen Umformverfahren, können solch kleine Radien r, wie sie bei den Spulengeometrien heutiger Elektromotoren aus Wirkungsgradgründen gefordert werden, nicht ausgeformt werden.
Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten wurde in der DE 10 2010 020 897 A1 vorgeschlagen, die in 1 und 2 gezeigte Spule 1 durch ein Gießverfahren herzustellen. Mit einem solchen Urformverfahren können im Gegensatz zu den konventionellen Umformverfahren auch komplexe Spulengeometrien hergestellt werden. Jedoch erfordern Urformverfahren im Vergleich zu Umformverfahren einen sehr hohen Energieeinsatz (im vorliegenden Fall zum Aufschmelzen des Wicklungsmaterials), weshalb solche Urformverfahren angesichts der hohen Energiepreise häufig unter die Wirtschaftlichkeitsgrenze fallen.
Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt nicht nur die Herstellung komplexer Geometrien heutiger Spulen 1, sondern ist auch wirtschaftlich wegen seiner wenigen umformenden Fertigungsschritte äußerst vorteilhaft.
Zunächst erfolgt je nach Dimension und Größe der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n in der endgültigen Spule 1 (z. B. gemäß 1) die Auswahl eines entsprechenden Endlos-Halbzeugs, z. B. in Form eines Runddrahts oder Vierkantmaterials. Der Querschnitt des Halbzeugs sollte dabei dem Querschnitt Q der späteren Spulenwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n gemäß 1 und 2 möglichst nahe kommen, um den erforderlichen Umformgrad zu senken.
Das ausgewählte Halbzeug wird daraufhin (z. B. mittels einer Hochgeschwindigkeits-Produktionsvorrichtung) zu einer Spule 2 mit mehreren Wicklungen 2a, 2b vorgewickelt. Die in Richtung der Spulenwicklungsachse A betrachtete Form, mit der die einzelnen Wicklungen 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 um die Spulenwicklungsachse A gewickelt worden sind, z. B. runde Form, rechteckige Form, trapezförmige Form usw., wird ebenfalls möglichst nahe an die endgültig zu erzielende Querschnittsform gebracht. Im Falle der Herstellung einer rechteckigen Spule 1, wie in 1 gezeigt, wird hierzu die Spule 2 derart vorgewickelt, dass sie als Querschnitt senkrecht zur Spulenwicklungsachse A ein abgerundetes Rechteck aufweist, wobei die Radien r_V der Ecken möglichst klein geformt sind, um nahezu der späteren Rechteckform zu entsprechen.
Für eine bessere Ausformung schärferer Radien r ist als zusätzlicher Umformschritt nach dem Vorwickeln vorgesehen, die Wicklungen 2a der vorgewickelten Spule 2 durch ein Radiusprägewerkzeug 4 vorzuformen. In 3 ist dieser zusätzliche, an der Wicklung 2a einer vorgewickelten Spule 2 durchgeführte Umformschritt schematisch illustriert worden. Diese Figur stellt einen Blick in Richtung der Spulenwicklungsachse A auf einen Eckbereich der in ein Radiusprägewerkzeug 4 eingesetzten Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 dar.
Die vorgewickelte Spule 2 besitzt in diesem Eckbereich einen Radius r_V, der noch zu groß ist um in einem einzigen, in 4 illustrierten Prägevorgang durch axiale Druckbeaufschlagung in den Zielradius r überführt werden zu können. Demzufolge erfolgt nach dem Vorwickeln und vor dem abschließenden Prägevorgang gemäß 4 noch eine Radiusvorformung der vorgewickelten Spule 2. Die einzelnen Wicklungen 2a der vorgewickelten Spule 2 werden hierbei jeweils zu beiden Seiten in Richtung der Spulenwicklungsachse A, d. h. jeweils oberhalb und unterhalb der Wicklung 2a, durch in 3 nicht dargestellte Klemmelemente abgestützt, um eine unerwünschte axiale Bewegung der Wicklung 2a während des Radiusprägevorgangs zu vermeiden.
