DE102013012659B4 - Process and embossing tool for the production of an electrotechnical coil - Google Patents

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Abstract

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, wobei 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.Method for producing an electrotechnical coil (1), in which a semi-finished product in the form of a strip or wire is pre-wound to form a coil (2) with one or more windings (2a, 2b), and the pre-wound coil (2) being placed in a stamping tool (3) inserted and when closing the embossing tool (3) is subjected to an axial pressure acting in the direction of the coil winding axis (A) in such a way that the windings (2a, 2b) of the prewound coil (2) are reshaped to achieve the final coil shape, the embossing tool (3) comprises a plurality of segments (3a, 3b) arranged one above the other in its axial direction (A) and running in a closed manner in its circumferential direction, with the segments (3a, 3b) of the embossing tool (3) first are moved apart in the axial direction (A), the pre-wound coil (2) is then threaded axially into the embossing tool (3) until the individual windings (2a, 2b) of the pre-wound coil (2) each come to rest on a segment (3a, 3b) of the embossing tool (3), with the segments (3a, 3b) then being moved together in the axial direction (A), so that the individual windings (2a, 2b) of the pre-wound coil (2nd ) are formed under pressure between adjacent segments (3a, 3b), and after the segments (3a, 3b) have been moved apart, the finished coil (1) is removed from the embossing tool (3).

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.The invention relates to a method for producing an electrotechnical coil. According to a second aspect, the invention relates to an embossing tool for producing the final shape of an electrotechnical coil from a pre-wound coil.

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.In electrical engineering, coils are important components of electrical assemblies or devices. In particular in rotating electromechanical energy converters (electric motors or electric generators), such electrotechnical coils are regularly used in a wide variety of forms.

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).The electrotechnical coil, which is also simply referred to as a coil in the further description, has a spiral structure, with a conductor loop with one or more windings being wound around a central axis, which is also referred to as the coil winding axis in the further description. Freely selectable parameters when constructing these coils are the number of windings, the cross-sectional dimensions (width and height) of the windings and the distance between the windings and the coil winding axis, which does not have to be constant with increasing winding angle (e.g. upwards or downwards conical, cylindrical, concave or convex winding forms). The shape, viewed in the direction of the coil winding axis, with which the individual windings of the coil are wound around the coil winding axis, can also be adapted to almost any housing shape or other required shape (e.g. coils 1 with essentially rectangular windings 1a, 1b, 1c, ... 1n, see 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.In order to achieve a high level of efficiency, for example in an electric motor, the available winding space must be wound with a high fill factor, i. H. Free spaces between the windings of the coil must be eliminated as far as possible. In the case of conventional coils wound from metallic round wire, the cross section of the winding space is not fully utilized since, due to the circular winding cross section, certain free spaces are inevitably set between the individual windings of the coil. As a result, with round wire, the effectively usable cross-sectional area of the winding space is limited to a theoretical maximum of approx. 78%, which is why rectangular profile wires are increasingly being used, especially with large machines and thick solid wires, whereby filling factors of over 90% can be achieved.

Aus der US 2005 / 0 258 704 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung für den Stator einer elektrischen Maschine bekannt, bei dem Stränge der Wicklung vor dem Einlegen in die Nuten des Statorkerns in eine der Nut entsprechenden Form gepresst werden, wodurch das Einbringen der Wicklung in die Nuten erleichtert und der Nutfüllfaktor erhöht wird. Hierzu werden die Stränge derart in einer Pressmaschine positioniert, dass zwischen die in die Nut einzubringenden Strangabschnitte Pressplatten eingeschoben sind. Anschließend werden diese Pressplatten mittels eines oberen und unteren Pressstempels zusammengefahren, sodass die Strangabschnitte zwischen den Pressplatten flachgedrückt werden.From the U.S. 2005/0 258 704 A1 a method for producing a winding for the stator of an electrical machine is known, in which strands of the winding are pressed into a shape corresponding to the slot before they are placed in the slots of the stator core, thereby facilitating the introduction of the winding into the slots and increasing the slot fill factor becomes. For this purpose, the strands are positioned in a pressing machine in such a way that pressing plates are inserted between the strand sections to be introduced into the groove. These press plates are then moved together by means of an upper and lower press ram, so that the strand sections are pressed flat between the press plates.

Ein Verfahren zum Herstellen von Toroidspulen wird in der DE 462 950 A offenbart. Bei diesem Verfahren wird eine einfache zylindrische Spule zwischen zwei Kämmen eingeführt. Anschließend werden die Zähne des einen Kammes in die Zahnlücken des anderen Kammes eingeschoben. Bei diesem Einschieben wird jede zweite Windung der zylindrischen Spule radial nach außen verschoben.A method of manufacturing toroidal coils is disclosed in US Pat DE 462 950 A disclosed. In this procedure, a simple cylindrical coil is inserted between two combs. Then the teeth of one comb are pushed into the tooth gaps of the other comb. During this insertion, every second turn of the cylindrical coil is shifted radially outwards.

