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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule mittels Druckumformung, insbesondere mittels einer Gesenkvorrichtung, wobei aus einem Halbzeug aus einem stromleitenden Werkstoff, insbesondere einem Halbzeug aus einem spulenförmig gewickelten Halbzeug, eine elektrotechnische Spule mit einem besonderes großen Kupferfüllfaktor in der Nut herstellbar ist, sowie die elektrotechnische Spule mit druckumgeformten die Spule ausbildenden Wicklungsschlaufen und Elektromaschinen und elektronische Anordnungen, in denen die elektrotechnische Spule eingesetzt wird.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, elektrotechnische Spulen aus einem gewickelten Rundrad herzustellen, wobei es auf Grund des üblicherweise kreisförmigen Querschnitts des verwendeten Runddrahtes, insbesondere bei konisch ausgeführten Spulen, zu einer mangelnden Raumnutzung und einem geringen Kupferfüllfaktor in den Nuten eines Stators kommt.
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Um einen verbesserten Kupferfüllfaktor zu erzielen, ist bekannt, die elektrotechnische Spule gemäß der Gestalt der Nutöffnung eines Stators zu gießen.
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Eine wesentliche geometrische Einschränkung im Stand der Technik liegt außerdem in den beschränkten Möglichkeiten unterschiedliche Querschnittsformen in den Wicklungsschlaufen unaufwendig ausbilden zu können, insbesondere dann, wenn die Spule eine konische Gesamtform aufweisen soll.
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Üblicherweise kommen Runddrähte für die Wicklungen zum Einsatz, bei denen selbst bei optimaler Ausnützung immer ein nicht nutzbarer Zwischenraum zwischen den einzelnen Wicklungen verbleibt. Durch konische Nuten verschlechtert sich der Kupferfüllfaktor dabei zusätzlich.
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Auch die notwendige Isolation, die Drahteinführung und die diskrete Verteilung der Leiter begrenzen den Kupferfüllfaktor.
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Der letztendlich in der fertigen elektrischen Spule erzielte Kupferfüllfaktor kann in der Planung der elektromagnetischen Auslegung der Spule üblicherweise nur geschätzt, und wegen der Unkenntnis der späteren tatsächlichen Ausführungsform des damit auszubildenden Motors nicht berechnet werden. Daher werden die Elektromotoren auf Grund der höheren notwendigen Masse, die sich auf Grund der Anzahl der Wicklungen und Blechpakete des Startors und des Rotors ergibt, tendenziell zu schwer und zu groß ausgelegt.
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Andere Fertigungsverfahren zum Herstellen von elektrotechnischen Spulen mit einem großen Füllfaktor sind entweder besonders aufwendig oder besonders kostenintensiv.
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Nach der sogenannten Nadelwickeltechnik wird ein spulbildender Draht durch ein Fenster zwischen zwei benachbarten Zähnen eines Rotors hindurch geführt. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist ein bestimmter Freiraum erforderlich, der konstruktiv berücksichtig werden muss und sich negativ auf den Nutfüllfaktor auswirkt.
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Eine weitere Möglichkeit ist das sogenannte Einträufeln von Wicklungen in das Nutfenster über den Zahn hinweg. Dies wird üblicherweise manuell durchgeführt und ist daher entsprechend kostenintensiv.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Spulenwicklungen technische und wirtschaftliche Grenzen bestehen, die keine Ausbildung von elektrotechnischen Spulen erlauben, die sowohl wirtschaftlich hergestellt werden können und gleichzeitig einen großen Füllfaktor, also kaum oder keine Zwischenräume zwischen einer Wicklung und den Zähnen eines Stators, aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die es erlauben, eine elektrotechnische Spule kostengünstig und trotzdem mit einem großen Kupferfüllfaktor herstellen zu können, sowie eine elektrotechnische Spule bereitzustellen, die diese Anforderungen erfüllt. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es erlauben, elektrotechnische Spulen mit unterschiedlichen Wicklungsschlaufen-Querschnitten kostengünstig und unaufwendig herzustellen.