Nachdem die Wicklung 2a in dieser Weise axial fixiert worden ist, wird ein innerhalb der Wicklung 2a angeordneter Prägestempel 4a aus der Spulenwicklungsachse A heraus radial nach außen gegen den Eckradius r_V der Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 gedrückt, wobei der Prägestempel 4a bis auf eine Prägematrize 4b fährt. Der Prägestempel 4a und die Prägematrize 4b sind auf ihren zueinander gewandten Oberflächen jeweils mit einem Radius r_P versehen, der annähernd dem engen Radius r der rechteckigen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n in der endgültigen Spulenform nach 1 entspricht. Durch Pressen der Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 zwischen Prägestempel 4a und Prägematrize 4b wird dieser enge Radius r_P in den Eckbereich der Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 eingeprägt. Um alle Eckradien r_V aller Wicklungen 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 gleichzeitig in einem einzigen Umformschritt prägen zu können, ist vorzugsweise eine mehrsegmentige Radiusprägevorrichtung vorgesehen, die für jede Wicklung 2a, 2b und jeden Eckradius r_V der vorgewickelten Spule 2 jeweils ein Radiusprägewerkzeug 4 mit Prägestempel 4a und Prägematrize 4b gemäß 3 aufweist.
Die durch den Prägestempel 4a auf die zu prägende, vorgewickelte Spule 2 ausgeübte Prägekraft ist in 3 durch einen dicken Pfeil F_x,y kenntlich gemacht worden. Zur besseren Prozessführung können zusätzliche Kräfte an den geraden Abschnitten der Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 jeweils in Richtung ihres Eckradius r_V wirken. Diese zusätzlich an die Wicklung 2a angelegten Druckkräfte (z. B. mittels einer entsprechenden Einspannung der vorgewickelten Spule 2) sind in 3 ebenfalls durch dicke Pfeile F_x, F_y gekennzeichnet und sorgen vorteilhafterweise für eine zusätzliche Druckspannung im Biegeradius. Auf diese Weise kann eine durch Überschreiten der Streckgrenze auftretende Rückfederung des Prägeradius r_P beseitigt oder zumindest vermindert werden.
Die beim Radiusprägen notwendige (in 3 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte) Abstützung des vorgewickelten Halbzeugs in Richtung der Spulenachse A kann auch durch das im Folgenden beschriebene und in 4 schematisch illustrierte Prägewerkzeug 3 erreicht werden, sodass Radiusprägewerkzeug 4 gemäß 3 und Prägewerkzeug 3 gemäß 4 auch in einer universellen Prägevorrichtung miteinander kombiniert werden können. Das Prägen der vorgewickelten Spule 2 kann somit sowohl in radialer als auch in axialer Richtung der Spule nacheinander oder zeitgleich in einer einzigen Prägevorrichtung auf hochrationelle Weise realisiert werden.
Um die endgültige Form der vorgewickelten und mittels des Radiusprägewerkzeugs 4 nach 3 vorgeformten Spule 2 herzustellen, wird nun die Spule 2 zunächst in Richtung ihrer Spulenwicklungsachse A gestreckt. Durch das Auseinanderziehen der vorgewickelten und in den Eckradien vorgeformten Spule 2 wird ein notwendiger freier Abstand zwischen den Wicklungen 2a, 2b hergestellt, der zum Einlegen und Umformen der Spule 2 in dem segmentförmigen Prägewerkzeug 3 gemäß 4 notwendig ist.
Durch dieses Prägewerkzeug 3 werden die hohen geometrischen Anforderungen der in 1 und 2 dargestellten Spulenendgeometrie in einem einzigen, abschließenden Umformschritt endgültig hergestellt. Diese hohen geometrischen Anforderungen betreffen zum einen die engen Eckradien r der rechteckig geformten Einzelwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n, die nach der Vorformung im Radiusprägewerkzeug 4 gemäß 3 im Prägewerkzeug 3 nach 4 nun ihre endgültige Ausformung erhalten. Die hohen geometrischen Anforderungen betreffen aber in erster Linie die Abmessungen b, h der Wicklungsquerschnitte Q, die sich gemäß der Schnittdarstellung nach 2 in der endgültigen Spulenform von Wicklung zu Wicklung grundlegend verändern.
Um eine konstante Stromdichte in den einzelnen Spulenwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n zu gewährleisten, sind zwar die Flächeninhalte F der Wicklungsquerschnitte Q der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n in der herzustellenden Spulenendgeometrie gemäß 2 über die gesamte Spulenhöhe konstant. Jedoch nimmt die Breite b der einzelnen Wicklungen mit zunehmender Höhe der Spule 1 kontinuierlich zu, sodass folglich zur Erhaltung eines konstanten Flächeninhalts F die Höhe h der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n mit zunehmender Höhe der Spule 1 in gleichem Maße kontinuierlich abnimmt. Im Ergebnis verändern sich somit Höhe h und Breite b des elektrischen Leiters in Abhängigkeit von der jeweiligen Wicklung 1a, 1b, 1c, ..., 1n, wobei zunächst eine breite, flache Wicklung (die in 2 oberste, außenliegende Wicklung 1n) sich kontinuierlich ändert in eine schmale, aber hohe Wicklung (die in 2 unterste, innenliegende Wicklung 1a).
