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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Walzwerkzeug sowie ein Verfahren zum Walzen von Draht.
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Bekannt sind Verfahren zum Umformen von Draht, welcher für Wicklungen von Statoren von elektrischen Maschinen vorgesehen sind. Ein Drahtquerschnitt wird durch das Umformen dabei zumindest teilweise in andere Form gebracht. Wenn Drähte mit wechselnden Drahtquerschnitten hergestellt werden sollen, sind üblicherweise mehrere separate und nacheinander ausgeführte Prägeschritte erforderlich. Dadurch ist das Verfahren zum Umformen zeitaufwendig und die Herstellungskosten sind hoch.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Walzwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass eine besonders zeiteffiziente und kostengünstige Herstellung von Draht mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Walzwerkzeug zum Walzen von Draht, umfassend zumindest eine um eine Walzachse rotierbare Walze. Insbesondere ist der Draht geeignet für Wicklungen einer elektrischen Maschine, vorzugsweise für einen Stator der elektrischen Maschine. Die, vorzugsweise zylindrische, Walze weist eine für den Draht formgebende Nut auf, welche sich zumindest teilweise entlang eines Umfangs der Walze erstreckt. Die Nut weist dabei entlang der Umfangsrichtung der Walze zumindest zwei unterschiedliche Nutquerschnitte auf, zum Herstellen von Profildraht mit in Längsrichtung des Profildrahts unterschiedlichen Querschnittsgeometrien. Mit anderen Worten ist die Nut in einer Umfangsfläche der Walze ausgebildet. Als Nutquerschnitt wird dabei ein Querschnitt der Nut in einer radialen Ebene der Walze angesehen.
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Mit anderen Worten wird der Draht durch die Nut der Walze in eine durch den Nutquerschnitt vorgegebene Form gebracht. Der Draht wird dabei vorzugsweise entlang einer tangentialen Richtung der Walze zugeführt. Der Nutquerschnitt ändert sich dabei entlang der Umfangsrichtung der Walze. Dadurch wird ebenfalls die Querschnittsgeometrie des Drahtes entlang dessen Längsrichtung unterschiedlich ausgebildet indem der Draht mittels der Walze umgeformt wird.
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Das Walzwerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass mit diesem Profildraht mit mindestens zwei unterschiedlichen Querschnittsgeometrien in einem einzigen kontinuierlichen Prozess hergestellt werden kann. Das heißt, der Draht kann in einem Rohformat, beispielsweise als Endlosdraht von einer Rolle, dem Walzwerkzeug zugeführt werden und mittels des Walzwerkzeugs in einem einzigen Durchlauf in dessen zu erzielende Form, nämlich den „Profildraht“, gebracht werden. Dadurch kann die Umformung des Drahtes auf besonders zeitsparende und kostengünstige Weise durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ist dabei, dass durch das Walzen eine besonders schonende Umformung des Drahtes erfolgt. Da beim Walzen vor allem Rollreibung und eine geringfügige Gleitreibung am Draht auftritt, erfolgt eine deutlich geringere an Beanspruchung der Drahtoberfläche, als beispielsweise bei einem Umformen des Drahtes mittels Durchziehen. Dadurch wird eine Beschädigung, insbesondere einer Oberfläche, des Drahtes besonders gering gehalten. Besonders vorteilhaft ist dies bei gelackten Kupferdrähten, welche eine isolierende Lackschicht aufweisen. Durch das schonende Walzen des Drahtes kann eine Beschädigung der Lackschicht weitgehend vermieden werden.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt umfasst das Walzwerkzeug zwei gegeneinander rotierbare Walzen mit jeweils einer Nut pro Walze. Insbesondere sind die jeweiligen Walzachsen der beiden Walzen parallel zueinander angeordnet. Beispielsweise können die beiden Walzen so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Walzen an den Umfangsflächen aufeinander abrollen, also, dass der Draht beim Walzvorgang vollständig innerhalb den beiden Nuten aufgenommen ist. Vorzugsweise sind die jeweiligen Nuten der beiden Walzen bezüglich einer Walzebene symmetrisch ausgebildet. Insbesondere wird als Walzebene eine Mittellotebene einer Verbindungslinie der beiden Achsen angesehen. Durch zwei gegeneinander rotierbare Walzen mit entsprechenden Nuten zum Walzen des Drahtes kann eine besonders präzise und schonende Umformung des Drahtes durch das Walzen erzielt werden.