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Die Aufgaben werden hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule, insbesondere für eine Elektromaschine, bereitgestellt, wobei die elektrotechnische Spule aus einem einen vorgewickelten Wicklungsverbund aufweisenden Halbzeug ausgebildet wird, das durch Druckumformung in die endgültige Gestalt der elektrotechnischen Spule umgeformt wird. Mit einer elektrotechnischen Spule ist eine so genannte Luftspule mit und ohne Kern zu verstehen, die eine Wicklungsschlaufe aufweist, die sich spiralförmig zum Ausbilden eines Ringes oder Torus um eine Schwerachse erstreckt. Unter einer Wicklungsschlaufe ist hierbei der spulbildende Draht mit oder ohne Mantelisolierung zu verstehen. Der Draht kann einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Unter einem Wicklungsverbund ist hierbei ein Halbzeug zu verstehen, dass ein ring-, torus- und/oder schraubenlinienförmig, einlagig oder mehrlagig gewickelten Spulendraht, der einen stromleitenden Werkstoff aufweist. Mit der Gestalt der elektrotechnischen Spule ist die Umrisskontur der elektrotechnischen Spule zu verstehen, die der Wicklungsverbund nach der Druckumformung einnehmen soll. Vorteilhafterweise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise eine elektrotechnische Spule hergestellt werden, die unterschiedliche Querschnitte in der Gestalt und in den jeweiligen Wicklungsschlaufen aufweist. Außerdem kann durch die Druckumformung eine elektrotechnische Spule mit einem großen Kupferfüllfaktor ausgebildet werden.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die elektrotechnische Spule durch Druckumformung eines Ausgangs-Halbzeuges und unter Berücksichtung der Anzahl von Wicklungsschlaufenabschnitte des Ausgangs-Halbzeuges gegebenenfalls unter Druckvorumformung eines Zwischen-Halbzeuges oder mehrere Zwischen-Halbzeuge ausgebildet. Je nach verwendetem Druckumformwerkzeug, kann es vorkommen, dass die Wicklungsschlaufenabschnitte quer zur Druckumformvorrichtung ausweichen, bevor die eigentliche Druckumformung des Querschnitts der Wicklungsschlaufenabschnitte stattfindet. Um dieses Ausweichen bzw. Abknicken des Ausgangs-Halbzeuges abzumindern oder zu verhindern, wird bevorzugt das Ausgangs-Halbzeug in mehren Druckumformschritten über Druckformkammern umgeformt, deren Umrisskonturen sich der Umrisskontur der elektrotechnischen Spule unter Berücksichtigung der Anzahl der Wicklungsabschnitte und der Höhe der Spule stufenweise annähern.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Halbzeug aus einem im Wesentlichen kreisförmigen, quaderförmigen Wicklungsverbund ausgebildet, dessen Wicklungsschlaufe schraubenlinienförmig um eine Mittelachse verläuft und die Wicklungsschlaufenabschnitte des Wicklungsverbund schraubenlinienförmig übereinander um einen patrizenartigen Stempeldorn einer Druckumform-Vorrichtung gewickelt oder gelegt werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden, nach dem das Halbzeug in die Druckumform-Vorrichtung eingelegt worden ist, die Matrize und Patrize gegeneinander gefahren, wobei die Wicklungsschlaufenabschnitte des Halbzeuges gegeneinander und gegen die Wandungen der Matrize und Patrize und unter Verursachung eines Werkstoffflusses des Materials der Wicklungsschlaufenabschnitte quer zur Werkzeugbewegung der Matrize bzw. der Patrize umgeformt werden. Unter einem Werkstofffluss ist hierbei unter anderem eine umformbedingte Lageänderung von Material der gegeneinander gedrückten Wicklungsschlaufenabschnitte zu verstehen.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt unter Berücksichtigung einer Ausknickgrenze des Wicklungsverbundes in einer oder mehreren Umformstufen das Ausbilden von Zwischen-Halbzeugen der elektrotechnischen Spule, wobei jede Umformstufe sich der endgültigen Gestalt der elektrotechnischen Spule annährt, bis die vorbestimmte Endform der elektrotechnischen Spule erzielt wird. Unter Endform ist hierbei insbesondere die vorbestimmte Umrisskontur der elektrotechnischen Spule zu verstehen. Unter der Ausknickgrenze ist hierbei der Moment zu verstehen, bei dem die Wicklungsschlaufenabschnitte bedingt durch die auf diese ausgeübte Druckumformkraft, nicht mehr im Verbund zwischen den Wicklungsschlaufenabschnitten gehalten werden sondern seitlich ausweichen, weil insbesondere die zwischen den Wicklungsschlaufenabschnitten wirkende Reibkraft nicht mehr ausreicht, um den ausweichenden Wicklungsschlaufenabschnitt im Wicklungsverbund zu halten.
