EP3870383A1 - Spule-zahn-modul und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Spule-zahn-modul und verfahren zu dessen herstellung

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EP3870383A1
EP3870383A1 EP19794510.8A EP19794510A EP3870383A1 EP 3870383 A1 EP3870383 A1 EP 3870383A1 EP 19794510 A EP19794510 A EP 19794510A EP 3870383 A1 EP3870383 A1 EP 3870383A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
tooth
powder
module
inner contour
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19794510.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Prof. Dr. Matthias BUSSE
Christian Weck
Franz-Josef Wöstmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3870383A1 publication Critical patent/EP3870383A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K15/04—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings prior to their mounting into the machines
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    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B22F2003/248—Thermal after-treatment

Definitions

  • the present application relates to a method for producing a coil-tooth module and a coil-tooth module produced by means of the method.
  • Coiled coils are used in electrical machines. In numerous applications, the coils do not ideally fill the available space. This results in a lower power or torque density of the electrical machines in relation to the weight or the installation space.
  • cast, formed or printed coils with a variable cross-section of the inner contour defined by the coil along a longitudinal direction, a better degree of filling is achieved and the above-mentioned deficits are improved.
  • the coils are put on teeth or wound up.
  • the teeth can be made of sheet metal or a sheet metal packet or made of soft magnetic composite materials (hereinafter referred to as SMC).
  • SMC soft magnetic composite materials
  • the present application presents a coil-tooth module and process for its manufacture, which reduces the above deficits.
  • a prefabricated coil is placed in a press mold.
  • the die can support the coil on its underside, for example.
  • the prefabricated coil defines an inner contour through the turns, which is circulated by the coil.
  • the inner contour he extends from a lower opening of the coil along a longitudinal direction to an upper opening of the coil.
  • the pre-manufactured coil is preferably a helical coil, the exemplary shape of which is shown in EP2 387 135 A2.
  • the prefabricated coil has preferably been brought into its helical shape by means of a printing process, a casting process or a forming process.
  • the inner contour of the coil is filled with a metallic powder, preferably an SMC powder.
  • the inner contour is preferably completely filled.
  • the metallic powder is solidified by means of the press mold, for example with the aid of a press ram, and shaped into a tooth.
  • the coil-tooth module produced in this way has a very large contact area between the coil and the tooth, since due to the filling of the inner contour with a powder, essentially no hollow spaces remain between the coil and the powder. If the powder is solidified into a tooth, the tooth lies directly on the coil. The tooth itself has a high density with close thermal and magnetic coupling to the internal geometry of the coil.
  • the powder particles are pressed into the cavities and compressed by the high pressure so that preferably all cavities in the interior of the coil are filled and the powder filling is compacted. Due to the pressure of several hundred megapascals during the pressing, the particles are positively locked in such a way that the particles are pressed into a solid object.
  • it can additionally be provided to stimulate the metallic powder to flow during the filling or before the pressing, for example by means of vibration or shaking of the press mold.
  • the powder bed is better distributed in the interior of the coil, so that gusset spaces between individual coil turns are filled.
  • the press mold can be configured as a component of a press tool.
  • a bottom of the press mold supports at least that surface of the coil which comprises the lower opening (hereinafter the lower surface).
  • the coil is compressed or pressed after filling with the metallic powder from that surface of the coil which comprises the upper opening (upper surface), ie the upper surface of the coil opposite the lower surface.
  • the press mold can additionally have one or more side walls which delimit an interior space in which the outer contour of the coil of the coil-tooth module to be produced, which is delimited by the outer surfaces, fits and preferably abuts.
  • the side walls of the pressing tool prevent deformation of the coil, or pressing the coil outward when compacting or pressing the powder in the interior of the coil.
  • powder particles cannot penetrate outside through the spaces between two adjacent turns of the coil and the filling of the cavities and interstices between two adjacent turns improves.
  • the coil is compressed within the mold along the longitudinal direction before the coil is filled with metallic powder in order to minimize the gaps between two adjacent turns. This minimizes the volume of the gusset spaces that can arise between two adjacent turns.
  • the compression can be carried out, for example, with a further component of a pressing tool.
  • the inside of each turn extends to the inside contour of the coil and can therefore have direct contact with the tooth. It is therefore a single-layer coil, in which no turns lie on each other when viewed from the inside out. Furthermore, the cross-sectional area of the helical coil can change from winding to winding in order - depending on the application - to achieve an improved degree of filling of the installation space.
  • the coil-tooth module is subjected to a heat treatment after the metallic powder has been pressed. As a result, internal stresses introduced within the consolidated tooth are reduced or eliminated by the pressing.
  • the coil-tooth module can be treated for 15 to 30 minutes at a temperature between 500 ° C and 800 ° C under protective gas, air or a reducing atmosphere.
  • a metallic powder is introduced into the press mold before the coil is inserted into the press mold, on which in turn the coil is arranged.
  • the previously introduced powder is solidified after filling the interior of the coil and the subsequent pressing into a tooth base, which enters into a positive connection with the tooth arranged in the interior of the coil by means of the particles used, so that a tooth and tooth base are firmly and permanently connected to one another will.
  • the tooth base can be manufactured beforehand and only then placed in the press mold. The powder particles are then added to the interior of the coil and then compacted.
  • the powder introduced into the mold for the tooth base is first pressed and formed into a tooth base. Only then is the coil inserted and filled.
  • the metallic powder completely fills the interior of the coil.
  • the metallic powder completely covers the upper surface of the coil, so that a tooth tip is formed when the coil-tooth module is pressed.
  • the outer contour of the coil or the outer side surfaces of the coil remain without a covering from the metal powder forming the tooth.
  • the compression mold can be shaped in such a way that it defines the shape of the tooth base or head.
  • the shape of the tooth base or tooth head can be selected such that there are extensions or recesses that form-fit with a rotor or a stator of an electrical dimension. enable machines.
  • the coil-tooth module can be inserted and fixed in a stator or the rotor.
  • the prefabricated coil is shaped in such a way that at least one turn through the tooth is viewed behind in the longitudinal direction.
  • a positive connection between the coil and the tooth can be mediated.
  • the thickness and width of one turn of the coil can be varied so that the outer contour of the coil runs the same across all turns, but a reduced width of one turn transverse to the longitudinal direction forms an undercut with the two adjacent turns.
  • coil-tooth modules can be produced which can provide very good contact between the tooth and the coil and can fill the existing installation space well in an electrical machine.