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Besonders bevorzugt ist ein erster Nutquerschnitt der Nut trapezförmig. Vorzugsweise sind bei zwei Walzen die beiden gegenüberliegenden Nuten der beiden Walzen so ausgebildet, dass diese als gemeinsamen Walz-Nutquerschnitt ein gleichschenkliges Trapez bilden, das heißt so, dass der resultierende gewalzte Profildraht eine Querschnittsgeometrie in Form eines gleichschenkligen Trapezes aufweist. Mittels eines durch das Walzwerkzeug hergestellten trapezförmigen Profildrahtes kann in der Anwendung in Stator elektrischer Maschinen ein besonders hoher Füllgrad am Drahtmaterial erreicht werden, um besonders effiziente elektrische Maschinen bereitstellen zu können.
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Vorzugsweise ist ein zweiter Nutquerschnitt bogenförmig, besonders bevorzugt halbkreisförmig. Bevorzugt sind bei zwei Walzen die gegenüberliegenden Nuten der beiden Walzen so ausgebildet, dass diese als gemeinsamen Walz-Nutquerschnitt einen Kreis bilden, das heißt so, dass der resultierende gewalzte Profildraht eine Querschnittsgeometrie in Form eines Kreises aufweist. Beispielsweise kann der Walz-Nutquerschnitt hierbei einem Ausgangsquerschnitt des Drahtes vor dem Zuführen zum Walzwerkzeug entsprechen, sodass keine Umformung des Drahtes in diesem Bereich erfolgt.
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Weiter bevorzugt ist ein dritter Nutquerschnitt trapezförmig. Der dritte Nutquerschnitt ist dabei bezüglich einer zur Walzachse senkrechten Ebene spiegelsymmetrisch zum ersten Nutquerschnitt ausgebildet. Das heißt, ein mittels eines derartigen Walzwerkzeugs hergestellter Profildraht weist zwei Bereiche mit trapezförmigen Querschnittsgeometrien auf, welche um die Längsrichtung des Profilsdrahtes um 180° gegeneinander gedreht sind. Der erste Nutquerschnitt, der zweite Nutquerschnitt und der dritte Nutquerschnitt sind dabei, insbesondere in der genannten Reihenfolge, entlang der Umfangsrichtung der Walze nacheinander und unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet. Dadurch kann besonders einfach und schnell mittels eines einzigen Prozessschrittes Profildraht erzeugt werden. Insbesondere kann hierdurch Profildraht gewalzt werden, welcher anschließend in eine U-Form umgebogen werden kann und dann zwei sich in dieselbe Richtung verjüngende Trapezquerschnitte aufweisen. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf eine zeiteffiziente und kostengünstige Herstellung von Steckwicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine aus.
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Bevorzugt umfasst das Walzwerkzeug ferner eine Schneidvorrichtung zum Schneiden des Drahtes. Die Schneidvorrichtung ist dabei auf der Walze des Walzwerkzeugs angeordnet. Dadurch kann der Profildraht mittels des Walzwerkzeugs in einzelne Drahtstücke geschnitten werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Schneidvorrichtung um eine Schneidklinge, welche vom Umfang der Walze vorsteht. Alternativ kann die Schneidvorrichtung auch eine Schneidklinge sein, welche ausschließlich in der Nut der Walze angeordnet ist. Dadurch kann das Zuschneiden des Profildrahtes in die profilierten Drahtstücke besonders einfach und kostengünstig mittels des Walzwerkzeugs durchgeführt werden. Hierdurch kann eine besonders zeiteffiziente Herstellung von profilierten Drahtstücken erfolgen. Das Zuschneiden kann dabei zusammen mit dem Walzen des Profildrahtes als einziger integraler und kontinuierlicher Prozessschritt durchgeführt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Walzen von Draht. Das Verfahren umfasst den Schritt des Walzens des Drahtes zum Herstellen von Profildraht, welcher in Längsrichtung des Profildrahtes unterschiedliche Querschnittsgeometrien aufweist. Das Walzen erfolgt dabei in einem einzigen kontinuierlichen Prozess mittels eines Walzwerkzeugs, vorzugsweise mittels des oben beschriebenen Walzwerkzeugs. Als „Profildraht“ wird dabei das mittels des Verfahrens hergestellte Produkt angesehen, wobei insbesondere als „Draht“ das zu verarbeitende Halbzeug, also das Ausgangsmaterial, angesehen wird. Das Verfahren bietet dabei eine besonders einfache, kostengünstige und zeiteffiziente Methode zum Herstellen von Profildraht mit verschiedenen Querschnittsgeometrien.