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Hinsichtlich der Vorrichtung werden die Aufgaben erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule, insbesondere für eine Elektromaschine, bereitgestellt, wobei die elektrotechnische Spule aus einem Halbzeug aus einem vorgewickelten Wicklungsverbund ausgebildet wird, aufweisend eine Patrize und eine Matrize, die gegeneinander verfahrbar sind und in einem geschlossenen Zustand eine Druckumform-Kammer bilden, die im Wesentlichen komplementär zu der Gestalt der zu formenden elektrotechnischen Spule ist. Unter einem Halbzeug ist hierbei ein vorbereiter Verbund aus einer Wicklung aus einem Draht oder ähnlichem zu verstehen, der mittels der Druckumformung aus einer Matrize und einer Patrize umgeformt wird, die in einem geschlossenen Zustand eine Druckumformkammer definieren, deren Innenkontur komplementär zu der Außenkontur bzw. der Gestalt der elektrotechnischen Spule ist.
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Vorrichtung eine Druckumformvorrichtung, insbesondere eine Gesenkvorrichtung, mit einer Patrize, die die Lage des Wicklungsverbandes stabilisiert, und weist eine Matrize auf, die gegen die Patrize zum Formen der elektrotechnischen Spule gefahren wird, wobei die Matrize und die Patrize in einem geschlossenen Zustand eine Kammer definieren, deren Abmessung mit der Gestalt der elektrotechnischen Spule korrespondieren.
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung bildet die Patrize einen Stempel, um den herum der Wickelverbund anordenbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Wicklungsverband vor dem Umformen einfach auf den Stempel gesteckt werden kann.
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung sind die gegenüberliegenden Wandungen der Patrize und Matrize im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und/oder wenigstens abschnittsweise gegeneinander geneigt. Die Wandungen der Matrize und Patrize definieren die Außenumrisse der zu bildenden elektrotechnischen Spule. Je nach vorbestimmter Gestalt der elektrotechnischen Spule, wie beispielsweise eine Spule mit geraden, konvexen, konkaven oder konischen Querschnittsverläufen sind die Wandungen der Matrize und Patrize entsprechend geformt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrotechnische Spule bereitgestellt, insbesondere für eine Elektromaschine oder eine elektrotechnische Anordnung, vorzugsweise hergestellt nach einem oben definierten Verfahren, die eine sich schraubenlinienförmig erstreckende Wicklungsschlaufe aufweist, wobei eine Kontaktfläche zwischen benachbarten Wicklungsschlaufenabschnitten der elektrotechnischen Spule eine durch Druckumformung bedingte Werkstoffflusszone aufweist, die sich hin zu einer Seitenfläche der elektrotechnischen Spule erstreckt. Unter einer Wicklungsschlaufe ist hierbei der die Spule bildende Draht eines Halbzeuges zu verstehen, das schraubenlinienförmig vorgewickelt bereitgestellt wird. Vorteilhafterweise kann das grob vorgewickelte Halbzeug mittels der Druckumformung in die exakte vorbestimmte Gestalt einer elektrotechnischen Spule auf einfache und kostengünstige Weise umgeformt werden.
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Nach einer Ausführungsform der elektrotechnischen Spule weist der jeweilige Wicklungsschlaufenabschnitt an seiner Seitenfläche, die sich quer von der Kontaktfläche zwischen benachbarten Wicklungsschlaufenabschnitten erstreckt, abschnittsweise eine Werkstoffstauzone auf, die sich fallweise bis in den Randbereich der Wicklungsschlaufe erstreckt.
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Nach einer Ausführungsform der elektrotechnischen Spule sind die Querschnitte der Wick-lungsschlaufenabschnitte bei gleichem Flächeninhalt unterschiedlich geformt.
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Nach einer Ausführungsform der elektrotechnischen Spule sind die Querschnitte der Wicklungsschlaufenabschnitte im Wesentlichen rechteckig mit verrundeten Kanten, quaderförmig und/oder trapezoidal ausgebildet.
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Nach einer Ausführungsform der elektrotechnischen Spule ist die elektrotechnische Spule von einem Runddraht und oder einem Rechteckdraht mit oder ohne Mantelisolierung ausgebildet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen.