  • a sealing compound between the coil and the tooth can be dispensed with.
  • the coil-tooth modules presented here have a larger contact area between the coil and tooth, since the powder filling initially fills the cavities and, if applicable, the gusset spaces in the interior and is solidified by the subsequent pressing .
  • coil materials such as aluminum or copper
  • coil materials are suitable as coil materials.
  • the coil can be coated with an insulating layer.
  • Suitable metallic powders are ferrite particles or iron particles coated with an insulating layer (as an example of an SMC).
  • SMCs pure iron, iron silicon, iron nickel or iron cobalt particles which are coated with an electrically insulating layer are suitable.
  • Ferrites can also be used as the basis of the SMCs Further design variants result from the exemplary embodiments below.
  • Fig. 2 shows several detailed views of the inner contour of the above coil
  • Fig. 3 shows a schematic illustration of individual intermediate products in the production of a coil-tooth module
  • Fig. 4 shows an illustration of alternative work steps in the manufacture of a coil-tooth module
  • Fig. 5 shows an alternative exemplary embodiment for producing a coil-tooth module
  • Fig. 6 shows a schematic view of a coil-tooth module
  • Fig. 7 is a schematic flow diagram for a manufacturing process.
  • the coil 1 shows a coil 1 which can be used in the coil-tooth module described here, or in the production process thereof.
  • a detailed description of the coil can be found, for example, in EP 2 387 135 A2, the disclosure of which is made fully part of this application.
  • the coil 1 can be cast or formed, for example.
  • the coil 1 has a plurality of turns 3 and is formed from a helix.
  • the turns 3 delimit an interior space 5 which extends from the lowest turn 7 along a longitudinal direction 9 to the top turn 11.
  • the cross-sectional area 13 delimited by the respective edge of a turn that projects toward the interior, which runs transverse to the longitudinal direction 9, is essentially constant in the present example over the height H of the coil.
  • the cross-sectional area is limited by the inner contour of the interior of the coil and is essentially rectangular with a Width B and a length L.
  • the turns of the coil are band-shaped and also have a width b_S and a height h_S.
  • the width and the height of the turns are constant over the entire length of the coil, although in individual exemplary embodiments the turns can have a different width b_S and height h_S.
  • the outer contour of the coil is limited by its four side surfaces 15 and an upper and lower surface. The lowermost turn forms the lower surface 17, the uppermost turn forms the upper surface 19.
  • a cross section of a coil that changes along the turns can, for example, be such that the lowermost turn has a smaller width b_Sl and a greater height h_Sl, and itself the width b_S increases towards the top and the height h_S decreases towards the top, so that the uppermost turn has, for example, a width b_S2> b_Sl and a height h_S2 ⁇ h_Sl.
  • the inner contour remains rectangular and constant over the longitudinal direction, so that the outer contour runs like a truncated pyramid. Such a configuration is shown, for example, in FIGS. 2A and 2B.
  • the helical coil shown here is shaped in such a way that the inner edge of each turn could lie against a tooth to be inserted into the interior. If, as in the prior art, the coil is simply plugged onto an existing tooth, cavities result due to the necessary undersize of the tooth, which has a negative effect on the thermal and magnetic properties of the coil-tooth module.
  • the coil-tooth module described here avoids the cavities by pressing the tooth out of a powder bed arranged in the interior of the coil.
  • FIG. 2 shows longitudinal sections through the coil 1.
  • FIG. 2A shows a multiplicity of turns which extend along the longitudinal direction and delimit the interior 5.
  • the inner edges 21 of the turns of the coil have manufacturing-related curves or chamfers that can further reduce the contact between the inner edge 21 and a tooth.
  • In the bends 23 of a turn there is also a radius of curvature 25 which also makes contact with a prefabricated tooth difficult.
  • FIG. 2A it can be seen in FIG. 2A that there is a gap 27 between two turns along the longitudinal direction. Will the coil along the longitudinal direction compressed, two windings can lie directly on top of each other and there are gusset spaces 29 due to the curves or chamfers .
  • the coil 31 is first arranged on a press tool 33, the press tool comprising a lower press mold 35 in which the coil 31 is held. Subsequently, using a further tool, SMC particles made of iron, which was coated with a non-conductive layer) are poured into the interior 37 of the coil 31 until the powder or the particles fill the entire interior of the coil. (Fig. 3A).
  • the powder can be made to flow, for example, by vibrating or shaking the mold 35. In this way, the powder fills the interior of any gusset spaces, essentially without any hollow connection.
  • the uncompressed powder will protrude from the interior, since in the subsequent compression process the SMC particles plastically deform and hook together, i.e. be form-locked to form a coherent tooth that bears directly against the inner contour of the coil over the entire longitudinal direction 39.
  • the powder is compressed with an upper press ram 41 of the press tool 33 (FIG. 3B).
  • the pressure applied between the press mold and the press ram is several hundred MPa, preferably 800 MPa to 1200 MPa.
  • the mold 35 is shown in one part, it can also be constructed in several parts, for example the part 43 of the mold lying directly below the tooth can be moved separately.
  • a coil-tooth module produced by means of the process is shown schematically.
  • the tooth 45 pressed inside the coil can now be seen. Due to the manufacturing process, the tooth 45 lies directly against the windings over the entire longitudinal direction of the coil and the gusset spaces (see FIG. 2B) between two windings are filled. Due to the large contact area between the Coil 31 and tooth 45 ensure a good thermal connection of the two elements, and thermal cooling of the coil-tooth module is ensured in later operation. Depending on the size of the gusset spaces, the tooth engages behind the coil at least in parts of the inner contour, so that the tooth is also positively connected to the coil.
  • the tooth 45 extends exclusively within the inner contour of the coil, the outer surfaces of the coil are not acted upon by the tooth material. This is also achieved because the turns of the coil are pressed together so that the metal powder lying within the inner contour cannot get between the turns to the outer side surfaces of the coil.
  • FIGS. 1 Another exemplary manufacturing method of a coil-tooth module will be explained with reference to FIGS.
  • the mold and the coil-tooth module are shown in a longitudinal section along the plane AA (see FIG. 1).
  • a pressing tool with a pressing die 47 with a bottom 49 and side walls 51 is used.
  • the side walls are spaced apart such that they emulate the outer contour or the outer side surfaces of the prefabricated coil, so that the coil is essentially fitted into the press mold.
  • the mold is shown in one piece in this example, the bottom and the side walls can be moved separately from one another, so that the mold can be adapted to different coils.