Bei der in 1 dargestellten, bekannten Spule 1 für einen Elektromotor besteht nun die Herausforderung darin, den flachen rechteckigen Leiterquerschnitt 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.At the in 1 In the known coil 1 shown for an electric motor, the challenge now is to deform or bend the flat, rectangular conductor cross-section in a spiral around the coil winding axis A in such a way that the rectangular shape of the individual windings 1a, 1b , 1c, ... 1n, each with four very narrow radii. Forming methods that are used to deform a flat and, for example, rectangular metal strip along the vertical axis include edge bending, flow forming or incremental forming methods. However, all these forming processes suffer from the problem that very small radii, as are regularly required for the coil geometries of today's electric motors (see radii r of the known coil 1 according to 1 ) cannot be formed.

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 Rs des Stators 7 gesehen) eine Verbreiterung der einzelnen Wicklungen 1a, 1b, 1c, ..., 1n senkrecht zu dieser Radialrichtung RS erfordert, um so den Füllfaktor hochzuhalten.A further geometrical challenge with known coils 1 is that, depending on the winding 1a, 1b, 1c, . . . , 1n of the coil 1, they can have different cross-sectional dimensions (width b and height h of the winding). At the in 2 The known coil 1 of an electric motor shown in cross section and wound around the pole tooth 6 of a stator 7 clearly shows that the cross-sectional dimensions (width b and height h) of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n vary from winding to winding Alter, starting with a wide, flat wrap (in 2 the top, outer winding 1n) continuously changes into a narrow but high winding (in 2 the bottom inner winding 1a). The reason for this in 2 illustrated continuous adjustment of the winding cross-sections Q is is that, on the one hand, the cross-sectional area F of the electrical conductor must be kept at a constant value, independent of the winding, in order to be able to deliver a predefined power or torque for given phase currents, but on the other hand, the geometry of the depression to be filled (groove between radially outwards standing pole teeth 6 of a stator 7) for form-fitting filling (seen in the radial direction Rs of the stator 7) necessarily requires a widening of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n perpendicular to this radial direction Rs in order to keep the filling factor high.

Um Spulen 1 mit einem solchen variablen wicklungsabhängigen Leiterquerschnitt 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.In order to produce coils 1 with such a variable winding-dependent conductor cross section, the conductor must be preformed in a complex manner in several forming steps before the actual winding process (e.g. by several pairs of squeezing rollers) in order to obtain the required profile of the cross-sectional dimensions b, h. A more reliable and simpler way to produce complex coil geometries is provided by the DE 10 2010 020 897 A1 proposed casting process, which, however, involves a high use of energy and is therefore very expensive.

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.The object of the invention is therefore to provide a method and an embossing tool for producing an electrotechnical coil, with which coils of the type mentioned can be produced more efficiently than before, with high requirements with regard to the finally desired coil geometry also being able to be met.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.With regard to the method, this object is achieved according to the invention by the features of claim 1 .

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. Das Prägewerkzeug umfasst mehrere in seiner axialen Richtung übereinander angeordnete und in seiner Umfangsrichtung geschlossen umlaufende Segmente, 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.According to a first aspect of the invention, a method for producing an electrotechnical coil is provided, with a strip-shaped or wire-shaped semi-finished product first being pre-wound to form a coil with one or more windings. The pre-wound coil obtained in this way is then placed in an embossing tool and, when the embossing tool is closed, subjected to axial pressure acting in the direction of the coil winding axis in such a way that the windings of the pre-wound coil are deformed to achieve the final coil shape. The embossing tool comprises a plurality of segments which are arranged one above the other in its axial direction and run in a closed manner in its circumferential direction, with the segments of the embossing tool first being moved apart in the axial direction for forming the pre-wound coil and the pre-wound coil then being threaded axially into the embossing tool until the individual Windings of the pre-wound coil each come to rest on a segment of the embossing tool. The segments of the embossing tool are then moved back together in the axial direction so that the individual windings of the prewound coil are formed under pressure between adjacent segments of the embossing tool, with the finished coil being removed from the embossing tool after the segments have been moved apart.

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.First, a corresponding strip or wire-shaped semi-finished product, e.g. B. a square material or a round wire, selected, wherein the cross section of the selected semi-finished product should essentially already correspond to the cross section of the windings in the finally desired coil geometry. After the coil has been pre-wound from this semi-finished product, the pre-wound coil is advantageously embossed in a embossing tool as a single and final forming step for producing the final coil geometry.

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.The pre-winding, for example on a stable pre-winding mandrel, does not represent a technical difficulty, whereby the windings of the pre-wound coil, viewed in the direction of the coil winding axis, should already have a shape (round shape, rectangular shape, trapezoidal shape, etc.) that is as close as possible to the final winding form to be achieved. Advantageously, the final shaping of the coil geometry then takes place in a single shaping step in a stamping tool, in that when the stamping tool is closed all the windings of the prewound coil are converted simultaneously into the desired final winding geometry.

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.For the simultaneous embossing of all windings of the pre-wound coil using the embossing tool, the latter is made up of several segments. The embossing tool permits at least two operating positions for automated coil production, an open position with the segments moved apart for inserting the pre-wound coil and removing the finished coil, and a closed position with the segments moved together for press-forming the individual coil windings.

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.According to one embodiment of the method, the windings of the prewound coil are preformed by a radius embossing tool before being placed in the embossing tool. The radius preforming is carried out in such a way that support is first provided above and below a winding of the pre-wound coil, with a stamping die then radially separating the respective winding from the coil winding axis outwardly into an embossing die to form a radius of the coil.