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1 eine schematische Teilschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule für eine Elektromaschine, in einem geöffneten Zustand, beim Einbringen eines Ausgangs-Halbzeuges, links von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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1a eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule für eine Elektromaschine von 1, in einem geschlossenen Zustand, mit dem eingelegten Ausgangs-Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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2 eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule von 1, in einem Umformzwischenschritt an dem eingelegten Ausgangs-Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung, dargestellt zum besseren Verständnis,
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3 eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule von 1, in einem Endumformschritt an dem eingelegten Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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3a eine schematische Teilschnittansicht der in dem Endumformschritt von 3 geformten elektrotechnischen Spule in einem vergrößerten Maßstab,
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4 eine schematische Teilschnittansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines Zwischen-Halbzeugs einer elektrotechnischen Spule für eine Elektromaschine in einem geöffneten Zustand und beim Einbringen eines Ausgangs-Halbzeuges, links von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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4a eine schematische Teilschnittansicht der anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines Zwischen-Halbzeugs einer elektrotechnischen Spule für eine Elektromaschine von 1, in einem geschlossenen Zustand, mit dem eingelegten Ausgangs-Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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5 eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen eines Zwischen-Halbzeugs in einem Endumformschritt an dem eingelegten Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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5a eine schematische Teilschnittansicht des in dem Endumformschritt von 5 geformten Zwischen-Halbzeugs in einem vergrößerten Maßstab,
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6 eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule von 1, in einem geöffneten Zustand, beim Einbringen des Zwischen-Halbzeuges, links von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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6a eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule für eine Elektromaschine von 1, in einem geschlossenen Zustand, mit dem eingelegten Zwischen-Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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7 eine schematische Teilschnittansicht der Vorrichtung zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule von 1, in einem Endumformschritt an dem eingelegten Zwischen-Halbzeug, rechts von der Mittelachse M der Vorrichtung,
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7a eine schematische Teilschnittansicht der in dem Endumformschritt von 7 geformten elektrotechnischen Spule, und
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8a–8c schematische Teilschnittansichten von Druckumformschritten an einem Zwischen-Halbzeug mit einer Anzahl von Wicklungs-Schlaufe, die ein Ausknicken des Zwischen-Halbzeuges begünstigt, ohne mögliche Zwischen-Umformschritte.
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In 1 zeigt in einer schematischen Teilschnittansicht eine Vorrichtung 1 zum Herstellen einer elektrotechnischen Spule 40b, 40 (siehe 3a und 7a) für eine Elektromaschine oder elektrotechnische Anordnung, wie einen Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator, wobei die elektrotechnische Spule 40b, 40 durch Druckumformung eines Halbzeuges 40, 50 aus einem Wicklungsverbund 40, der eine Wicklungsschlaufe 41 aufweist, der bevorzugt einen stromleitenden Runddraht mit einer isolierenden Ummantelung (nicht dargestellt) aufweist, hergestellt wird.
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Der in 1 dargestellte Wicklungsverbund 40 ist in einer Teilschnittansicht angedeutet und weist bevorzugt eine Wicklungsschlaufe 41 auf, die sich um die Schwereachse des Wicklungsverbundes schraubenlinienförmig erstreckt und übereinander angeordnete Wicklungsschlaufenabschnitte 41a bis 41e aufweist, die bevorzugt einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt vor der Druckumformung aufweisen.
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Der Wicklungsverbund 40 kann auch Wicklungsschlaufenabschnitte 41a bis 41e aufweisen, die einen im Wesentlichen rechteckigen oder trapezoidalen Querschnitt vor der Druckumformung aufweisen.
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Die Vorrichtung 1 weist einen Stempel 10 und eine Matrize 20 auf, die eine Kammer 30 definieren, in der die Druckumformung des Halbzeuges 40, 50 zu der elektrotechnischen Spule 40b, 40 durchgeführt wird.
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In 1 ist die Vorrichtung 1 in einem geöffneten Zustand beim Einbringen eines Ausgangs-Halbzeuges 40, links von der Mittelachse M der Vorrichtung 1 dargestellt.
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In 1a ist die Vorrichtung 1 in einem geschlossenen Zustand vor dem eigentlichen Druckumformen mit eingelegtem Halbzeug 40 dargestellt.