Der Grund für eine solch komplexe Spulenendgeometrie mit sich kontinuierlich entlang der Spulenwicklungsachse A ändernden Querschnittsabmessungen b, h der Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n liegt darin, dass die Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n der Spule 1 die Nut 9 zwischen den radial nach außen stehenden Polzähnen 6 des Stators 7 möglichst optimal ausfüllen müssen, um einen möglichst hohen Füllfaktor und somit Wirkungsgrad des Elektromotors zu erreichen. Da sich diese aufzufüllende Nut 9 zwischen den Polzähnen 6 des Stators 7, in Radialrichtung R_S des Stators 7 gesehen, zunehmend verbreitert, müssen zum formschlüssigen Auffüllen der Nut 9 auch die Spulenwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n der eingesetzten Spule 1, in Radialrichtung R_S des Stators 7 gesehen, gleichermaßen verbreitert werden, um den Füllfaktor hochzuhalten. Die Zunahme der Breite b der Spulenwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n muss dabei durch eine entsprechende Abnahme der Höhe h der Spulenwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n ausgeglichen werden, um den Querschnittsflächeninhalt F der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n konstant zu halten.
Gemäß 2 ist die nach innen, zur Spulenwicklungsachse A hin gerichtete Seitenflanke 10 der Einzelwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n parallel zur Spulenwicklungsachse A und weist somit keinen Neigungswinkel zur Spulenwicklungsachse A auf. Die gegenüberliegende, zur Außenseite der Spule 1 hin gerichtete Seitenflanke 8 der Einzelwicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n besitzt hingegen einen entsprechenden Neigungswinkel α zur Spulenwicklungsachse A, wobei dieser Winkel α abhängig ist von der Motorgeometrie, insbesondere von der Gesamtanzahl der Spulen 1 auf dem Stator 7.
Um diese endgültig gewünschte Spulengeometrie nach 2, insbesondere die sich verändernde Breite b und Höhe h der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n sowie den Winkel α der Seitenflanke 8 der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n, zuverlässig herstellen zu können, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die vorgewickelte und gegebenenfalls mittels des Radiusprägewerkzeugs 4 nach 3 vorgeformte Spule 2 einem einfachen Prägevorgang zu unterziehen, bei dem die einzelnen Wicklungen 2a, 2b der vorgewickelten/vorgeformten Spule 2 durch axiale Druckbeaufschlagung in die endgültige Wicklungsgeometrie überführt werden. Das für diesen Prägevorgang verwendete Prägewerkzeug 3 ist in 4 in Form einer schematisch vereinfachten vertikalen Schnittdarstellung gezeigt.
Das Prägewerkzeug 3 beinhaltet für jede Einzelwicklung der zu prägenden, vorgewickelten Spule 2 jeweils ein Segment, wobei in 4 der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich zwei Segmente 3a, 3b und zwei Spulenwicklungen 2a, 2b dargestellt sind. Die Segmente 3a, 3b sind in einem (nicht illustrierten) Querschnitt senkrecht zur Werkzeugachse A jeweils in Anpassung an den entsprechenden Querschnitt der vorgewickelten Spule 2 als annähernd rechteckförmige Ringe, in Umfangsrichtung des Werkzeugs 3 geschlossen umlaufend ausgeführt. Diese annähernd rechteckförmigen Ringsegmente 3a, 3b sind dabei koaxial übereinander angeordnet.
