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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompaktieren von Einzeldrähten nach Anspruch 1, ein Drahtbündel nach Anspruch 6 sowie eine Vorrichtung zum Kompaktieren von Einzeldrähten nach Anspruch 7.
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In der Elektro-Motoren-Fertigung werden häufig Drahtpakete, die aus mehreren isolierten Einzeldrähten bestehen, verwendet. Für die maschinelle Weiterverarbeitung dieser Drahtpakete ist es erforderlich, diese insbesondere an deren Enden in eine definierte und reproduzierbare Form zu bringen bzw. dort zu kompaktieren. Da es hierfür bisher kein maschinelles Verfahren gibt, ist eine Automatisierung kaum möglich und viele Arbeitsschritte in der Elektro-Motoren-Fertigung müssen in Handarbeit durchgeführt werden. Dies kostet Zeit und führt darüber hinaus zu uneinheitlichen Ergebnissen bezüglich der definierten Form der Enden der Drahtpakete.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile beim der Herstellung von Drahtpaketen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostgünstiges und einfaches Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Kompaktieren von Einzeldrähten, insbesondere von isolierten Einzeldrähten, zu schaffen. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein reproduzierbar herstellbares Drahtbündel bereitzustellen.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Drahtbündel mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder dem Drahtbündel beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens und zum Herstellen des Drahtbündels und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kompaktieren von Einzeldrähten offenbart, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen einer Mehrzahl von Einzeldrähten, wobei die Einzeldrähte jeweils einen Drahtkern und eine Isolationsschicht um den Drahtkern aufweisen,
- – wenigstens teilweise nebeneinander Anordnen der Einzeldrähte, und
- – Druckbeaufschlagen der nebeneinander angeordneten Einzeldrähte zum Aneinanderdrücken der Einzeldrähte,
wobei die Einzeldrähte wenigstens abschnittsweise bis zu einer Schmelztemperatur der Isolationsschicht oder darüber hinaus erwärmt werden und bei einem anschließenden Abkühlvorgang über eine stoffschlüssige Verbindung der jeweiligen Isolationsschichten miteinander zu einem Drahtbündel verbunden werden.
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Dadurch ist es auf schnelle und einfache Weise möglich, Einzeldrähte definiert und reproduzierbar zu Drahtbündeln zu kompaktieren, wodurch nicht nur dieser Arbeitsschritt sondern auch Arbeitsschritte nach dem Kompaktieren automatisiert durchführbar sind. Handarbeiten sind nicht mehr oder kaum noch erforderlich. Durch den höheren Automatisierungsgrad kann ferner eine wesentliche Erhöhung der Taktzeit in der Fertigung, insbesondere der Elektro-Motoren-Fertigung erzielt werden, wodurch eine entsprechende Kosteneinsparung möglich wird.
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Unter einem Kompaktieren der Einzeldrähte ist vorliegend insbesondere ein Zusammendrücken oder Zusammenführen der Einzeldrähte zu verstehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Mehrzahl von wenigen oder vielen Einzeldrähten bereitgestellt bzw. kompaktiert werden. So können beispielsweise nur ein paar wenige, mehrere zehn, mehrere hundert oder mehr Einzeldrähte kompaktiert werden. Der Drahtkern der verwendeten Einzeldrähte weist bevorzugt Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, auf und kann ein einzelnes Kernelement oder eine Mehrzahl von Kernelementen aufweisen. Die Isolationsschicht der verwendeten Einzeldrähte ummantelt den Drahtkern bevorzugt über seine gesamte Länge, insbesondere bis zu seinen Endbereichen.
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Die Einzeldrähte werden bevorzugt derart nebeneinander angeordnet, dass sie parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Besonders bevorzugt ist es, dass die Einzeldrähte derart nebeneinander angeordnet werden, dass sich ihre Enden nebeneinander oder im Wesentlichen nebeneinander befinden, d. h., möglichst kein Ende der jeweiligen Einzeldrähte über oder zumindest nicht deutlich über das nebeneinander angeordnete Paket an Einzeldrähten hinausragt. Die jeweiligen Einzeldrähte müssen sich dabei nicht zwangsläufig berühren. Umso näher sie nebeneinander und parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet werden, desto besser ist dies für das erfindungsgemäße Verfahren. So ist es bevorzugt, wenn die Einzeldrähte derart nebeneinander angeordnet werden, dass sie in ihren Endbereichen höchstens zwei Einzeldrahtdicken, besonders bevorzugt höchstens eine Einzeldrahtdicke, voneinander beabstandet sind. Als Endbereich der Einzeldrähte ist ein Ende, insbesondere ein Bereich um die Stirnseite der jeweiligen Einzeldrähte zu verstehen.