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Das Halbzeug wird von einem Wicklungsverbund 40 ausgebildet, der Wicklungsschleifenabschnitte 41a bis 41e aufweist, die eine schraubenlinienförmig verlaufende Spule aus einem ungeformten oder teilumgeformten Spulendraht definieren, der zu der elektrotechnischen Spule 40b, 40 umgeformt werden soll. Die Wicklungsschleifen 41 weisen bevorzugt einen isolierten Runddraht auf, so dass eine nachträgliche Isolierung der einzelnen Wicklungsschlaufen des Wicklungsverbundes 40 nicht mehr notwendig ist.
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Die Wicklungsschlaufen 41 können aber auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wie dies beispielsweise in 5a dargestellt ist.
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2 und 3 zeigt eine Zwischenstufe bzw. eine Endstufe der Umformschritte zum Erzielen der elektrotechnischen Spule 40a aus dem Wicklungsverbund 40 aus im Wesentlichen kreisförmigen Wicklungsschlaufen 41.
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Eine Druckumformsimulation der Druckumformung des Wicklungsverbundes 40 aus einem Runddraht 41 ist in 2 gezeigt.
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Wie dort ersichtlich kann bei der Druckumformung, bei der die Matrize 20 gegen die Patrize 10 verfahren wird, bei der Verwendung von einem Wicklungsverbund 40 aus einer Wicklungsschlaufe 41 aus Draht mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt eine Tendenz abgelesen werden, dass während des Pressvorganges auf Grund der konischen Wandungen der Matrize 30 und des kreisförmigen Querschnittes des Drahtes, die Wicklungsschlaufenabschnitte während des Druckumformens quer zur Druckumformrichtung ausweichen, so dass der der Wicklungsverband 40 ausknicken kann, bevor die Querschnitte der Wicklungsschlaufenabschnitte umgeformt werden.
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2 zeigt eine Zwischenstufe, bei der die Matrize 20 und der Stempel 10, nachfolgend auch Patrize genannt wird, zum Ausbilden der elektrotechnischen Spule näher gegeneinander gefahren worden sind, wobei deutlich ein Ausknicken des Wicklungsverbandes 40 zu erkennen ist. Würde die Matrize 20 weiter auf den Stempel zugefahren werden, würde sich eine elektrotechnische Spule wie in 3 gezeigt ausbilden, deren Wicklungsschlaufenabschnitte 41a bis 41e eher keilförmige Querschnitte aufweisen. Hier ist deutlich der unregelmäßige Verlauf der einzelnen Querschnitte der einzelnen Wicklungsschlaufenabschnitte 41a bis 41e zu erkennen.
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3 zeigt in einer schematischen Teilschnittansicht den Stempel 10 und die Matrize 30 in einem Endzustand der Druckumformung des in 1 gezeigten Wickelverbundes 40, nachdem die Druckumformung nach einem Ausknicken des Wickelverbundes 40a fortgesetzt worden ist. Im Endzustand der Druckumformung ist eine elektrotechnische Spule 40b ausgebildet, die im Detail in 3a in einem größeren Maßstab dargestellt ist.
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Die in 3a in einer schematischen Teilschnittansicht dargestellte elektrotechnische Spule 40b weist Wicklungsschlaufen 41a bis 41e mit unterschiedlichen Querschnitten auf, die von im Wesentlichen rechteckig bis trapezoidal reichen. Ferner sind die Neigungsflächen 42 der angrenzenden Wicklungsschlaufen 41a bis 41e unterschiedlich geneigt, insbesondere zur Mitte der elektrotechnischen Spule 40a. Zwischen den angrenzenden Wicklungsschlaufen 41a bis 41e und an der oberen und unteren Außenfläche 45, 46 der elektrotechnischen Spule 40a sind durch Druckumformung bedingte Werkstoffflusszonen 80 entstanden, die sich hin zu der jeweilige Seitenfläche 43, 44 der elektrotechnischen Spule erstrecken.
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Die Wandungen 21 und 11 der Matrize 20 bzw. des Stempels 11 begrenzen den Werkstofffluss, so dass die Werkstoffflusszone von den Wandungen umgeleitet wird und sich an den Seitenflächen Werkstoffstauzonen 90 bilden. Unter einem Werkstofffluss ist hierbei die Verformung eines Wicklungsabschnittes unter einer Lageänderung des Materials des Wicklungsabschnittes zu verstehen. Unter einer Werkstoffstauzone 90 ist hierbei eine Verhinderung des Werkstoffflusses zu verstehen, der durch die Wandungen der Matrize und der Patrize begrenzt und verhindert wird.