  • a metallic powder such as the above-mentioned coated iron, is first filled into the bottom of the mold 47 and forms a closed surface 52 which, in the later, compressed state, forms a plate-shaped tooth base of the coil-tooth module.
  • the powder is shaken in the press mold, so that any hollow connections from the subsequent tooth base are shaken.
  • the coil 53 is placed on the closed surface 52 and laterally delimited by the side walls 51.
  • the die 47 has the shape of a four-sided truncated pyramid, since the turns of the coil have a variable cross-section.
  • the coil 53 can be Room 55 are compressed with powder along the longitudinal direction, so that no or only a small gap remains between the individual turns. In this way, the space required in the electrical machine, which the coil-tooth module requires, is kept small.
  • the filling of the interior 55 is also carried out by shaking the mold 47 to avoid hollow connections (Fig. 4A).
  • the interior 55 is completely filled and then a closed surface 57 is poured onto the uppermost turn, which - similar to the closed surface 52 - forms a plate-shaped tooth head as soon as the powder has been pressed. After pressing (with a press stamp, not shown), a coil-tooth module is thus formed which has a dumbbell-shaped tooth with a tooth base, tooth handle and tooth head.
  • the tooth base and the tooth head are each dimensioned in such a way that they terminate with the adjacent outer contour of the coil or protrude beyond it transversely to the longitudinal direction.
  • a correspondingly manufactured coil-tooth module is shown in FIG. 4C.
  • the coil-tooth module 61 comprises a tooth 63 with a tooth base 65, egg nem shaft 67 and a tooth head 69, the coil 53 completely enclosing the tooth shaft 67 and being positively held by the tooth base 65 and tooth head 69.
  • the coil-tooth module shown here is characterized, among other things, by the fact that the tooth 63 is made in one piece and engages behind the coil 53 with the tooth head 69 and the tooth base 65 in the longitudinal direction 71.
  • the tooth base is first pre-pressed, unlike in the example in FIG.
  • an SMC powder is first filled into a mold 73 for a tooth base and then pressed.
  • the tooth base 75 is designed in the present example as a plate 77 with a handle-like extension 79.
  • the extension 79 is dimensioned such that it fits into the inner contour of the coil of the coil-tooth module.
  • the tooth base is placed in a press mold 81, the coil 83 is placed on the tooth base and the interior 85 of the coil 83 is filled with the same SMC powder from which the tooth base was made (see FIG 5A).
  • the powder fills the entire interior of the coil 83 and additionally forms a closed surface 86 on the coil 83 in order to form both a tooth handle and a tooth head when pressed (see FIG. 5B).
  • the SMC powder is pressed into a tooth handle and a tooth head on the one hand and on the other hand the tooth handle is integrally bonded or cold-welded to the already prepared tooth base.
  • the coil-tooth module 87 thus produced is shown in FIG. 5C.
  • FIG. 5D Darge The embodiment differs from the embodiment of FIG. 5C in that the press ram is designed differently and thus produces a tooth head 90 which comprises a dovetail guide 92.
  • the SMC powder can be filled, for example, into the press punch, which is lightly placed on the tooth head, via its dovetail opening.
  • the tooth, including the dovetail guide is then consolidated.
  • the swallow tail guide can be inserted, for example, into a corresponding recess in an electric motor, so that the available installation space is used very well and the assembly of the coil-tooth module 94 is simple.
  • a dovetail guide is arranged on the tooth head in the present example, the coil-tooth module can also have another guide with an undercut.
  • the coil-tooth module can also have a recess corresponding to a guide with an undercut, for example a dovetail guide. The coil-tooth module can then be pushed onto a corresponding guide of the electric motor.
  • FIG. 6A shows a three-dimensional plan view of a coil-tooth module produced using one of the methods described above.
  • the coil-tooth module 100 comprises a coil 102 with a variable winding cross section that changes from bottom to top. Below the bottom win the plate-shaped tooth head 104 is arranged, above the top turn is the tooth base 105, which is also plate-shaped. In this illustration, the tooth handle that connects the tooth head and the tooth base to one another is not visible. As mentioned above, the entire tooth was produced in one or two production steps and coupled particularly well to the coil in the area of the inner contour. This is illustrated with reference to FIG. 6B, which shows a section of the cut surface BB in the region of an inner edge of the coil.
  • the inner edges of the turns 106, 108, and 110 are slightly rounded, so that gusset spaces 112 and 114 between the Turns arise. These gusset spaces are also filled by the tooth handle 116, since the SMC powder was able to penetrate into the gusset spaces. Only then was the tooth handle solidified and the particularly large contact area between tooth and coil made possible.
  • a cooling channel can be introduced into the tooth during the manufacture of the coil-tooth module or through a bore, through which a cooling medium can later flow in the electrical machine.
  • FIG. 7 is to schematically take up the steps of the production process again.
  • SMC powder is filled into a press mold and forms a closed surface (step 120).
  • a pre-made coil is inserted into the press mold (step 140).
  • the interior of the coil is filled with SMC powder, the filling taking place with optional shaking, so that small hollow connections disappear (step 160).
  • a closed powder surface is then provided to form a tooth tip (step 180).
  • the entire arrangement is then pressed under high pressure (step 200) and then subjected to a heat treatment (step 220).
  • the coil-tooth module can then be used or further processed.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Spule-Zahn-Modul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Eine vorgefertigte Spule wird mit einem metallischen Pulver befüllt und dieses Pulver anschließend zu einem Zahn verpresst, so dass ein Spule-Zahn-Modul entsteht, bei welchem der Zahn direkt an der Spule anliegt.

Description

Spule-Zahn-Modul und Verfahren zu dessen Herstellung
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Spule-Zahn-Moduls sowie ein mittels des Verfahrens hergestelltes Spu- Ie-Zahn-Modul.
Bei elektrischen Maschinen kommen gewickelte Spulen zum Einsatz. In zahl reichen Anwendungen füllen die Spulen den zur Verfügung stehenden Bauraum nicht ideal aus. Daraus resultiert eine geringere Leistungs- bzw. Drehmomentdichte der elektrischen Maschinen bezogen auf das Gewicht oder den Bauraum. Durch den Einsatz gegossener, umgeformter oder ge druckter Spulen mit veränderlichem Querschnitt der durch die Spule definier ten Innenkontur entlang einer Längsrichtung wird ein besserer Füllgrad er reicht und die oben genannten Defizite verbessert. Um den Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen zu verbessern, werden die Spulen auf Zähne aufgesteckt oder aufgewickelt. Die Zähne können aus Blech lagen bzw. einem Blechpacket oder aus weichmagnetischen Kompositmaterialien („soft magnetic composite", im Folgenden SMC) beste hen bzw. aufgebaut sein. Für die Montage der Spulen auf den Zähnen ist ein Untermaß erforderlich, damit die Montage der Spulen ermöglicht wird. Der Kontakt zwischen Spule und Zahn ist nicht ideal.