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Bevorzugt wird mittels des Verfahrens Draht mit einem kreisförmigen Ausgangsquerschnitt gewalzt. Derartiger kreisrunder Draht ist besonders kostengünstig verfügbar und kann auf einfache Weise verarbeitet werden.
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Vorzugsweise wird mittels des Walzwerkzeugs Profildraht gewalzt, welcher in Längsrichtung des Profildrahtes einen ersten trapezförmigen Querschnitt, einen zweiten kreisförmigen Querschnitt, und einen dritten trapezförmigen Querschnitt aufweist. Besonders bevorzugt sind diese Querschnitte in der genannten Reihenfolge und jeweils unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet. Dadurch kann besonders schnell und einfach Profildraht hergestellt werden mit einer Form, welche vorteilhaft in einem Stator einer elektrischen Maschine verwendet werden kann.
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Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Schneiden des Profildrahts in mehrere Drahtstücke. Der vorzugsweise als Endlosdraht vorgesehene Draht, welcher das zu verarbeitende Halbzeug bildet, wird somit kontinuierlich mittels des Walzwerkzeugs gewalzt und anschließend in die einzelnen Drahtstücke geschnitten. Die Drahtstücke können vorzugsweise weiterverarbeitet, und insbesondere als Steckwicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine verwendet werden.
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Vorzugsweise wird das Schneiden des Profildrahts mittels des Walzwerkzeugs durchgeführt. Insbesondere weist das Walzwerkzeug hierbei eine Schneidvorrichtung auf einer Walze auf, mittels welchem der Profildraht geschnitten wird. Das Schneiden kann somit integral mit dem Walzvorgang durchgeführt werden, um eine besonders zeiteffiziente und kostengünstige Herstellung des Profildrahts zu ermöglichen.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Biegen des Drahtstücks um eine zur Längsrichtung des Drahtes senkrechte Achse. Das heißt, das zugeschnittene Drahtstücke des Profildrahts, welches nach dem Walzen vorzugsweise als gerades Drahtstück vorliegt, wird nach dem Walzen und dem Schneiden gebogen. Das Biegen kann vorzugsweise mittels eines separaten Biegewerkzeugs durchgeführt werden. Alternativ kann das Biegen auch mittels des Walzwerkzeugs durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Drahtstück, insbesondere ausschließlich, im Bereich des zweiten kreisförmigen Querschnitts gebogen. Hierdurch wird eine Beschädigung des Profildrahts durch das Biegen möglichst vermieden, da beim Biegen eines Drahtes mit kreisförmigen Querschnitt, beispielsweise im Vergleich zu einem rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt, eine gleichmäßigere Spannungsverteilung über den Querschnitt des Drahtes ermöglicht wird. Insbesondere können beim kreisförmigen Querschnitt hohe Spannungen oder starke Verformungen an Kanten vermieden werden, welche beispielsweise zu einem leichteren Reißen oder Brechen des Drahtes führen könnten.
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Besonders bevorzugt wird das Drahtstück in eine U-Form gebogen. Insbesondere wird als U-Form dabei eine Form des Drahtstückes angesehen, bei welcher sich die beiden Bereiche mit trapezförmigen Querschnitt jeweils entlang einer Geraden und parallel zueinander angeordnet sind, und wobei der dazwischenliegende Bereich mit dem kreisförmigen Querschnitt in Form eines U gebogen ausgebildet ist und die beiden geraden Bereiche miteinander verbindet. Vorzugsweise kann die U-Form auch als Haarnadelform bezeichnet werden. Mit anderen Worten ist das Drahtstück um 180° umgebogen. Ein derartiges U-förmiges Drahtstück ist besonders vorteilhaft, um Statoren elektrischer Maschinen mit Steckwicklungen auf einfache und kostengünstige Weise und zeiteffizient herzustellen.
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Vorzugsweise wird das Walzen als Warmwalzen durchgeführt. Insbesondere liegt somit eine Temperatur des Drahtes während des Walzens oberhalb einer Rekristallisationstemperatur des Ausgangsmaterials des Drahtes. Das Material des Drahtes ist somit weicher und kann durch das Walzen mit geringerer Kraft und schonender umgeformt werden.