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Außerdem ist der Druckumformprozess nicht vollständig durchgeführt worden, da zwischen den Kontaktflächen Nutabschnitte 47 sind. Bevorzugt sind nach der Druckumformung zwischen den Kontaktflächen keine Nutabschnitte vorhanden, wie beispielsweise in 7 der umgeformten elektrotechnischen Spule 70 dargestellt, die einen sehr großen Kupferfüllfaktor aufweist, der theoretisch bei etwa 100% liegen dürfte.
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Um diesen ungleichmäßigen Querschnittsverlauf und die Bildung von Nutabschnitten 47 zu verhindern oder wenigstens abzumindern, wird bevorzugt eine Vorform 50 des Wicklungsverbandes 40 ausgebildet, die einen eher gleichmäßigen Querschnittsverlauf über den spiralförmigen Verlauf des Wicklungsverbandes aufweist. Hierfür wird eine Zusatzmatrize 60 verwendet, deren Wandung 61 im wesentlichen parallel zu der Wandung 11 des Stempels 10 verläuft, und gemeinsam eine Formkammer 31 bilden, deren definierte Abmessungen in einem geschlossenen Zustand des Stempels 10 und der Matrize 60 im wesentlichen der Außengestalt der Vorform bzw. dem Zwischen-Halbzeug 50 entsprechen.
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4 zeigt schematisch eine Vorrichtung 2 zum Herstellen eines Zwischen-Halbzeuges 50 mit dem das oben beschriebene Ausknicken vermieden werden kann.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 2 zum Herstellen des Zwischen-Halbzeuges 50 wird als Zwischenstufe ein Wicklungsverbund 40 mit Wicklungsschleifenabschnitten 41 mit jeweils einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitten zu einem Wicklungsverband 50 mit Wicklungsschleifenabschnitten 51 jeweils mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten vorgebildet, um ein Ausknicken des Wicklungsverbundes 40, wie in 2 gezeigt, zu vermeiden.
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4a zeigt die Druckumformvorrichtung 2 in einer Zwischenposition, in der der Sternpel 10a bzw. Patrize 10a in Druckumformrichtung V gegen die Matrize 60 gefahren worden ist, wobei der Wicklungsverbund 40 noch keine Druckumformung erfahren hat. Die Matrize 60 und der Stempel 10a definieren den Druckumformraum 31, der, wie in 4 gezeigt, von den Wandungen 11a, 61 des Stempel 10a und der Matrize 60 definiert wird.
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Die Matrize 60 kann auch durch eine Modifikation der Matrize 20 ausgebildet werden, indem der trapezoidale Bereich 21 mittels eines Ausgleichstückes (nicht dargestellt) ausgefüllt wird, das an der Innenwandung 21 der Matrize 20 lösbar montiert werden kann.
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Nachdem das Zwischen-Halbzeug 50 in die vorbestimmte Gestalt gebracht worden ist, wie in 5 gezeigt, wird die Vorform 50 aus der Druckumformvorrichtung 2 von 4 entnommen und in die Druckumformvorrichtung 1 aus 1 überführt, wie in 6 dargestellt, die eine Matrize 20 mit einer Wandung 21 aufweist, die gegenüber der Wandung 11 des Stempels 10 geneigt ist.
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Die Druckumformkammer 30 der Druckumformvorrichtung 1 entspricht hier im Wesentlichen der endgültigen Gestalt und der Umrisskontur der auszubildenden elektrotechnischen Spule 70.
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Der in 5a gezeigte Wicklungsverbund 50 ist ein Zwischen-Halbzeug, das Im Querschnitt rechteckige bzw. trapezoidale Wicklungsschlaufen 41, 41a bis 41e aufweist.
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Das in 5a dargestellt Zwischen-Halbzeug 50 wird vorzugsweise in einen Vorformdruckraumverfahren mit einem Stempel 10 und einer Matrize 50 ausgebildet, wie in den Schritten der Druckumformung in 4, 4a und 5 schematisch gezeigt ist.