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.This additional radius preforming step is preferably carried out for coils with windings that are rectangular or otherwise polygonal in shape, viewed in the direction of the coil winding axis (see Fig 1 ) since each winding has a number of very tight corner radii that cannot be reliably prewound by conventional coil winding techniques. The final desired target radii of the windings are achieved in that the individual windings of the pre-wound and pre-formed coil are then subjected to axial pressure in the embossing tool, as already described.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, die vorgewickelte Spule vor dem Einlegen in das Prägewerkzeug in Richtung ihrer Spulenwicklungsachse zu strecken.A further embodiment of the method provides for the pre-wound coil to be stretched in the direction of its coil winding axis before it is placed in the embossing tool.

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.By pulling the coil pre-geometry apart, the necessary free distance between the windings is created, which is necessary for inserting and forming the individual windings in the embossing tool.

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.According to yet another embodiment of the method, the windings of the pre-wound coil are shaped in the embossing tool in such a way that the cross sections of the individual windings in terms of width and height and/or the angles of the side flanks of the individual windings are converted to their final dimension. In particular, in this embodiment of the method, depending on the winding, different cross sections and/or different angles of the side flanks can be produced.

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.Despite the use of an extremely inexpensive starting material, the method according to the invention thus allows the production of complex coil geometries (as exemplified in 2 shown) with simple means by a simple embossing process. On the one hand, the cross-sections of all windings of the pre-wound coil are adjusted at once, i.e. simultaneously, by the action of an axial pressure (directed in the direction of the coil winding axis) through this embossing process, and on the other hand, from winding to winding (as in 2 shown) different winding cross sections are formed.

Vorzugsweise kann das Prägewerkzeug zusätzlich noch beheizt werden, um die Wicklungen der vorgewickelten Spule beim Schließen des Prägewerkzeugs warmumzuformen.The embossing tool can preferably also be heated in order to hot-form the windings of the prewound coil when the embossing tool is closed.

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.In the case of large winding cross sections in particular, hot embossing is to be preferred, since significantly larger changes in shape can be achieved here than with cold embossing. Alternatively, instead of heating the tool, it would be possible to heat the workpiece to be formed, ie the pre-wound coil, beforehand.

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.According to another development of the method, the coil can also be post-processed mechanically after the forming process in the embossing tool, in particular in order to remove burrs from the coil.

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.A “final coil shape” within the meaning of the present invention is therefore not to be understood as meaning that the coil formed by means of the embossing tool is not subjected to any further processing steps. Rather, this term means that the coil does not require any further forming steps to adapt the coil geometry (in particular the cross-sectional dimensions of the individual windings) after the embossing process.

Die eingangs genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Prägewerkzeugs erfindungsgemäß mit einem Prägewerkzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst.With regard to the embossing tool, the object mentioned at the outset is achieved according to the invention with an embossing tool having the features of claim 7 .

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 einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des Werkzeugs jeweils in Anpassung an den entsprechenden Querschnitt der vorgewickelten Spule als annähernd rechteckförmige, in Umfangsrichtung des Werkzeugs geschlossen umlaufende Ringe ausgeführte Segmente. Diese Segmente sind dabei zum Einlegen und Umformen der einzelnen Wicklungen der vorgewickelten Spule in axialer Richtung des Werkzeugs auseinander- und zusammenfahrbar.The embossing tool provided according to a second aspect of the invention for producing the final shape of an electrotechnical coil from a prewound coil comprises a plurality of superimposed in the axial direction of the tool and in a cross section perpendicular to the axial direction of the tool, each adapted to the corresponding cross section of the prewound coil segments designed as approximately rectangular rings that are closed in the circumferential direction of the tool. These segments can be moved apart and together in the axial direction of the tool for inserting and forming the individual windings of the prewound coil.

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).Due to the multi-segment structure of the embossing tool, all individual windings of the pre-wound coil can be formed simultaneously in a single forming step. In addition, the segments can easily be designed in such a way that different winding cross sections result from embossing from winding to winding (as is the case with the well-known, in 2 illustrated coil is the case).

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.Since the final winding cross-section is produced in each case in that the respective winding is squeezed between adjacent tool segments a variable design of the segments along the tool axis, a corresponding change in the winding cross sections along the coil axis can also be achieved. In contrast to conventional coil manufacturing methods, it is therefore not necessary to first produce the individual windings with different cross sections in separate forming steps and then to join them together, which is why the embossing tool according to the invention enables a very efficient and therefore cost-effective way of manufacturing complex coil geometries.

Nach einer Ausführungsform des Prägewerkzeugs sind die Segmente jeweils mit einer Aussparung zur Aufnahme einer Wicklung der vorgewickelten Spule versehen.According to one embodiment of the embossing tool, the segments are each provided with a recess for accommodating a winding of the prewound coil.

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.When the embossing tool is moved together, due to these recesses, a closed circumferential cavity is formed between the segments in the circumferential direction of the tool. The dimensions of this cavity correspond exactly to the geometry of the winding to be produced, so that when axial pressure is exerted on the respective winding of the prewound coil, the cavity between the segments is completely filled by the winding material and the winding assumes the geometry of the respective cavity.

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.Another embodiment relates to an embossing tool in which the segments are divided into at least two sub-segments in the axial direction of the tool, with at least two sub-segments of a segment being offset from one another in the radial direction of the tool, and with this offset in the segment having a groove-shaped recess for receiving one turn of the prewound coil.