Der Prägevorgang läuft in der Weise ab, dass zunächst die vorgewickelte Spule 2 in axialer Richtung A in die zentrale, annähernd rechteckförmige Öffnung der Segmente 3a, 3b des Prägewerkzeugs 3 eingeführt wird. Die Spule 2 wird so weit eingeführt, bis jede ihrer Einzelwicklungen 2a, 2b auf einem Segment 3a, 3b des Prägewerkzeugs 3 abgestützt ist. Jedes Segment 3a, 3b weist zu diesem Zweck eine nutförmige Aussparung 5a, 5b auf, in welche die Einzelwicklungen 2a, 2b der Spule 2 zu Beginn des Prägevorgangs eingelegt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedes Segment 3a, 3b zweigeteilt und besteht wiederum aus zwei koaxial übereinander angeordneten, jeweils als annähernd rechteckförmige Ringe ausgebildeten Untersegmenten 3aa, 3ab, 3ba, 3bb. Die Untersegmente 3aa, 3ab, 3ba, 3bb sind jeweils in Anpassung an den Steigungswinkel der Wicklungen 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 gegenüber der Horizontalen geneigt. Die Außenabmessungen der Untersegmente 3aa, 3ab, 3ba, 3bb sind jeweils miteinander bündig, wohingegen die Innenabmessungen der beiden Untersegmente 3aa, 3ab, 3ba, 3bb eines Segments 3a, 3b unterschiedlich gewählt sind. Durch diesen Unterschied in den Innenabmessungen der Untersegmente 3aa, 3ab, 3ba, 3bb wird in den Segmenten 3a, 3b jeweils eine annähernd rechteckförmig umlaufende Nut 5a, 5b gebildet, die radial nach außen hin durch das Untersegment 3ab, 3bb mit den größeren Innenabmessungen begrenzt wird.
Die vorgewickelte Spule 2 wird demzufolge so in das Prägewerkzeug 3 eingeführt, dass jede einzelne Wicklung 2a, 2b in die derart gebildete nutförmige Aussparung 5a, 5b eingelegt wird. In 4 erfolgt die Einführung der vorgewickelten Spule 2 in das Prägewerkzeug 3 in einer von oben nach unten geführten axialen Bewegung, bis die Wicklungen 2a, 2b der Spule 2 mit Ihrer Unterseite jeweils auf dem unteren, in den Innenabmessungen reduzierten Untersegment 3aa, 3ba des jeweiligen Segments 3a, 3b zur Auflage kommen.
Damit die axiale Einführbewegung nicht von den zur Auflage dienenden Untersegmenten 3aa, 3ba behindert wird, sind diese Untersegmente 3aa, 3ba vorzugsweise radial nach außen verfahrbar. Bei radial ausgefahrener Stellung der in den Innenabmessungen verkleinerten Untersegmente 3aa, 3ba kann die Spule 2 in die zentrale Öffnung des Prägewerkzeugs 3 bis zu einer bestimmten Anschlagsposition hindernisfrei eingeschoben werden. Erst nach Erreichen dieser Anschlagsposition werden die Untersegmente 3aa, 3ba mit den verkleinerten Innenabmessungen aus der radial ausgefahrenen wieder in die radial eingefahrene (in 2 dargestellte) Stellung gebracht, damit die Wicklungen 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 auf diese Untersegmente 3aa, 3ba abgelegt werden können.
In 4 ist das Prägewerkzeug 3 in einer geöffneten Betriebsstellung gezeigt, die beim Einlegen der vorgewickelten Spule 2 in das Prägewerkzeug 3 eingenommen wird. Die jeweils zweigeteilten Segmente 3a, 3b sind dabei in axialer Richtung A des Werkzeugs 3 voneinander beabstandet, um die durch das Strecken der vorgewickelten Spule 2 ebenfalls voneinander beabstandeten Einzelwicklungen 2a, 2b zwischen sich aufnehmen zu können. Zur Ausführung des Prägevorgangs wird das Prägewerkzeug 3 mit eingesetzter, zu prägender Spule 2 aus der geöffneten in eine (nicht dargestellte) geschlossene Betriebsstellung gebracht, indem die Segmente 3a, 3b des Prägewerkzeugs 3 in axialer Richtung A auf Anschlag zusammengefahren werden.
Durch dieses Zusammenfahren der Segmente 3a, 3b wird die Verformung der einzelnen Wicklungen 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 bewirkt. Beim Schließen des Prägewerkzeugs 3 bewegen sich die Segmente 3a, 3b in axialer Richtung A gegensinnig aufeinander zu, bis sie aneinander anliegen. Die benachbarten Segmente 3a, 3b üben dabei symmetrisch von beiden Seiten einen axialen Druck auf die dazwischen angeordnete Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 aus.