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5a zeigt in einer schematischen Teilschnittansicht den Wicklungsverband 50 bzw. das Zwischen-Halbzeug 50, wobei die ursprünglich im Wesentlichen kreisförmigen Wicklungsschlaufenabschnitte 51a bis 51e nach der Umformung in der Druckumformvorrichtung 2 einen im Wesentlichen quaderförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Kontaktflächen 42 der Umformung des Zwischen-Halbzeugs 50 hin zu einem mehr trapezoidalen Querschnitt einfacher, da die geradlinigen Kontaktflächen ein Abknicken eher einschränken. Ein Abknicken kann durch die im Wesentlichen geradlinig verlaufenden Kontaktflächen 42 verhindert werden, da diese eine größere Kontaktfläche 42 bereitstellen, die die Lage der übereinander angeordneten Wicklungsschlaufenabschnitte 51a bis 51e stabilisiert.
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6 und 6a zeigen die Druckumformvorrichtung 1 jeweils in einer offenen linksseitig der Mittelachse M und einer geschlossenen Position der Matrize 20 gegenüber dem Stempel 10. Das mittels der Druckumformrichtung 2 hergestellte Zwischen-Halbzeug 50 wird in 6 in der offenen Druckumformvorrichtung 1 um den Stempel 11 herumgelegt und nachdem das Zwischen-Halbzeug 50 an der vorbestimmen Position an dem Stempel ist, wird der Stempel in die in 6a gezeigte Zwischenposition verfahren, bei der das Zwischen-Halbzeug 50 noch keine wesentliche Verformung erfährt.
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7 zeigt die elektrotechnische Spule 70 in der Druckumformvorrichtung 1, nachdem die Matrize gegenüber dem Stempel in ihre endgültige Pressfunktion zum Ausbilden der elektrotechnischen Spule 70 gefahren worden ist.
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7a zeigt in einer schematischen Teilschnittansicht die elektrotechnische Spule 70, nachdem sie mittels der Druckvorrichtung 1 aus dem Zwischen-Halbzeug 50 in die vorbestimmte Enddruckform gebracht worden ist.
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Wie hieraus ersichtlich, weist die elektrotechnische Spule 70 Wicklungsschlaufenabschnitte 71a bis 71e auf, die einen im Wesentlichen trapezoidalen Querschnitt unterschiedlicher Abmessungen aufweisen, wobei deren Kontaktflächen 42 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind mit leichten Abweichungen. Zwischen den Kontaktflächen 42 ist eine Werkstoffflusszone 80 ausgebildet, die seitlich von der Werkstoffstauzone 90 begrenzt wird. Die elektrotechnische Spule 70 weist einen theoretischen Kupferfüllfaktor von etwa 100% auf, da keine Nutabschnitte 47 erkennbar sind.
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Das in 7a gezeigte Drucksimulationsergebnis einer elektrotechnischen Spule 70 zeigt, dass durch Verwendung des vorgeformten Zwischen-Halbzeugs 50 ein Ausknicken der Halbzeuge vermieden werden kann.
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In 8a bis 8c ist eine Drucksimulation eines Zwischen-Halbzeuges 80 gezeigt ist, wobei die rechteckige Querschnittsform der Wicklungsschlaufen des Zwischen-Halbzeugs 80 nur begrenzt ein Ausknicken des Zwischen-Halbzeugs verhindern kann.
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Das Zwischen-Halbzeug 80 weist eine Anzahl von Wicklungsschlaufen 81a bis 81f auf, die bei der von der Patrize 10 und der Matrize 20 definierten Druckumformkammer 30 ein Ausknicken eher begünstigt.
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Insbesondere dann sind mehrere Umformschritte mit unterschiedlich geneigten Matrizen- oder Patrizen-Wandungen notwendig, da mit der Anzahl der Windungen die Höhe der elektrotechnischen Spule steigt und auch bei einem rechteckigen Querschnitt der Wicklungsschlaufenabschnitte 51 ein Ausknicken stattfinden kann, wie die Druckumformsimulation in 8a bis 8c zeigt.
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Um diesem Ausknicken entgegen zu wirken, können beispielsweise unterschiedliche Matrizen 20, 60 mit dem Stempel 10 kombiniert werden, die unterschiedliche Neigungen und Abstände aufweisen, wobei die Neigung und der Abstand der Matrizen- und/oder Patrizen-Wandung stufenweise geändert wird, bis die gewünschte endgültige Form der elektrotechnischen Spule mit der entsprechenden Flankenneigung ausgebildet ist.