Die vorliegende Anmeldung stellt ein Spule-Zahn-Modul und Verfahrung zu dessen Herstellung vor, welches die obigen Defizite verringert.
Die Aufgabe wird gelöst nach einem Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem Spule-Zahn-Modul nach dem Anspruch 10. Weitere Ausführungsformen erge ben sich aus den untergeordneten Ansprüchen und den aufgeführten Ausfüh rungsbeispielen.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird eine vorgefertigte Spule in eine Pressform eingelegt. Die Pressform kann die Spule beispielsweise auf seiner Unterseite abstützen. Die vorgefertigte Spule definiert durch die Windungen eine Innenkontur, welche von der Spule umlaufen wird. Die Innenkontur er streckt sich von einer unteren Öffnung der Spule entlang einer Längsrichtung zu einer oberen Öffnung der Spule. Vorzugsweise handelt es sich bei der vor gefertigten Spule um eine wendelförmige Spule, deren beispielhafte Form in der EP2 387 135 A2 dargestellt ist. Die vorgefertigte Spule ist vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens eines Gießverfahren oder eine Umformverfah ren in seine wendelförmige Gestalt gebracht worden.
Nach dem Anordnen der Spule in der Pressform wird die Innenkontur der Spu le, mit einem metallischen Pulver, vorzugsweise einem SMC Pulver befüllt. Dabei wird die Innenkontur vorzugsweise vollständig befüllt.
Nachdem der Füllvorgang abgeschlossen ist, wird das metallische Pulver mit tels der Pressform, beispielsweise mit Hilfe eines Pressstempels, verfestigt und zu einem Zahn geformt. Das so hergestellte Spule-Zahn-Modul weist eine sehr große Kontaktfläche zwischen der Spule und dem Zahn auf, da aufgrund der Befüllung der Innenkontur mit einem Pulver im Wesentlichen keine Hohl- räume zwischen der Spule und dem Pulver verbleiben. Wird das Pulver nun zu einem Zahn verfestigt, liegt der Zahn direkt an der Spule an. Der Zahn selbst weist eine hohe Dichte bei gleichzeitiger enger thermischer und magnetischer Ankopplung an die Innengeometrie der Spule auf.
Durch den Pressvorgang werden die Pulverpartikel in die Hohlräume gedrückt und durch den hohen Druck so verdichtet, dass vorzugsweise alle Hohlräume im Innenraum der Spule ausgefüllt werden und die Pulverschüttung verdichtet wird. Durch den bei der Pressung vorliegenden Druck von mehreren hundert Megapascal kommt es zwischen den Partikeln zu einem Formschluss, derart dass die Partikel zu einem festen Gegenstand verpresst werden.
Aufgrund des guten Kontakts zwischen dem Zahn und der Spule des obigen Spule-Zahn-Moduls bewirken gegenüber konventionellen Spule-Zahn- Modulen einen verbesserten thermischen Kontakt zwischen Spule und Zahn und verbesserte magnetische Eigenschaften des Spule-Zahn-Moduls. Hier durch wird eine Entwärmung der Spule verbessert und die magnetische Per meabilität des Spule-Zahn-Moduls erhöht Anders als bei konventionell herge stellten Spule-Zahn-Modulen ist es nicht notwendig (und gegebenenfalls nicht möglich) die Hohlräume zwischen der Spule und dem Zahn mit einer Vergussmasse zu verschließen.
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann es zusätzlich vorgesehen sein das metallische Pulver während der Befüllung bzw. vor dem Verpressen zum Fließen anzuregen, beispielsweise mittels Vibration oder Rütteln der Pressform. Hierdurch wird die Pulverschüttung im Innenraum der Spule bes ser verteilt, so dass auch Zwickelräume zwischen einzelnen Spulenwindungen ausgefüllt werden.
Die Pressform kann als Komponente eines Presswerkzeugs ausgestaltet sein. Ein Boden der Pressform stützt in einer ersten Ausführungsvariante zumindest diejenige Oberfläche der Spule, die die untere Öffnung umfasst (im Folgenden untere Oberfläche). Mittels eines Pressstempels des Presswerkzeugs wird die Spule nach der Befüllung mit dem metallischen Pulver von derjenigen Ober fläche der Spule verdichtet bzw. verpresst, die die obere Öffnung umfasst (obere Oberfläche), d.h. die der unteren Oberfläche gegenüberliegende obere Oberfläche der Spule umfasst.
Neben einem Boden kann die Pressform zusätzlich eine oder mehrere Seiten wände besitzen, die einen Innenraum begrenzen, in welchen die durch die Außenflächen begrenzte Außenkontur der Spule des herzustellenden Spule- Zahn-Modul passt und vorzugsweise anliegt. Die Seitenwände des Presswerk zeugs verhindern eine Verformung der Spule, bzw. ein nach Außen drücken der Spule beim Verdichten bzw. Verpressen der im Innenraum der Spule an geordneten Pulverschüttung. Hierdurch können Pulverpartikel nicht durch die Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Windungen der Spule nach Au ßen dringen und die Verfüllung der Hohl- und Zwickelräume zwischen zwei benachbarten Windungen verbessert sich. Zwischen den Seitenwänden der Pressform und den äußeren Seitenflächen der Spule befindet sich vorzugswei se keine Pulverschüttung, so dass die äußeren Seitenflächen der Spule nach dem Verpressen nicht von einem verpresssten Metallpulver umschlossen ist. D.h. die äußeren Seitenflächen sind nicht mit einem zusätzlichen Metallpul ver, aus welchem der Zahn besteht, umschlossen.
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird vor der Befüllung der Spule mit metallischem Pulver die Spule innerhalb der Pressform entlang der Längs richtung zusammengedrückt, um die Spalte zwischen zwei benachbarten Windungen zu minimieren. Hierdurch wird das Volumen der Zwickelräume, die sich zwischen zwei benachbarten Windungen ergeben können, minimiert. Das Zusammendrücken kann beispielsweise mit einer weiteren Komponente eines Presswerkzeugs durchgeführt werden.