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Dass die Einzeldrähte wenigstens teilweise nebeneinander angeordnet sind bedeutet, dass wenigstens ein Teil eines Einzeldrahtes neben einem Teil eines anderen Einzeldrahtes angeordnet wird. Bevorzugt wird wenigstens der Endteil bzw. ein Teil im Endbereich der jeweiligen Einzeldrähte nebeneinander angeordnet.
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Eine Druckbeaufschlagung steht im Sinne der Erfindung für eine gezielte Kraftübertragung auf die jeweiligen Einzeldrähte, sodass diese aneinander geführt und vorzugsweise miteinander in Kontakt gebracht werden. Die Druckbeaufschlagung bzw. das Aneinanderdrücken der Einzeldrähte wird bevorzugt derart durchgeführt, dass sich die jeweiligen Isolationsschichten wenigstens teilweise berühren. Hierbei kann es von Vorteil sein, dass die Einzeldrähte derart Druckbeaufschlagt werden, dass sich die jeweiligen Isolationsschichten bei einer gegenseitigen Kontaktierung bzw. Berührung verformen. Dabei kann ein vorteilhaftes Kompaktieren erzielt werden.
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Unter der wenigstens abschnittsweisen Erwärmung der Einzeldrähte ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass nicht die jeweiligen ganzen Einzeldrähte zu erwärmen sind. Bevorzugt ist es, wenn die jeweiligen Einzeldrähte nur in einem Endbereich, in welchem sie miteinander zu verbinden sind, erwärmt werden. Dadurch kann Energie gespart werden, da nicht der jeweilige gesamte Einzeldraht erwärmt werden muss.
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Dass die Einzeldrähte bis zu einer Schmelztemperatur der Isolationsschicht oder darüber hinaus erwärmt werden bedeutet, dass insbesondere die jeweiligen Isolationsschichten bis zu ihrer Schmelztemperatur erwärmt werden. Genauer gesagt werden die Einzeldrähte derart bis zur Schmelztemperatur der Isolationsschicht oder darüber hinaus erwärmt, dass sich der Aggregatszustand der jeweiligen Isolationsschichten von einem festen oder im Wesentlichen festen Zustand in einen flüssigen oder im Wesentlichen flüssigen bzw. fließenden Zustand verändert. Auf welche Temperatur die Einzeldrähte tatsächlich erwärmt werden ist abhängig vom verwendeten Isolationsmaterial.
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Der anschließende Kühlvorgang kann durch weitere Hilfsmittel beschleunigt oder verlangsamt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Abkühlvorgang unter Umgebungsbedingungen ohne weitere Hilfsmittel stattfindet bzw. durchgeführt wird. Dadurch können zusätzliche Kosten vermieden werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung können die Einzeldrähte mittels Ultraschall erwärmt werden. Dadurch können die Isolationsschichten besonders einfach, schnell und materialsparend stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Es ist weder Verbindungsmaterial noch eine besondere Wärmekammer erforderlich. Bei einem gemäß der vorliegenden Erfindung nutzbaren Ultraschall-Schweißverfahren wird die erforderliche Wärme durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erreicht, welche zwischen den Einzeldrähten durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht. Mit Hilfe eines Generators wird hochfrequenter Wechselstrom erzeugt und über ein geschirmtes Kabel zu einem Ultraschallwandler, einem sogenannten Konverter übertragen, der daraus mit Hilfe des piezoelektrischen oder des magnetostriktiven Effekts mechanische Ultraschallfrequenzen bzw. entsprechende Schwingungen erzeugt. Diese Schwingungen werden über ein Amplitudentransformationsstück auf eine Sonotrode übertragen. Die Sonotrodenschwingungen werden wiederum unter Druck und mit Hilfe von Spannbacken einer Pressvorrichtung auf die zu verbindenden Einzeldrähte übertragen. Diese erwärmen sich und die jeweiligen Isolationsschichten beginnen zu erweichen, wodurch der Dämpfungskoeffizient ansteigt. Die Zunahme des Dämpfungskoeffizienten führt zu höherer innerer Reibung, was die Temperaturerhöhung beschleunigt. Durch das mit der Temperaturerhöhung verbundene Erweichen und Aufschmelzen der Einzeldrähte bzw. der Isolationsschichten werden diese verschweißt und in eine definierte und zusammenhängende Form gebracht. Alternativ zu der Erwärmung mittels Ultraschall sind auch andere Schweißverfahren, bevorzugt Pressschweißverfahren, besonders bevorzugt Reibschweißverfahren denkbar.