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.Such a sub-segmentation of the individual segments of the embossing tool advantageously means that only one of the at least two sub-segments of a segment is required to support the coil winding in the direction of the coil winding axis. The one or more sub-segments of the segment only delimit the respective recess in the radial direction and do not assume any supporting function in the axial direction, so that they do not constitute an obstacle to the axial threading of the pre-wound coil into the embossing tool.

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.In order to further simplify the axial threading of the prewound coil into the embossing tool, at least one sub-segment, which is offset further inwards in the radial direction of the tool than at least one further sub-segment of the respective segment, can be moved radially outwards in the segments of the embossing tool.

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.This cassette-shaped construction of the embossing tool with sub-segments that can be moved radially outwards allows the pre-wound coil to be embossed to be inserted centrically into the segments in the axial direction of the embossing tool without any problems. For this purpose, the sub-segments used during the embossing process for axial support of the individual windings must be moved radially outwards far enough that a through-opening is obtained in the axial direction of the embossing tool within the segments, the dimensions of which are larger than the external dimensions of the pre-wound coil.

Zur Steuerung des Werkstoffflusses kann zentrisch innerhalb der Segmente ein in axialer Richtung des Werkzeugs verlaufender Dorn angeordnet sein.To control the material flow, a mandrel running in the axial direction of the tool can be arranged centrally within the segments.

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.This additional mandrel prevents the winding material from flowing into the interior of the coil, as a result of which mechanical post-processing of the coil that may be necessary to remove burrs on the inside can advantageously be dispensed with.

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.
The prior art and exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. They each show in partially simplified representations:
  • 1 the three-dimensional view of a coil produced according to the invention after embossing, i.e. in the final coil shape,
  • 2 a cross section through an engine geometry, in which the in 1 shown coil is inserted,
  • 3 a cross-section through a radius stamping tool according to the invention, in which the winding of a pre-wound coil is inserted, and
  • 4 a cross section through an embossing tool according to the invention, in which a pre-wound coil to be embossed is inserted.

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. 1 shows the basic structure of an electrotechnical coil 1, which has been produced by the method according to the invention using an embossing tool 3 according to the invention. A wide variety of functions in electrical circuits and electromechanical applications can be assumed by such an electrotechnical coil 1 . In particular, such an electrotechnical coil 1 as in 2 shown, used in electrical engineering as an important functional component of an electric motor.

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.How out 1 As can be seen, a coil 1 is produced according to the invention with a large number of windings (the individual windings are numbered here and denoted by 1a, 1b, 1c, ..., 1n), the windings spiraling around the coil winding axis A, which is the central axis of the coil 1 corresponds, are arranged.

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.Depending on the application, the geometry of the coil 1 can be adjusted, in particular the number of windings n, the winding cross-section Q (especially the height h and width b of the electrical conductor wound into the coil 1) and the distance between the windings 1a, 1b, 1c, ... , 1n to the coil winding axis A, which does not have to be constant along the coil height (e.g. in the case of conically shaped coils), represent important geometric parameters that are decisive for the subsequent characteristics of the motor, generator or other electrical assembly.

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.In the 1 The coil 1 shown has, viewed in the direction of the coil winding axis A, approximately rectangular windings 1a, 1b, 1c, . . . 1n, so that an approximately cuboid coil 1 is obtained. In addition, the conductor wound into a rectangular spiral has a flat, rectangular cross-section Q, which is particularly evident from the sectional view of 2 clearly emerges.

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.This coil geometry with windings 1a, 1b, 1c, . . 2 to achieve partially illustrated electric motor. This efficiency depends crucially on the fill factor, i.e. on how high the proportion of the electrical conductor is in the available winding space. With conventional coils made of metallic round wire (e.g. made of copper, aluminum or their alloys), the cross-sectional area of the available winding window cannot be fully utilized and the effectively usable area for round wires is theoretically just under 78%. By using a rectangular winding cross section Q, on the other hand, the windings 1a, 1b, 1c, .

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.In the 1 and 2 Due to its rectangular winding cross section Q and its rectangular coil cross section viewed in the direction of the coil winding axis A, the coil 1 shown has a very high structure density and thus a very high fill factor, which reaches values well above 90%. Despite these clear advantages in efficiency, rectangular coils 1 with rectangular winding cross sections Q, as exemplified in 1 and 2 shown, has not yet been widely used in the field of electrical engineering and so, for example, stator windings of conventional rotating electrical machines are today mostly still formed from round wire coils.

Der Hauptgrund für diese fehlende Marktdurchsetzung besteht darin, dass es immer noch hohe Produktionsschwierigkeiten bereitet, den Leiter mit flachem, rechteckigem Leiterquerschnitt 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 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.The main reason for this lack of market penetration is that it still causes great production difficulties to deform or bend the conductor with a flat, rectangular conductor cross-section over the vertical axis in order to let it run spirally around the winding axis A. In particular, according to coils 1 for electric motors 1 and 2 , which are designed in the form of a rectangular spiral with a flat, rectangular winding cross-section geometry, represent a very great technical production challenge, because very small corner radii r must be formed here for each winding 1a, 1b, 1c, ..., 1n. Such small radii r as are required for the coil geometries of today's electric motors for reasons of efficiency cannot be formed using conventional forming processes such as edge bending, flow forming or incremental forming processes.