Durch diesen axialen Druck verändert sich der Wicklungsquerschnitt Q_V, mit dem die Spule 2 bereits vorgewickelt wurde. Mit Erreichen der Anlage der beiden Segmente 3a, 3b hat die zwischen ihnen angeordnete Wicklung 2a ihren endgültigen Querschnitt Q erreicht. Dieser endgültige Wicklungsquerschnitt Q entspricht der Form des Hohlraums zwischen den benachbarten Segmenten 3a, 3b, wenn beide aufeinander zur Anlage kommen. Gemäß 4 ist der bei geschlossenem Prägewerkzeug 3 vorliegende, die Querschnittsgeometrie Q der jeweiligen Wicklung 2a, 2b bestimmende Hohlraum durch die umlaufende nutförmige Aussparung 5a, 5b gebildet, die jeweils in den einzelnen Segmenten 3a, 3b vorgesehen ist.
Ist das Prägewerkzeug 3 geschlossen, füllt das Material der Wicklung 2a, 2b die nutförmige Aussparung 5a, 5b vollkommen aus. Dabei wird die Aussparung 5a, 5b und somit der Werkstofffluss in axialer Richtung A jeweils durch die in den Innenabmessungen verkleinerten Untersegmente 3aa, 3ba der in Anlage stehenden Segmente 3a, 3b begrenzt, während in radialer Richtung R nach außen die in den Innenabmessungen vergrößerten Untersegmente 3ab, 3bb als Begrenzung für den Werkstofffluss dienen. Um den beim Prägevorgang radial nach innen gerichteten Werkstofffluss ebenfalls zu begrenzen, kann zentrisch innerhalb der Segmente 3a, 3b und somit in der Spulenmitte ein in axialer Richtung A verlaufender Dorn eingeführt werden.
Im Ergebnis wird die Wicklung 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 beim Schließen des Prägewerkzeugs 3 in einen Endquerschnitt Q umgeformt, der in seiner trapezoidalen Form (d. h. in Höhe h, in Breite b und in Winkel α der Seitenflanke) genau der Kontur der jeweiligen nutförmigen Aussparung 5a, 5b entspricht. Gemäß den geometrischen Anforderungen der endgültig zu erzielenden Spulenform gemäß 2 ist dieser Endquerschnitt Q von Wicklung zu Wicklung verschieden. Demzufolge ist jede nutförmige Aussparung 5a, 5b von Segment zu Segment in entsprechender Weise anders gestaltet, was durch eine Veränderung der Höhe und/oder der Innenabmessungen der in dem jeweiligen Segment 3a, 3b verbauten Untersegmente 3aa, 3ab, 3ba, 3bb auf einfache Weise erreicht werden kann.
Die vorbeschriebene Erfindung ermöglicht die Fertigung von Spulen 1 mit komplexen, wicklungsabhängigen Geometrien aus einem sehr günstigen, am Markt als Massenprodukt verkauften Ausgangsmaterial (band- oder drahtförmiges Halbzeug, z. B. Blechstreifen in Vierkantform, Vierkantmaterial bzw. sogar Runddraht). Die Spulenfertigung erfolgt dabei durch ein umformendes Verfahren, wodurch es ermöglich wird, die Spulen 1 (trotz ihrer komplexen Geometrie) in großen Stückzahlen wirtschaftlich herzustellen.
Im Prägewerkzeug 3 wird die vorgewickelte Spule 2 im Gesamten auf einmal durch einen kurzen Prägehub hergestellt, d. h. alle Wicklungen 2a, 2b der Spule 2 werden gleichzeitig in einem einzigen Umformschritt umgeformt. Es ist daher nicht notwendig die einzelnen, im Querschnitt Q verschiedenen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n zunächst getrennt voneinander herzustellen und dann durch zusätzliche Fügeoperationen miteinander zu verbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt somit zum einen eine sehr gute Spulenqualität zu (keine Fügestellen, hohe Oberflächenqualität aufgrund des Prägeprozesses) und gewährleistet zum anderen eine äußerst rationelle Fertigung der elektrotechnischen Spule.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010020897 A1 [0007, 0049]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule (1), wobei ein band- oder drahtförmiges Halbzeug zu einer Spule (2) mit einer oder mehreren Wicklungen (2a, 2b) vorgewickelt wird, und wobei die vorgewickelte Spule (2) in ein Prägewerkzeug (3) eingelegt und beim Schließen des Prägewerkzeugs (3) mit einem in Richtung der Spulenwicklungsachse (A) wirkenden axialen Druck derart beaufschlagt wird, dass die Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) zur Erzielung der endgültigen Spulenform umgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) vor dem Einlegen in das Prägewerkzeug (3) durch ein Radiusprägewerkzeug (4) vorgeformt werden, indem jeweils oberhalb