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Bevorzugt ist der Draht aus Kupfer gebildet und weist eine Isolationslackschicht auf. Derartiger Draht eignet sich besonders für die Verwendung in Statoren leistungsfähiger elektrischer Maschinen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Walzwerkzeugs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine alternative Ansicht des Walzwerkzeugs der 1,
- 3 eine vereinfachte schematische Ansicht eines mittels des Walzwerkzeugs der 1 und 2 hergestellten Profildrahts, und
- 4 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Profildrahts analog der 3 mit alternativen Querschnittsgeometrien.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Walzwerkzeugs 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 2 ist eine alternative Ansicht des Walzwerkzeugs 1 der 1 dargestellt.
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Mittels des Walzwerkzeugs 1 wird Draht 10 gewalzt, das heißt umgeformt. Das Produkt im umgeformten Zustand, das heißt, nach dem Walzen, wird als Profildraht 15 bezeichnet. Der mittels des Walzwerkzeugs 1 hergestellte Profildraht 15 ist in der 3 vereinfacht schematisch abgebildet und wird später genauer beschrieben.
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Bei dem Draht 10 handelt es sich um Kupferdraht, welcher eine Isolationslackschicht aufweist, die eine elektrische Isolierung des Drahtes 10 bewirkt. Der Draht 10 kann dem Walzwerkzeug 1 beispielsweise als Endlosmaterial von einer (nicht dargestellten) Rolle zugeführt werden. Vor dem Walzen weist der Draht 10 einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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Das Walzwerkzeug 1 umfasst zwei Walzen 2, welche im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind. Die beiden Walzen 2 sind gegeneinander um eine jeweilige Walzachse 20 rotierbar. Die beiden Walzachsen 20 sind parallel zueinander. Der Draht 10 wird den Walzen 2 in einer Walzebene 25, welche mittig zwischen den beiden Walzachsen 20 liegt, entlang einer Zuführrichtung 16 zugeführt. Eine Längsachse 17 des Drahtes 10 ist dabei senkrecht zu den Walzachsen 20.
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Das Walzwerkzeug 1 umfasst eine Schneidvorrichtung 4, welche jeweils ein als Schneidklinge ausgebildetes Schneideelement 41 auf jeder der Walzen 2 aufweist. Das Schneidelement 41 befindet sich entlang der Umfangsrichtung 26 der jeweiligen Walze 2 unmittelbar an die Nut 3, also an das umfangsseitige Ende der jeweiligen Nut, angrenzend auf dem Umfang der jeweiligen Walze 2. Dadurch wird der Profildraht 10 unmittelbar nachdem dieser in die gewünschte Form gewalzt wurde, direkt integral mittels des Walzwerkzeugs 1 in einzelne Drahtstücke 15a zugeschnitten.
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Nach dem Zuschneiden des Profildrahtes 15 zu dem Drahtstück 15a, wird das Drahtstück 15a um eine zur Längsrichtung 17 senkrechte Achse 14 in eine U-Form umgebogen. Das umgebogene Drahtstück 15a ist in der 3 dargestellt.
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Jede der beiden Walzen 2 weist eine für den Draht 10 formgebende Nut 3 auf, welche sich teilweise entlang eines Umfangs der jeweiligen Walze 2 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich jede Nut 3 um etwa 80% eines gesamten Umfangs der jeweiligen Walze 2. Der Walzvorgang und die Formgebung der Walzen 2 ist dabei so ausgebildet, dass der Draht 10 in die Form der beiden gegenüberliegenden Nuten 3 der Walzen 2 gepresst wird und entsprechend in diese Form plastisch umgeformt wird, wie in der 2 schematisch dargestellt.
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Jede Nut 3 weist dabei entlang der Umfangsrichtung 26 der jeweiligen Walze 2 drei unterschiedliche Nutquerschnitte 31, 32, 33 auf, um Profildraht 15 mit in Längsrichtung 17 drei unterschiedlichen Querschnittsgeometrien 11, 12, 13 herzustellen.
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Ein erster Nutquerschnitt 31 und ein dritter Nutquerschnitt 33 sind dabei trapezförmig ausgebildet, wie auch in der 2 dargestellt. Entlang der Umfangsrichtung 26 zwischen dem ersten Nutquerschnitt 31 und dem dritten Nutquerschnitt 33 befindet sich ein zweiter Nutquerschnitt 32, welcher halbkreisförmig ausgebildet ist. Die drei unterschiedlichen Nutquerschnitte 31, 32, 33 grenzen dabei entlang der Umfangsrichtung 26 unmittelbar aneinander.