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.In view of these difficulties, in the DE 10 2010 020 897 A1 suggested that in 1 and 2 produce coil 1 shown by a casting process. In contrast to conventional forming processes, complex coil geometries can also be produced with such a primary forming process. However, in comparison to forming processes, primary shaping processes require a very high level of energy (in the present case for melting the winding material), which is why such primary shaping processes often fall below the economic limit in view of the high energy prices.

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.The exemplary embodiment of a method according to the invention described below not only allows the production of complex geometries of today's coils 1, but is also extremely advantageous economically because of its few forming production steps.

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.Depending on the dimension and size of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n in the final coil 1 (e.g. according to 1 ) the selection of a corresponding endless semi-finished product, e.g. B. in the form of a round wire or square material. The cross section of the semi-finished product should correspond to the cross section Q of the later coil windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n 1 and 2 come as close as possible to reduce the required degree of deformation.

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 rv der Ecken möglichst klein geformt sind, um nahezu der späteren Rechteckform zu entsprechen.The selected semi-finished product is then pre-wound (e.g. by means of a high-speed production device) into a coil 2 with a plurality of windings 2a, 2b. The shape, viewed in the direction of the coil winding axis A, with which the individual windings 2a, 2b of the prewound coil 2 have been wound around the coil winding axis A, e.g. B. round shape, rectangular shape, trapezoidal shape, etc., is also brought as close as possible to the final cross-sectional shape to be achieved. In the case of manufacturing a rectangular coil 1, as in 1 shown, the coil 2 is prewound for this purpose in such a way that it has a rounded rectangle as a cross section perpendicular to the coil winding axis A, the radii rv of the corners being formed as small as possible in order to almost correspond to the later rectangular shape.

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.For better shaping of sharper radii r, the windings 2a of the pre-wound coil 2 are pre-shaped by a radius stamping tool 4 as an additional shaping step after the pre-winding. In 3 this additional forming step performed on the winding 2a of a prewound coil 2 has been illustrated schematically. This figure shows a view in the direction of the coil winding axis A onto a corner area of the winding 2a of the prewound coil 2 inserted into a radius embossing tool 4.

Die vorgewickelte Spule 2 besitzt in diesem Eckbereich einen Radius rv, 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.In this corner area, the prewound coil 2 has a radius rv that is still too large to fit in a single, in 4 illustrated embossing process to be able to be transferred to the target radius r by axial pressure application. Accordingly, after the pre-winding and before the final embossing operation, 4 another radius preforming of the pre-wound coil 2. The individual windings 2a of the pre-wound coil 2 are in this case each on both sides in the direction of the coil winding axis A, ie above and below the winding 2a, by in 3 clamping elements, not shown, are supported in order to avoid an undesired axial movement of the winding 2a during the radius stamping process.

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 rv 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 rP 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 rP in den Eckbereich der Wicklung 2a der vorgewickelten Spule 2 eingeprägt. Um alle Eckradien rv 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 rv der vorgewickelten Spule 2 jeweils ein Radiusprägewerkzeug 4 mit Prägestempel 4a und Prägematrize 4b gemäß 3 aufweist.After the winding 2a has been fixed axially in this way, an embossing die 4a arranged within the winding 2a is pressed radially outwards from the coil winding axis A against the corner radius rv of the winding 2a of the prewound coil 2, the embossing die 4a except for an embossing die 4b drives. The stamper 4a and the stamping die 4b are each provided on their facing surfaces with a radius r P which approximates the narrow radius r of the rectangular windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n in the final coil form 1 is equivalent to. By pressing the winding 2a of the prewound coil 2 between the embossing punch 4a and the embossing die 4b, this narrow radius r P is embossed in the corner region of the winding 2a of the prewound coil 2. In order to be able to emboss all corner radii rv of all windings 2a, 2b of the pre-wound coil 2 simultaneously in a single forming step, a multi-segment radius embossing device is preferably provided, which has a radius embossing tool 4 with an embossing die for each winding 2a, 2b and each corner radius rv of the pre-wound coil 2 4a and embossing die 4b according to 3 having.

Die durch den Prägestempel 4a auf die zu prägende, vorgewickelte Spule 2 ausgeübte Prägekraft ist in 3 durch einen dicken Pfeil Fx,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 rv 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 Fx, Fy gekennzeichnet und sorgen vorteilhafterweise für eine zusätzliche Druckspannung im Biegeradius. Auf diese Weise kann eine durch Überschreiten der Streckgrenze auftretende Rückfederung des Prägeradius rP beseitigt oder zumindest vermindert werden.The embossing force exerted by the embossing die 4a on the prewound coil 2 to be embossed is in 3 marked by a thick arrow F x,y . For better process management, additional forces can act on the straight sections of the winding 2a of the prewound coil 2 in the direction of their corner radius rv. These additional compressive forces applied to the winding 2a (e.g. by means of a corresponding clamping of the pre-wound coil 2) are in 3 also characterized by thick arrows F x , F y and advantageously provide additional compressive stress in the bending radius. In this way, springback of the embossing radius r P that occurs when the yield point is exceeded can be eliminated or at least reduced.

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.The required (in 3 Support of the pre-wound semi-finished product in the direction of the coil axis A (not shown for reasons of clarity) can also be provided by the method described below and in 4 Schematically illustrated embossing tool 3 can be achieved, so that radius embossing tool 4 according to 3 and embossing tool 3 according to FIG 4 can also be combined in a universal embossing device. The embossing of the pre-wound coil 2 can thus be realized in a highly efficient manner both in the radial and in the axial direction of the coil one after the other or simultaneously in a single embossing device.