In der Ausführungsvariante einer wendelförmigen Spule reicht die Innenseite einer jeden Windung zur Innenkontur der Spule und kann somit direkten Kon takt mit dem Zahn haben. Es handelt sich also um einlagige Spulen, bei der keine Windungen von Innen nach Außen betrachtet aufeinander liegen. Wei terhin kann sich bei der wendelförmigen Spule die Querschnittsfläche von Windung zu Windung ändern, um - je nach Anwendung - einen verbesserten Füllgrad des Bauraumes zu erreichen. In einer weiteren Ausführungsvariante wird das Spule-Zahn-Modul nach dem Verpressen des metallischen Pulvers einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierdurch werden durch das Verpressen eingebrachte Eigenspannungen in nerhalb des verfestigten Zahns reduziert oder beseitigt. Dabei kann das Spule- Zahn-Modul für 15 bis 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen 500°C und 800°C unter Schutzgas, Luft oder reduzierender Atmosphäre behandelt wer den.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird vor dem Einlegen der Spule in die Pressform ein metallisches Pulver in die Pressform eingebracht, auf welchem wiederum die Spule angeordnet wird. Das vorab eingebrachte Pulver wird nach dem Befüllen des Innenraums der Spule und dem anschließenden Verpressen zu einem Zahnfuß verfestigt, welcher mit dem im Innenraum der Spule angeordneten Zahn mittels der verwendeten Partikel einen Formschluss eingeht, so dass ein Zahn und Zahnfuß fest und dauerhaft miteinander ver bunden werden. Alternativ zur Herstellung eines Zahnfußes während des Verpressens des metallischen Pulvers kann der Zahnfuß vorab gefertigt wer den und erst anschließend in die Pressform gelegt werden. Danach werden die Pulverpartikel in den Innenraum der Spule gegeben, und anschließend verdichtet. In einer weiteren Alternative wird das für den Zahnfuß in die Pressform eingebrachte Pulver zunächst verpresst und zu einem Zahnfuß ge formt. Erst anschließend wird die Spule eingebracht und befüllt.
In einer weiteren Ausführungsvariante füllt das metallische Pulver den Innen raum der Spule vollständig aus. Optional bedeckt das metallische Pulver die obere Oberfläche der Spule vollständig, so dass beim Verpressen des Spule- Zahn-Moduls ein Zahnkopf gebildet wird. In einer weiteren Ausführungsform verbleibt die Außenkontur der Spule oder die äußeren Seitenflächen der Spule ohne eine Bedeckung aus dem den Zahn bildenden Metallpulver.
In den Ausführungsvarianten, die einen Zahnfuß oder einen Zahnkopf aufwei sen, kann die Pressform derart geformt sein, dass diese die Form des Zahnfu ßes oder -kopfes definiert. Dabei kann die Form des Zahnfußes oder -kopfes derart gewählt sein, dass Fortsätze oder Ausnehmungen vorhanden sind, die einen Formschluss mit einem Rotor oder einem Stator einer elektrischen Ma- schine ermöglichen. In diesen Fällen kann das Spule-Zahn-Modul in ein Stator oder den Rotor eingeschoben und fixiert werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist die vorgefertigte Spule derart ge formt, dass mindestens eine Windung durch den Zahn in Längsrichtung be trachtet hintergriffen wird. Hierbei kann eine formschlüssige Verbindung zwi schen der Spule und dem Zahn vermittelt werden. Beispielsweise kann die Dicke und Breite einer Windung der Spule variiert werden, dass die Außen kontur der Spule über alle Windungen gleich verläuft, eine verringerte Breite einer Windung quer zur Längsrichtung jedoch eine Hinterschnitt mit den zwei angrenzenden Windungen bildet.
Die vorab aufgeführten Ausführungsvarianten können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern die Varianten nicht als alternativ zueinander be schrieben sind.
Mittels des hier vorgestellten Verfahrens können Spule-Zahn-Module herge stellt werden, die einen sehr guten Kontakt zwischen dem Zahn und der Spule vermitteln können und den vorhandenen Bauraum in einer elektrischen Ma schine gut ausfüllen kann. Anders als im Stand der Technik kann in zahlreichen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Spule-Zahn-Moduls auf eine Vergussmasse zwischen der Spule und dem Zahn verzichtet.
Gegenüber Spule-Zahn-Modulen nach dem Stand der Technik weisen die hier vorgestellten Spule-Zahn-Module eine größere Kontaktfläche zwischen Spule und Zahn auf, da die Pulverschüttung zunächst die Hohlräume und ggf. die Zwickelräume des Innenraums ausfüllt und durch die anschließende Verpressung verfestigt wird.
Als Spulenmaterialien kommen handelsübliche Materialien in Betracht, wie z.B. Aluminium oder Kupfer. Ferner kann die Spule mit einer isolierenden Schicht überzogen sein. Als metallische Pulver kommen Ferritpartikel oder mit einer isolierenden Schicht überzogene Eisenpartikel (als Beispiel eines SMC) in Frage Für die SMCs eignen sich Reineisen, Eisen-Silizium, Eisen-Nickel, oder Eisen-Cobalt Partikel, die mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind. Auch Ferrite können als Basis der SMCs verwendet werden Weitere Ausführungsvarianten ergeben sich aus den nachstehenden Ausfüh rungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Beispiel einer Spule;
Fign. 2 mehrere Detailansichten der Innenkontur der obigen Spule;
Fign. 3 eine schematische Darstellung einzelner Zwischenprodukte bei der Herstellung eines Spule-Zahn-Moduls;
Fign. 4 eine Darstellung alternativer Arbeitsschritte bei der Herstel lung eines Spule-Zahn-Moduls;
Fign. 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Spule-Zahn-Moduls;
Fign. 6 eine schematische Ansicht eines Spule-Zahn-Moduls;
Fig. 7 ein schematisches Ablaufdiagramm für ein Herstellungsver fahren.
Die Fig. 1 zeigt eine Spule 1, die im hier beschriebenen Spule-Zahn-Modul, bzw. dessen Herstellungsverfahren Verwendung finden kann. Eine ausführli che Beschreibung der Spule findet sich beispielsweise in der EP 2 387 135 A2, welche Offenbarung vollumfänglich zum Bestandteil dieser Anmeldung ge macht wird. Die Spule 1 kann beispielsweise gegossen oder umformt werden.