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Die beiden Walzen 2 sind bezüglich der Walzenebene 25 symmetrisch ausgebildet. Im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Walzen 2 zudem identisch ausgebildet. Alternativ könnten die beiden Walzen 2 auch unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise könnte die Schneidvorrichtung 4 nur an einer der beiden Walzen 2 vorgesehen sein.
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Der erste Nutquerschnitt 31 der Nut 3 ist dabei so ausgebildet, dass der gemeinsame resultierende Querschnitt der beiden gegenüberliegenden Nuten 3, welcher formgebend für den Draht 10 ist, ein gleichschenkliges Trapez ist.
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Durch den ersten Nutquerschnitt 31 und den dritten Nutquerschnitt 33 werden somit Querschnittsgeometrien 11, 13 des Profildrahtes 15 in einem ersten Querschnittsbereich 11 a und in einem dritten Querschnittsbereich 13a in Form eines gleichschenkligen Trapezes erzeugt (vgl. 2 und 3).
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Mittels des zweiten Nutquerschnitts 12 wird eine Querschnittsgeometrie 12 des Profildrahtes 15 in Form eines Kreises in einem zweiten Querschnittsbereich 12a zwischen dem ersten Querschnittsbereich 11a und dem dritten Querschnittsbereich 13a erzeugt.
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Der erste Nutquerschnitt 31 und der dritte Nutquerschnitt 33 sind bezüglich einer zur Walzachse 20 senkrechten Ebene 28 spiegelsymmetrisch zueinander.
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Das Umbiegen des Profildrahtes 15 zur U-Form erfolgt dabei so, dass die beiden trapezförmigen Querschnittsgeometrien 11, 13 nach dem Umbiegen in dieselbe Richtung hin verjüngend angeordnet sind. Hierfür wird das Drahtstück 15a derart umgebogen, dass die Achse 14 parallel zur den beiden jeweils parallelen Seiten 11b des gleichschenkligen Trapezes der trapezförmigen Querschnittsgeometrie 11 ist.
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Der erste Querschnittsbereich 11a und der dritte Querschnittsbereich 13a sind dabei nach dem Biegen parallel zueinander angeordnet, wobei der zweite Querschnittsbereich 12a U-förmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgebildet ist und den ersten Querschnittsbereich 11a und den dritten Querschnittsbereich 13a miteinander verbindet.
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Durch ein derartiges Drahtstück 15a können vorteilhafterweise haarnadelförmige Steckwicklungen für Statoren von elektrischen Maschinen hergestellt werden. Die spezielle Geometrie der umgebogenen Drahtstücke erlaubt dabei einen besonders hohen relativen Kupferfüllfaktor im, vorzugsweise kreisringförmigen, Stator.
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Das Walzwerkzeug 1 bietet dabei den Vorteil, dass das Umformen des Drahtes 10 zum Profildraht 15 mit den mehreren verschiedenen Querschnittsgeometrien 11, 12, 13 in einem einzigen kontinuierlichen Walzprozess durchgeführt werden kann. Dadurch kann eine besonders zeiteffiziente, kostengünstige und einfache Fertigung des Profildrahtes 15 erreicht werden. Dadurch, dass zusätzlich das Zuschneiden in denselben Prozess integriert werden kann, kann der Zeit- und Kostenvorteil weiter verbessert werden.
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In der beschriebenen Ausführung sind die ersten Nutquerschnitte 31 und dritten Nutquerschnitte 33 so ausgebildet, um - bis auf die Ausrichtung - identische erste Querschnittsgeometrien 11 und dritte Querschnittsgeometrien 13 am Profildraht 15 zu erzeugen. Alternativ könnten auch voneinander abweichende erste Querschnittsgeometrien 11 und dritte Querschnittsgeometrien 13 am Profildraht 15 erzeugt werden, wie in der 4 dargestellt. Die erste Querschnittsgeometrie 11 ist dabei breiter und kürzer als die dritte Querschnittsgeometrie 13. Dadurch kann beispielsweise die Anordnung dieser beiden Querschnittsgeometrien 11, 13 des umgebogenen Drahtstücks 15a an unterschiedlichen radialen Positionen des Stators der elektrischen Maschine mit berücksichtigt werden, um einen höheren relativen Kupferfüllfaktor zu erhalten.