und unterhalb einer Wicklung (2a) der vorgewickelten Spule (2) eine Abstützung erfolgt und ein Prägestempel (4a) aus der Spulenwicklungsachse (A) radial nach außen heraus die jeweilige Wicklung (2a) in eine Prägematrize (4b) drückt, um einen Radius (r) der Wicklung (2a) auszuformen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewickelte Spule (2) vor dem Einlegen in das Prägewerkzeug (3) in Richtung ihrer Spulenwicklungsachse (A) gestreckt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) im Prägewerkzeug (3) derart umgeformt werden, dass die Querschnitte (Q) der einzelnen Wicklungen (1a, 1b, 1c, ..., 1n) hinsichtlich Breite (b) und Höhe (h) und/oder die Winkel (α) der Seitenflanken (8) der einzelnen Wicklungen (1a, 1b, 1c, ..., 1n) in ihr endgültiges Maß überführt werden, wobei insbesondere je nach Wicklung (1a, 1b, 1c, ..., 1n) unterschiedliche Querschnitte (Q) und/oder unterschiedliche Winkel (α) der Seitenflanken (8) erzeugt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug (3) mehrere in seiner axialen Richtung (A) übereinander angeordnete und in seiner Umfangsrichtung geschlossen umlaufende Segmente (3a, 3b) umfasst, wobei für die Umformung der vorgewickelten Spule (2) die Segmente (3a, 3b) des Prägewerkzeugs (3) zunächst in axialer Richtung (A) auseinandergefahren werden, die vorgewickelte Spule (2) dann axial in das Prägewerkzeug (3) eingefädelt wird, bis die einzelnen Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) jeweils auf einem Segment (3a, 3b) des Prägewerkzeugs (3) zu liegen kommen, wobei anschließend die Segmente (3a, 3b) in axialer Richtung (A) zusammengefahren werden, sodass die einzelnen Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) jeweils zwischen benachbarten Segmenten (3a, 3b) unter Druck umgeformt werden, und wobei nach Auseinanderfahren der Segmente (3a, 3b) die fertig geformte Spule (1) aus dem Prägewerkzeug (3) entnommen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug (3) beheizt wird, sodass die Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) beim Schließen des Prägewerkzeugs (3) warmumgeformt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umformvorgang in dem Prägewerkzeug (3) die Spule (1) mechanisch nachbearbeitet wird, insbesondere um Grate von der Spule (1) zu entfernen.
Prägewerkzeug (3) zum Herstellen der endgültigen Form einer elektrotechnischen Spule (1) aus einer vorgewickelten Spule (2), wobei das Prägewerkzeug (3) mehrere in axialer Richtung (A) des Werkzeugs (3) übereinander angeordnete und in Umfangsrichtung des Werkzeugs (3) geschlossen umlaufende Segmente (3a, 3b) umfasst, und wobei diese Segmente (3a, 3b) zum Einlegen und Umformen der einzelnen Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) in axialer Richtung (A) des Werkzeugs (3) auseinander- und zusammenfahrbar sind.
Prägewerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3a, 3b) jeweils mit einer Aussparung (5a, 5b) zur Aufnahme einer Wicklung (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) versehen sind.
Prägewerkzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3a, 3b) in axialer Richtung (A) des Werkzeugs (3) in zumindest zwei Untersegmente (3aa, 3ab, 3ba, 3bb) unterteilt sind, wobei zumindest zwei Untersegmente (3aa, 3ab, 3ba, 3bb) eines Segments (3a, 3b) in radialer Richtung (R) des Werkzeugs (3) einen Versatz (ΔR) zueinander aufweisen, wobei dieser Versatz (ΔR) im Segment (3a, 3b) eine nutförmige Aussparung (5a, 5b) zur Aufnahme einer Wicklung (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) bildet.
Prägewerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum axialen Einfädeln der vorgewickelten Spule (2) in das Prägewerkzeug (3) in den Segmenten (3a, 3b) des Prägewerkzeugs (3) jeweils zumindest ein Untersegment (3aa, 3ba), welches in radialer Richtung (R) des Werkzeugs (3) weiter nach innen versetzt ist als zumindest ein weiteres Untersegment (3ab, 3bb) des jeweiligen Segments (3a, 3b), radial nach außen verfahrbar ist.
Prägewerkzeug nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zentrisch innerhalb der Segmente (3a, 3b) ein in axialer Richtung (A) des Werkzeugs (3) verlaufender Dorn angeordnet ist.