Die Spule 1 besitzt eine Vielzahl von Windungen 3 und ist wendelförmig aus gebildet. Die Windungen 3 begrenzen einen Innenraum 5, der sich von der untersten Windung 7 entlang einer Längsrichtung 9 bis zur obersten Windung 11 erstreckt. Die durch die jeweilige zum Innenraum ragende Kante einer Windung begrenzte Querschnittsfläche 13, die quer zur Längsrichtung 9 ver läuft, ist im vorliegenden Beispiel über die Höhe H der Spule im Wesentlichen konstant. Die Querschnittsfläche wird durch die Innenkontur des Innenraums der Spule begrenzt und ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet mit einer Breite B und einer Länge L. Die Windungen der Spule sind bandförmig geformt und besitzen ebenfalls eine Breite b_S, und eine Höhe h_S. Im vorliegenden Beispiel sind die Breite und die Höher der Windungen über die gesamte Länge der Spule konstant, wobei in einzelnen Ausführungsbeispielen die Windungen jedoch eine abweichende Breite b_S und Höhe h_S aufweisen können. Die Außenkontur der Spule wird durch deren vier Seitenflächen 15 und einer obe re und untere Oberfläche begrenzt. Die unterste Windung bildet die untere Oberfläche 17, die oberste Windung bildet die obere Oberfläche 19. Ein ent lang der Windungen veränderlicher Querschnitt einer Spule kann beispiels weise dergestalt sein, dass die unterste Windung eine geringere Breite b_Sl und eine größere Höhe h_Sl besitzt, und sich die Breite b_S nach oben hin vergrößert und die Höhe h_S nach oben hin verringert, so dass die oberste Windung beispielsweise eine Breite b_S2 > b_Sl, und eine Höhe h_S2 < h_Sl aufweist. Die Innenkontur bleibt dabei rechteckig und über die Längsrichtung konstant, so dass die Außenkontur pyramidenstumpfartig verläuft. Eine derar tige Konfiguration ist beispielsweise in der Figur 2A bzw. 2B dargestellt.
Die hier dargestellte wendelförmige Spule ist derart geformt, dass die Innen kante jeder Windung an einem in den Innenraum einzubringenden Zahn an- liegen könnte. Wird die Spule - wie nach dem Stand der Technik - lediglich auf einen bestehenden Zahn aufgesteckt, ergeben sich aufgrund des notwen digen Untermaßes des Zahnes Hohlräume, die sich negativ auf den thermi schen und magnetischen Eigenschaften des Spule-Zahn-Moduls auswirkt. Das hier beschriebene Spule-Zahn-Modul vermeidet die Hohlräume indem der Zahn aus einer in dem Innenraum der Spule angeordneten Pulverschüttung verp resst wird.
In den Figuren 2 sind Längsschnitte durch die Spule 1 dargestellt. Die Figur 2A zeigt eine Vielzahl von Windungen, die sich entlang der Längsrichtung erstre cken und den Innenraum 5 begrenzen. Die Innenkanten 21 der Windungen der Spule besitzen herstellungsbedingte Rundungen oder Fasen, die den Kon takt zwischen der Innenkante 21 und einem Zahn weiter verringern können. In den Biegungen 23 einer Windung ergibt sich zudem ein Krümmungsradius 25, der ebenfalls einen Kontakt mit einem vorgefertigten Zahn erschwert. Ferner ist in der Figur 2A erkennbar, dass sich zwischen zwei Windungen ein Spalt 27 entlang der Längsrichtung ergibt. Wird die Spule entlang der Längsrichtung zusammengedrückt, können zwei Windungen direkt aufeinanderliegen und es ergeben sich aufgrund der Rundungen oder Fasen Zwickelräume 29. Das Befüllen des Innenraums 5 mit einer Pulverschüttung kann sowohl im ent spannten Zustand der Spule (Figur 2A) oder im zusammengedrückten Zustand der Spule (Figur 2B) erfolgen.
Anhand der Figuren 3 wird das Herstellungsverfahren eines Spule-Zahn- Moduls gern, dieser Beschreibung erläutert. In einem einfachen Ausführungs beispiel des Verfahrens wird die Spule 31 zunächst auf einem Presswerkzeug 33 angeordnet, wobei das Presswerkzeug eine untere Pressform 35 umfasst, in welcher die Spule 31 gehalten wird. Anschließend wird mittels eines weite ren Werkzeugs SMC-Partikel aus Eisen, welches mit einer nicht-leitenden Schicht überzogen wurde) in den Innenraum 37 der Spule 31 geschüttet, bis das Pulver bzw. die Partikel den gesamten Innenraum der Spule ausfüllen. (Fig. 3A) . Um eine gute, hohlschlussfreie Befüllung zu ermöglichen, kann das Pulver beispielsweise durch Vibration oder Rütteln der Pressform 35 zum Flie ßen angeregt werden. Auf diese Weise füllt das Pulver den Innenraum ein schließlich etwaiger Zwickelräume im Wesentlichen hohlschlussfrei aus. Das unverpresste Pulver wird in diesem Fall aus dem Innenraum emporragen, da im anschließenden Verpressungsvorgang die SMC Partikel plastisch defor miert und miteinander verhakt, d.h. formverschlossen werden, um einen zu sammenhängenden Zahn zu formen, der über die gesamte Längsrichtung 39 direkt an der Innenkontur der Spule direkt anliegt. Hierzu wird das Pulver mit einem oberen Pressstempel 41 des Presswerkzeugs 33 verdichtet (Fig. 3B). Der zwischen der Pressform und dem Pressstempel aufgebrachte Druck be trägt hierbei mehrere hundert MPa, vorzugsweise 800 MPa bis 1200 MPa. Obgleich die Pressform 35 einteilig dargestellt ist, kann diese auch mehrteilig aufgebaut sein, wobei beispielsweise der direkt unterhalb des Zahns liegende Teil 43 der Pressform separat bewegbar ist.