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Von weiterem Vorteil ist es, wenn Einzeldrähte mit einer Lackschicht als Isolationsschicht verwendet werden. Dadurch kann eine besonders einfache und zuverlässige stoffschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen Isolationsschichten hergestellt werden. Als Lacke werden vorliegend flüssige oder pulverförmige Beschichtungsstoffe verstanden, die dünn, bevorzugt mehrfach, auf den jeweiligen Drahtkern aufgetragen werden. Die Lackschicht entspricht beispielsweise zwischen 5% und 15% des Gewichts des Drahtkerns, wodurch ein bevorzugtes Verhältnis zwischen Isolier- und Verbindungseigenschaft und Gewichts- und Volumenzunahme erzielt werden kann.
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Außerdem können die Einzeldrähte derart druckbeaufschlagt und erwärmt werden, dass in dem Drahtbündel keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den jeweiligen Drahtkernen hergestellt wird. Dadurch können die Einzeldrähte bzw. das Drahtbündel bei der Fertigung, insbesondere bei der Elektro-Motoren-Fertigung automatisiert und somit besonders einfach und schnell weiterverarbeitet werden. Hierbei ist es wichtig, dass die Einzeldrähte bzw. die Isolationsschichten nicht zur stark erwärmt werden, so dass sich die Drahtkerne stets in einer Position befinden, in welcher sie vollständig von einer Isolationsschicht ummantelt sind.
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Darüber hinaus kann das Drahtbündel wenigstens abschnittsweise im Querschnitt zu einer definierten geometrischen Figur geformt werden. Wenn beispielsweise ein Endabschnitt des Drahtbündels in eine definierte und reproduzierbare Form gebracht wird, kann die Weiterverarbeitung des Drahtbündels weiter vereinfach werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein Endbereich des Drahtbündels in eine rechteckige oder im Wesentlichen rechteckige, bevorzugt in eine quadratische oder im Wesentlichen quadratische Form gebracht wird, welche beispielsweise bei der Elektro-Motor-Fertigung von Vorteil ist. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine rechteckige Form bzw. Querschnittsform eines Abschnitts des Drahtbündels beschränkt. So kann es beispielsweise auch von Vorteil sein, wenn ein Endbereich des Drahtbündels in eine elliptische, bevorzugt kreisrunde Form gebracht wird. Das Ausbilden der definierten geometrischen Figur wird bevorzugt während der Druckbeaufschlagung, der Erwärmung und/oder des Abkühlvorgangs durchgeführt, insbesondere in einem Zustand, in welchem sich die Isolierschichten der Einzeldrähte in einem flüssigen bzw. plastisch verformbaren Zustand befinden. Dadurch ist es besonders einfach möglich, das Drahtbündel zur gewünschten geometrischen Figur zu formen. Unter einer definierten geometrischen Figur ist vorliegend eine Figur zu verstehen, welche auf definierte Weise, beispielsweise durch ein entsprechend geformtes Presswerkzeug, reproduzierbar herstellbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Drahtbündel bereitgestellt, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist und eine Mehrzahl von Drahtkernen und eine Isolationsschicht um die Drahtkerne aufweist. Ein derartiges Drahtbündel eignet sich besonders gut für die Weiterverarbeitung in der Fertigung, insbesondere in der Elektro-Motoren-Fertigung.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Kompaktieren von Einzeldrähten mit einer Pressvorrichtung zum Druckbeaufschlagen von nebeneinander angeordneten Einzeldrähten mit jeweils einem Drahtkern und einer Isolationsschicht um den. Drahtkern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Heizvorrichtung zum wenigstens abschnittsweise Erwärmen der Einzeldrähte bis zu einer Schmelztemperatur der Isolationsschicht oder darüber hinaus auf, um die Einzeldrähte über eine stoffschlüssige Verbindung der jeweiligen Isolationsschichten miteinander zu einem Drahtbündel zu verbinden. Die Heizvorrichtung ist bevorzugt als Ultraschall-Heizvorrichtung ausgebildet. Die Pressvorrichtung und die Heizvorrichtung sind ferner derart konfiguriert sind, dass die Einzeldrähte derart druckbeaufschlagt und erwärmt werden, dass in dem Drahtbündel keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den jeweiligen Drahtkernen hergestellt wird. Darüber hinaus kann die Pressvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass das Drahtbündel wenigstens abschnittsweise im Querschnitt zu einer definierten geometrischen Figur formbar ist. Damit bringt diese erfindungsgemäße Vorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Draufsicht einer Mehrzahl von Einzeldrähten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Seitenansicht einer Mehrzahl von Einzeldrähten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Draufsicht eines Drahtbündels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine Seitenansicht eines Drahtbündels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 eine Vorrichtung zum Kompaktieren von Einzeldrähten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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6 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Kompaktieren von Einzeldrähten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Draufsicht vier Einzeldrähte 10 mit jeweils einem Drahtkern 12 und einer Isolationsschicht 14, die nebeneinander angeordnet sind. 2 zeigt in einer Seitenansicht eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Einzeldrähte 10.