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.To get the final shape of the pre-wound and using the radius embossing tool 4 after 3 To produce a preformed coil 2, the coil 2 is first stretched in the direction of its coil winding axis A. By pulling apart the pre-wound coil 2, which has been pre-formed in the corner radii, a necessary free distance is produced between the windings 2a, 2b, which is necessary for inserting and forming the coil 2 in the segment-shaped embossing tool 3 according to FIG 4 necessary is.

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.This embossing tool 3 meets the high geometric requirements of the in 1 and 2 end coil geometry shown in a single, final forming step validly manufactured. On the one hand, these high geometric requirements relate to the narrow corner radii r of the rectangular shaped individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n, which after the preforming in the radius stamping tool 4 according to 3 in the embossing tool 3 4 now get their final shape. However, the high geometric requirements relate primarily to the dimensions b, h of the winding cross-sections Q, which according to the sectional view 2 change fundamentally in the final coil shape from winding to winding.

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).In order to ensure a constant current density in the individual coil windings 1a, 1b, 1c, . . . 1n, the surface areas F of the winding cross sections Q of the individual windings 1a, 1b, 1c, 2 constant over the entire coil height. However, the width b of the individual windings increases continuously as the height of the coil 1 increases, so that, in order to maintain a constant surface area F, the height h of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n increases with the height of the coil 1 in the same way dimensions decreases continuously. As a result, the height h and width b of the electrical conductor change depending on the respective winding 1a, 1b, 1c, ..., 1n, with a wide, flat winding (the one in 2 uppermost, outer winding 1n) continuously changes into a narrow but high winding (the one in 2 bottom inner winding 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 Rs 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 Rs 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.The reason for such a complex coil end geometry with continuously changing cross-sectional dimensions b, h along the coil winding axis A of the windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n is that the windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n of the Coil 1 must fill the groove 9 between the radially outwardly projecting pole teeth 6 of the stator 7 as optimally as possible in order to achieve the highest possible filling factor and thus the efficiency of the electric motor. Since this groove 9 to be filled between the pole teeth 6 of the stator 7, viewed in the radial direction Rs of the stator 7, is becoming increasingly wide, the coil windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n of the inserted coil 1 , as viewed in the radial direction Rs of the stator 7, can be equally widened to keep the space factor high. The increase in the width b of the coil windings 1a, 1b, 1c, 1a, 1b, 1c, ..., 1n constant.

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.According to 2 the inward side flank 10 of the individual windings 1a, 1b, 1c, . . . The opposite side flank 8 of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n, which is directed towards the outside of the coil 1, has a corresponding angle of inclination α to the coil winding axis A, with this angle α depending on the motor geometry, in particular on the total number of Coils 1 on the 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.In order to achieve this finally desired coil geometry 2 , In particular the changing width b and height h of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n and the angle α of the side flank 8 of the individual windings 1a, 1b, 1c, ..., 1n to be able to produce reliably , the present invention proposes the pre-wrapped and, if necessary, by means of the radius embossing tool 4 after 3 to subject the preformed coil 2 to a simple embossing process, in which the individual windings 2a, 2b of the prewound/preformed coil 2 are converted into the final winding geometry by the application of axial pressure. The embossing tool 3 used for this embossing process is in 4 shown in the form of a schematically simplified vertical sectional view.

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.The embossing tool 3 contains a segment for each individual winding of the pre-wound coil 2 to be embossed, with 4 for the sake of clarity, only two segments 3a, 3b and two coil windings 2a, 2b are shown. The segments 3a, 3b are in a (not illustrated) cross section perpendicular to the tool axis A, each adapted to the corresponding cross section of the prewound coil 2, as approximately rectangular rings running closed in the circumferential direction of the tool 3. These approximately rectangular ring segments 3a, 3b are arranged coaxially one above the other.

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.The embossing process takes place in such a way that first the pre-wound coil 2 is inserted in the axial direction A into the central, approximately rectangular opening of the segments 3a, 3b of the embossing tool 3. The coil 2 is inserted until each of its individual windings 2a, 2b is supported on a segment 3a, 3b of the embossing tool 3. For this purpose, each segment 3a, 3b has a groove-shaped recess 5a, 5b into which the individual windings 2a, 2b of the coil 2 are inserted at the start of the embossing process.

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.In the exemplary embodiment shown, each segment 3a, 3b is divided into two and in turn consists of two sub-segments 3aa, 3ab, 3ba, 3bb which are arranged coaxially one above the other and are each designed as approximately rectangular rings. The sub-segments 3aa, 3ab, 3ba, 3bb are respectively adapted to the pitch angle of the windings 2a, 2b of the prewound coil 2 with respect to the horizontal inclined. The outer dimensions of the sub-segments 3aa, 3ab, 3ba, 3bb are each flush with one another, whereas the inner dimensions of the two sub-segments 3aa, 3ab, 3ba, 3bb of a segment 3a, 3b are chosen to be different. Due to this difference in the inner dimensions of the sub-segments 3aa, 3ab, 3ba, 3bb, an approximately rectangular circumferential groove 5a, 5b is formed in the segments 3a, 3b, which is delimited radially outwards by the sub-segment 3ab, 3bb with the larger inner dimensions .