In der Fig. 3C ist ein mittels des Prozesses hergestelltes Spule-Zahn-Modul schematisch dargestellt. Neben der eingangs erwähnten Spule 31 ist nunmehr der innerhalb der Spule verpresste Zahn 45 erkennbar. Aufgrund des Herstel lungsprozesses liegt der Zahn 45 über die gesamte Längsrichtung der Spule direkt an den Windungen an und die Zwickelräume (vgl. Fig. 2B) zwischen zwei Windungen sind verfüllt. Aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen der Spule 31 und dem Zahn 45 wird eine gute thermische Verbindung der beiden Elemente gewährleistet, und eine thermische Entwärmung des Spule-Zahn- Moduls wird im späteren Betrieb gewährleistet. Je nach der Größe der Zwickelräume, hintergreift der Zahn zumindest in Teilen der Innenkontur die Spule, so dass der Zahn auch formschlüssig mit der Spule verbunden ist. Nach dem Verpressen des Pulvers kann zudem eine Wärmebehandlung erfolgen, bei welcher die aufgrund des Pressvorgangs in den Zahn eingebrachten Eigen spannungen reduziert oder abgebaut werden können. Im vorliegenden Aus führungsbeispiel erstreckt sich der Zahn 45 ausschließlich innerhalb der In nenkontur der Spule, die Außenflächen der Spule sind nicht mit dem Zahnma terial beaufschlagt. Dies wird auch deswegen erreicht, da die Windungen der Spule so aufeinandergedrückt werden, dass das innerhalb der Innenkontur liegende Metallpulver nicht zwischen den Windungen zu den äußeren Seiten flächen der Spule gelangen kann.
Anhand der Figuren 4 soll ein weiteres beispielhaftes Herstellungsverfahren eines Spule-Zahn-Moduls erläutert werden. Die Pressform und das Spule- Zahn-Modul sind dabei in einem Längsschnitt entlang der Ebene A-A (s. Fig. 1) dargestellt. In dieser Herstellungsvariante wird ein Presswerkzeug mit einer Pressform 47 mit einem Boden 49 und Seitenwänden 51 verwendet. Die Sei tenwände sind dabei derart beabstandet, dass diese die Außenkontur bzw. die äußeren Seitenflächen der vorgefertigten Spule nachbilden, so dass die Spule im Wesentlichen in die Pressform eingepasst ist. Obgleich auch in diesem Bei spiel die Pressform einteilig dargestellt ist, können der Boden und die Seiten wände getrennt voneinander beweglich sein, so dass die Pressform an ver schiedene Spule anpassbar ist. In diesem Beispiel wird zunächst ein metalli sches Pulver, wie das oben erwähnte, beschichtete Eisen, in den Boden der Pressform 47 gefüllt und bildet eine geschlossene Fläche 52, die im späteren, verpressten Zustand einen tellerförmigen Zahnfuß des Spule-Zahn-Moduls bildet. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung zu erreichen wird das Pul ver in der Pressform gerüttelt, so dass etwaige Hohlschlüsse aus dem späteren Zahnfuß gerüttelt werden. Nachdem die geschlossene Fläche 52 bereitgestellt wurde, wird die Spule 53 auf die geschlossene Fläche 52 aufgesetzt und durch die Seitenwände 51 seitlich begrenzt. Die Pressform 47 hat die Form eines vierseitigen Pyramidenstumpfes, da die Windungen der Spule einen veränder lichen Querschnitt besitzen. Die Spule 53 kann vor dem Befüllen des Innen- raums 55 mit Pulver entlang der Längsrichtung zusammengedrückt werden, so dass zwischen den einzelnen Windungen kein oder lediglich ein geringer Spalt verbleibt. Auf diese Weise wird der notwendige Bauraum in der elektri schen Maschine, den das Spule-Zahn-Modul benötigt, klein gehalten. Das Befüllen des Innenraums 55 erfolgt ebenfalls unter einem Rütteln der Press form 47, um Hohlschlüsse zu vermeiden (Fig. 4A). Der Innenraum 55 wird voll ständig befüllt und anschließend wird eine geschlossene Fläche 57 auf der obersten Windung aufgeschüttet, welche - ähnlich der geschlossenen Fläche 52 - einen tellerförmigen Zahnkopf bildet, sobald das Pulver verpresst worden ist. Nach dem Verpressen (mit einem nicht dargestellten Pressstempel) wird also ein Spule-Zahn-Modul gebildet, das einen hantelförmigen Zahn mit Zahnfuß, Zahnstiel und Zahnkopf besitzt. Der Zahnfuß und der Zahnkopf sind jeweils derart dimensioniert, dass diese mit der benachbarten Außenkontor der Spule abschließen oder über diese quer zur Längsrichtung herausragen. Ein entsprechend hergestelltes Spule-Zahn-Modul ist in der Fig. 4C dargestellt. Das Spule-Zahn-Modul 61 umfasst einen Zahn 63 mit einem Zahnfuß 65, ei nem Zahnstiel 67 und einem Zahnkopf 69, wobei die Spule 53 den Zahnstiel 67 vollständig umschließt und durch den Zahnfuß 65 und Zahnkopf 69 form schlüssig gehalten wird. Das hier gezeigte Spule-Zahn-Modul zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass der Zahn 63 einstückig hergestellt ist und die Spule 53 mit dem Zahnkopf 69 und dem Zahnfuß 65 in Längsrichtung 71 hintergreift.
In einem weiteren Ausführungsbespiel eines Herstellungsverfahrens, das an hand der Figuren 5 illustriert wird, wird -anders als im Beispiel der Figur 4 - der Zahnfuß zunächst vorgepresst. Hierzu wird zunächst ein SMC-Pulver in eine Pressform 73 für einen Zahnfuß gefüllt und anschließend verpresst. Der Zahnfuß 75 ist im vorliegenden Beispiel als Platte 77 mit einem stielartigen Fortsatz 79 ausgebildet. Der Fortsatz 79 ist derart dimensioniert, dass dieser in die Innenkontur der Spule des Spule-Zahn-Moduls passt. Anschließend (bzw. nach einer Wärmebehandlung) wird der Zahnfuß in eine Pressform 81 gelegt, die Spule 83 auf den Zahnfuß gesteckt und der Innenraum 85 der Spule 83 mit dem gleichen SMC-Pulver, aus welchem der Zahnfuß hergestellt wurde, befüllt (s. Fig. 5A). Das Pulver füllt den gesamten Innenraum der Spule 83 und bildet zusätzlich eine geschlossene Fläche 86 auf der Spule 83, um beim Verpressen sowohl einen Zahnstiel als auch einen Zahnkopf zu bilden (s. Fig. 5B). Beim Verpressen mittels des Pressstempels 84 wird zum einen das SMC- Pulver zu einem Zahnstiel und einem Zahnkopf verpresst und zum anderen wird der Zahnstiel stoffschlüssig mit dem bereits vorgefertigten Zahnfuß ver bunden bzw. kaltverschweißt. Das so hergestellte Spule-Zahn-Modul 87 ist in der Fig. 5C dargestellt. Eine weitere Ausführungsform ist in der Fig. 5D darge stellt. Die Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 5C darin, dass auf der Pressstempel anders ausgebildet ist, und somit ei nen Zahnkopf 90 herstellt, der eine Schwalbenschwanzführung 92 umfasst. Da der Pressstempel einen Hinterschnitt aufweist, kann das SMC Pulver bei spielsweise in den leicht auf den Zahnkopf aufgelegten Pressstempel über die Schwalbenschwanzöffnung desselbigen eingefüllt werden. Anschließend wird der Zahn inklusive der Schwalbenschwanzführung verfestigt. Die Schwalben schwanzführung kann beispielsweise in eine korrespondierende Ausnehmung eines Elektromotors eingeschoben werden, so dass der vorhandene Bauraum sehr gut ausgenutzt wird und die Montage des Spule-Zahn-Moduls 94 einfach ist. Obgleich im vorliegenden Beispiel eine Schwalbenschwanzführung am Zahnkopf angeordnet ist, kann das Spule-Zahn-Modul auch eine andere Füh rung mit Hinterschnitt auweisen. Alternativ kann das Spule-Zahn-Modul auch eine zu einer Führung mit Hinterschnitt, z.B. einer Schwalbenschwanzführung, korrespondierende Ausnehmung aufweisen. Das Spule-Zahn-Modul kann dann auf eine entsprechende Führung des Elektromotors aufgeschoben wer den.