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3 zeigt ein Drahtbündel 20 mit vier Drahtkernen 12 und einer Isolationsschicht 14. 4 zeigt in einer Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Drahtbündel 20.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zum Kompaktieren von Einzeldrähten 10. Genauer gesagt zeigt 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 gemäß einer Ausführungsform während eines Pressvorgangs, in welchem eine Pressvorrichtung 34 mit zwei Spannbacken die Mehrzahl der Einzeldrähte 10 durch Druckbeaufschlagung in Pfeilrichtung zu einem Drahtbündel 20 mit Drahtkernen 12 und einer Isolationsschicht 14 kompaktiert. Hierzu dient ferner eine Heizvorrichtung 32 in Form einer Sonotrode, welche das Drahtbündel 20 nicht nur Druckbeaufschlagt sondern es zudem mittels Ultraschall erwärmt. In dem in 5 dargestellten Zustand sind die Einzeldrähte 10 bereits zu einem Drahtbündel 20 verschmolzen und werden von der Pressvorrichtung 34 sowie der Heizvorrichtung 32, welche ebenfalls als Pressvorrichtung dient, in eine rechteckige Form gebracht. Wie ferner aus 5 hervorgeht sind die Pressvorrichtung 34 und die Heizvorrichtung 32 derart ausgestaltet und konfiguriert, dass das Drahtbündel 20 ohne elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den jeweiligen Drahtkernen 12 herstellbar ist.
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Mit Bezug auf 6 wird anschließend ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kompaktieren von Einzeldrähten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In Schritt S1 wird eine Mehrzahl von in 1 dargestellten Einzeldrähten 10 bereitgestellt, die jeweils einen Drahtkern 12 und eine als Lackschicht ausgebildete Isolationsschicht 14 um den Drahtkern 12 aufweisen. In Schritt S2 werden die Einzeldrähte wie in 2 dargestellt, nebeneinander, im Wesentlichen parallel zueinander, angeordnet. In Schritt S3 werden die Einzeldrähte 10 in einer Vorrichtung 30 gemäß 5 druckbeaufschlagt und mittels Ultraschall erwärmt. Genauer gesagt werden die Einzeldrähte 10 durch Sonotrodenschwingungen der als Sonotrode ausgebildeten Heizvorrichtung 32 erwärmt. Ab einer bestimmten Temperatur beginnt die Isolationsschicht 14 an zu schmelzen, d. h., von einem im Wesentlichen festen Aggregatszustand in einen im Wesentlichen flüssigen Aggregatszustand überzugehen. Die flüssige Isolationsschicht bzw. der flüssige Lack verteilt sich nun zwischen den Drahtkernen 12. In Schritt S4 wird das entstehende Drahtbündel 20 in die gewünschte, definierte Form gebracht, beispielsweise in eine Form mit einem rechteckigen Querschnitt im Endbereich des Drahtbündels 20. Anschließend, in Schritt S5, werden die Drahtkerne 12 über die verschmolzenen Isolationsschichten 14 bei einem Abkühlvorgang miteinander verbunden.
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Im Gegensatz zu im Stand der Technik bekannten Ultraschall-Schweißverfahren wird gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf ein Aufschmelzen und Verschweißen von Einzeldrähten 10 abgezielt, sondern nur bis zum Schmelzpunkt der Isolationsschicht 14 erwärmt und die Isolationsschicht 14 als Klebstoff verwendet. Die Isolationsschicht 14 wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht entfernt und es entsteht im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Verfahren keine leitfähige Verbindung zwischen den Drahtkernen 12. Dadurch ist es möglich, Einzeldrähte 10 in einer definierten und reproduzierbaren Form miteinander zu verbinden bzw. zu verkleben, wodurch sie für spätere Arbeitsschritte automatisiert verwendet oder weiterverarbeitet werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Elektro-Motoren-Fertigung beschränkt sondern kann auch bei anderen Verfahren und Vorrichtungen zum Kompaktieren von Einzeldrähten angewandt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Einzeldraht
- 12
- Drahtkern
- 14
- Isolationsschicht
- 20
- Drahtbündel
- 30
- Vorrichtung zum Kompaktieren von Einzeldrähten
- 32
- Heizvorrichtung
- 32, 34
- Pressvorrichtung