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.The prewound coil 2 is accordingly introduced into the embossing tool 3 in such a way that each individual winding 2a, 2b is inserted into the groove-shaped recess 5a, 5b formed in this way. In 4 the pre-wound coil 2 is introduced into the embossing tool 3 in an axial movement from top to bottom until the windings 2a, 2b of the coil 2 with their underside each rest on the lower sub-segment 3aa, 3ba, which has reduced internal dimensions, of the respective segment 3a , 3b come to the edition.

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.So that the axial insertion movement is not impeded by the sub-segments 3aa, 3ba serving as a support, these sub-segments 3aa, 3ba can preferably be moved radially outwards. When the sub-segments 3aa, 3ba, which have reduced internal dimensions, are in the radially extended position, the coil 2 can be pushed into the central opening of the embossing tool 3 up to a certain stop position without any obstacles. Only after this stop position has been reached are the sub-segments 3aa, 3ba with the reduced internal dimensions moved from the radially extended position back into the radially retracted position (in 2 shown) position so that the windings 2a, 2b of the pre-wound coil 2 can be placed on these sub-segments 3aa, 3ba.

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.In 4 the embossing tool 3 is shown in an open operating position, which is assumed when the pre-wound coil 2 is inserted into the embossing tool 3 . The two-part segments 3a, 3b are spaced apart from one another in the axial direction A of the tool 3 in order to be able to accommodate between them the individual windings 2a, 2b, which are also spaced apart from one another due to the stretching of the prewound coil 2. To carry out the embossing process, the embossing tool 3 with the inserted coil 2 to be embossed is brought from the open to a (not shown) closed operating position by the segments 3a, 3b of the embossing tool 3 being moved together in the axial direction A until they stop.

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.This movement of the segments 3a, 3b together causes the individual windings 2a, 2b of the prewound coil 2 to be deformed. When the embossing tool 3 is closed, the segments 3a, 3b move in opposite directions towards one another in the axial direction A until they rest against one another. The adjacent segments 3a, 3b exert an axial pressure symmetrically from both sides on the winding 2a of the prewound coil 2 arranged between them.

Durch diesen axialen Druck verändert sich der Wicklungsquerschnitt Qv, 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 Wicklungsquerschnitt erreicht. Dieser endgültige Wicklungsquerschnitt 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 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.This axial pressure changes the winding cross section Qv with which the coil 2 has already been prewound. When the two segments 3a, 3b come into contact, the winding 2a arranged between them has reached its final winding cross section. This final winding cross-section corresponds to the shape of the cavity between the adjacent segments 3a, 3b when both come into abutment. According to 4 the hollow space that is present when the embossing tool 3 is closed and that determines the cross-sectional geometry of the respective winding 2a, 2b is formed by the peripheral groove-shaped recess 5a, 5b, which is provided in the individual segments 3a, 3b.

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.If the embossing tool 3 is closed, the material of the winding 2a, 2b completely fills the groove-shaped recess 5a, 5b. The recess 5a, 5b and thus the flow of material in the axial direction A is limited in each case by the sub-segments 3aa, 3ba of the contacting segments 3a, 3b, which have reduced internal dimensions, while in the radial direction R outwards the sub-segments 3ab, which have larger internal dimensions , 3bb serve as a limitation for the material flow. In order to also limit the material flow directed radially inwards during the embossing process, a mandrel running in the axial direction A can be introduced centrally within the segments 3a, 3b and thus in the middle of the coil.

Im Ergebnis wird die Wicklung 2a, 2b der vorgewickelten Spule 2 beim Schließen des Prägewerkzeugs 3 in einen Endquerschnitt 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 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.As a result, the winding 2a, 2b of the pre-wound coil 2 is formed into a final cross-section when the embossing tool 3 is closed, which in its trapezoidal shape (ie in height h, in width b and in angle α of the side flank) exactly matches the contour of the respective groove-shaped recess 5a, 5b corresponds. According to the geometric requirements of the final coil shape to be achieved 2 this end cross-section differs from winding to winding. As a result, each groove-shaped recess 5a, 5b is designed differently from segment to segment, which is easily achieved by changing the height and/or the internal dimensions of the sub-segments 3aa, 3ab, 3ba, 3bb installed in the respective segment 3a, 3b can be.

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 ermöglicht wird, die Spulen 1 (trotz ihrer komplexen Geometrie) in großen Stückzahlen wirtschaftlich herzustellen.The invention described above enables the production of coils 1 with complex, winding-dependent geometries from a very cheap starting material sold on the market as a mass product (strip or wire-shaped semi-finished product, e.g. sheet metal strips in square shape, square material or even round wire). The coils are manufactured using a forming process, which makes it possible to economically produce the coils 1 (despite their complex geometry) in large numbers.

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.In the embossing tool 3, the prewound coil 2 is produced all at once by a short embossing stroke, i. H. all the windings 2a, 2b of the coil 2 are formed simultaneously in a single forming step. It is therefore not necessary to initially produce the individual windings 1a, 1b, 1c, . . . The method according to the invention thus permits, on the one hand, very good coil quality (no joints, high surface quality due to the embossing process) and, on the other hand, ensures extremely efficient manufacture of the electrotechnical coil.