Die Figur 6A zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf ein mittels eines der vorbeschriebenen Verfahren hergestellten Spule-Zahn-Moduls. Das Spule- Zahn-Modul 100 umfasst eine Spule 102 mit veränderlichem Windungsquer schnitt, der sich von unten nach oben ändert. Unterhalb der untersten Win dung ist der plattenförmige Zahnkopf 104 angeordnet, oberhalb der obersten Windung befindet sich der Zahnfuß 105, der ebenfalls plattenförmig ist. In dieser Darstellung ist der Zahnstiel, der den Zahnkopf und den Zahnfuß mitei nander verbindet nicht sichtbar. Der gesamte Zahn ist - wie oben erwähnt - in einem oder zwei Fertigungsschritten hergestellt worden und im Bereich der Innenkontur besonders gut mit der Spule gekoppelt. Dies wird anhand der Figur 6 B illustriert, die einen Ausschnitt der Schnittfläche B-B im Bereich einer Innenkante der Spule zeigt. Die Innenkanten der Windungen 106, 108, und 110 sind leicht gerundet, so dass Zwickelräume 112 bzw. 114 zwischen den Windungen entstehen. Diese Zwickelräume sind ebenfalls durch den Zahnstiel 116 ausgefüllt, da das SMC-Pulver in die Zwickelräume eindringen konnte. Erst anschließend wurde der Zahnstiel verfestigt und die besonders große Kontakt fläche zwischen Zahn und Spule ermöglicht.
Auf der in der Figur 6A sichtbaren Oberfläche des Zahnfußes können zudem weitere Hinterschnitte oder Ausnehmungen angeordnet sein, welche der spä teren Befestigung des Spule-Zahn-Moduls in einer elektrischen Maschine die nen können. Ferner kann bei der Herstellung des Spule-Zahn-Moduls oder durch eine Bohrung ein Kühlkanal in den Zahn eingebracht werden, durch welchen später in der elektrischen Maschine ein Kühlmedium fließen kann.
Die Figur 7 soll schematisch nochmals die Schritte des Herstellungsverfahrens aufgreifen. Zunächst wird in einem optionalen Schritt SMC-Pulver in eine Pressform gefüllt und bildet eine geschlossene Fläche aus (Schritt 120). An schließend wird eine vorgefertigte Spule in die Pressform eingelegt (Schritt 140). Der Innenraum der Spule wird mit SMC-Pulver befüllt, wobei die Befüllung unter optionalen Rütteln stattfindet, so dass auf kleine Hohlschlüsse verschwinden (Schritt 160). Anschließend wird eine geschlossene Pulverfläche zur Bildung eines Zahnkopfes bereitgestellt (Schritt 180). Die gesamte Anord nung wird dann unter hohem Druck verpresst (Schritt 200) und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen (Schritt 220). Das Spule-Zahn-Modul kann dann seiner Verwendung zugeführt bzw. weiterverarbeitet werden.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 197PCT 1704 Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Spule-Zahn-Moduls, wobei das Verfah ren folgende Schritte umfasst:
a) Einlegen einer wendelförmigen Spule in eine Pressform;
b) Befüllen einer durch die Spule begrenzten Innenkontur mit ei nem metallischem Pulver;
c) Verpressen des metallischem Pulvers zu einem Zahn, welcher direkt an der Spule anliegt.
2. Verfahren nach Anpruch 1, wobei nach dem Verpressen zu einem Zahn ein Formschluss zwischen Partikeln des zum Zahn verpressten metalli schen Pulvers vorliegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Querschnittsfläche der Innenkontur der Spule entlang einer Längsrichtung des Innenraums ändert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pressform die Spule an ihren Außenflächen umschließt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spu le in der Pressform entlang der Längsrichtung zusammengedrückt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verpresste metallische Pulver neben der Innenkontur auch einen etwa igen Zwickelraum zwischen verschiedenen Spulenabschnitten ausfüllt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spu- Ie-Zahn-Modul nach dem Verpressen des metallischen Pulvers einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Einlegen der Spule in die Pressform ein Pulvermaterial zur Formung ei nes Zahnfusses oder ein vorgefertigter Zahnfuss in die Pressform ein gebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das die Innenkontur befüllende Pulver die Innenkontur vollständig ausfüllt und optional eine Oberseite der Spule bedeckt, so dass beim Verpressen ein Zahnkopf gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zahn zumindest einen Spulenabschnitt hintergreift.
11. Spule-Zahn-Modul, welches eine wendelförmige Spule und einen in einer Innenkontur der Spule angeordneten Zahn umfasst, wobei der Zahn an der Spule anliegt und ein verpresstes metallisches Pulver um fasst.
12. Spule-Zahn-Modul nach Anspruch 11, wobei zwischen Partikeln des zum Zahn verpressten metallischen Pulvers ein Formschluss vorliegt.
13. Spule-Zahn-Modul nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Spule ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, vorzugsweise Alumi nium oder Kupfer oder deren Legierungen umfasst, und wobei das me tallische Pulver ein weichmagnetisches Material oder eine weichmag netische Legierung ist.
14. Spule-Zahn-Modul, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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