Claims (11)

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, wobei 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.Method for producing an electrotechnical coil (1), in which a semi-finished product in the form of a strip or wire is pre-wound to form a coil (2) with one or more windings (2a, 2b), and the pre-wound coil (2) being placed in a stamping tool (3) inserted and when closing the embossing tool (3) is subjected to an axial pressure acting in the direction of the coil winding axis (A) in such a way that the windings (2a, 2b) of the prewound coil (2) are reshaped to achieve the final coil shape, the embossing tool (3) comprises a plurality of segments (3a, 3b) arranged one above the other in its axial direction (A) and running in a closed manner in its circumferential direction, with the segments (3a, 3b) of the embossing tool (3) first are moved apart in the axial direction (A), the pre-wound coil (2) is then threaded axially into the embossing tool (3) until the individual windings (2a, 2b) of the pre-wound coil (2) each come to rest on a segment (3a, 3b) of the embossing tool (3), with the segments (3a, 3b) then being moved together in the axial direction (A), so that the individual windings (2a, 2b) of the pre-wound coil (2nd ) are formed under pressure between adjacent segments (3a, 3b), and after the segments (3a, 3b) have been moved apart, the finished coil (1) is removed from the embossing tool (3). 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.procedure after claim 1 , characterized in that the windings (2a, 2b) of the prewound coil (2) are preformed by a radius embossing tool (4) before being placed in the embossing tool (3), in that a winding (2a) of the prewound coil ( 2) a support is provided and an embossing punch (4a) presses the respective winding (2a) radially outwards from the coil winding axis (A) into an embossing die (4b) in order to form a radius (r) of the winding (2a). 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.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the pre-wound coil (2) is stretched in the direction of its coil winding axis (A) before it is placed in the embossing tool (3). 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.Method according to at least one of the preceding Claims 1 until 3 , characterized in that the windings (2a, 2b) of the pre-wound coil (2) in the embossing tool (3) are formed such that the cross sections (Q) of the individual windings (1a, 1b, 1c, ..., 1n) with respect Width (b) and height (h) and/or the angle (α) of the side flanks (8) of the individual windings (1a, 1b, 1c, ..., 1n) are converted into their final dimensions, depending in particular on the winding (1a, 1b, 1c, ..., 1n) different cross sections (Q) and / or different angles (α) of the side flanks (8) are generated. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug (3) beheizt wird, sodass die Wicklungen (2a, 2b) der vorgewickelten Spule (2) beim Schließen des Prägewerkzeugs (3) warmumgeformt werden.Method according to at least one of the preceding Claims 1 until 4 , characterized in that the embossing tool (3) is heated so that the windings (2a, 2b) of the prewound coil (2) are hot-formed when the embossing tool (3) is closed. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, 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.Method according to at least one of the preceding Claims 1 until 5 , characterized in that after the forming process in the embossing tool (3), the coil (1) is mechanically reworked, in particular to remove burrs from the coil (1). 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 einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) des Werkzeugs (3) jeweils in Anpassung an den entsprechenden Querschnitt der vorgewickelten Spule (2) als annähernd rechteckförmige, in Umfangsrichtung des Werkzeugs (3) geschlossen umlaufende Ringe ausgeführte 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.Embossing tool (3) for producing the final shape of an electrotechnical coil (1) from a prewound coil (2), the embossing tool (3) having a plurality of superimposed ones in the axial direction (A) of the tool (3) and in a cross section perpendicular to the Direction (A) of the tool (3) in each case in adaptation to the corresponding cross section of the pre-wound coil (2) as approximately rectangular, in the circumferential direction of the tool (3) running closed segments (3a, 3b), and wherein these segments ( 3a, 3b) for inserting and forming the individual windings (2a, 2b) of the prewound coil (2) in the axial direction Device (A) of the tool (3) can be moved apart and together. Prägewerkzeug nach Anspruch 7, 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.embossing tool claim 7 , characterized in that the segments (3a, 3b) are each provided with a recess (5a, 5b) for receiving a winding (2a, 2b) of the prewound coil (2). Prägewerkzeug nach Anspruch 7 oder 8, 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.embossing tool claim 7 or 8th , characterized in that the segments (3a, 3b) are divided into at least two sub-segments (3aa, 3ab, 3ba, 3bb) in the axial direction (A) of the tool (3), at least two sub-segments (3aa, 3ab, 3ba, 3bb) of a segment (3a, 3b) in the radial direction (R) of the tool (3) have an offset (ΔR) to one another, this offset (ΔR) in the segment (3a, 3b) having a groove-shaped recess (5a, 5b) for Recording a winding (2a, 2b) of the pre-wound coil (2). Prägewerkzeug nach Anspruch 9, 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.embossing tool claim 9 , characterized in that for the axial threading of the pre-wound coil (2) into the embossing tool (3) in the segments (3a, 3b) of the embossing tool (3) in each case at least one sub-segment (3aa, 3ba) which in the radial direction (R) of the tool (3) is offset further inwards than at least one further sub-segment (3ab, 3bb) of the respective segment (3a, 3b), can be moved radially outwards. Prägewerkzeug nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zentrisch innerhalb der Segmente (3a, 3b) ein in axialer Richtung (A) des Werkzeugs (3) verlaufender Dorn angeordnet ist.Embossing tool according to at least one of the preceding Claims 7 until 10 , characterized in that a mandrel running in the axial direction (A) of the tool (3) is arranged centrally within the segments (3a, 3b).
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