JP7441212B2 - らせん構造を製造するためのローラ成形方法 - Google Patents

Description

本願は、らせん構造を製造するための「ローラ成形方法」に関する。

巻線コイルは電気機械に使用される。コイルは、利用可能な設置スペースに理想通りには充填されない。これにより、重量又は設置スペースに関して電気機械の出力又はトルク密度が低下する。可変断面の鋳造コイル、成形コイル又はプリントコイルの使用によって良好な充填が実現し、前記の不利益が改善される。しかし、このようなコイルを形状付けることは製造上の観点から困難である。

前記コイルの形状付けは、複雑な三次元形状のため困難であり、これまでは、主に永久鋳型あるいはコアを有する又はコアを有さないロスト鋳型で行われていた。これらの方法は、一般に、コイルを製造するツールに関して技術的に複雑で不連続的な方法である。

本発明によれば、コイルは、任意選択的に制御可能な角速度プロファイルを有する、２つの連続的に回転するローラの間において形状付けられる。

ローラの円周上に歯状の形状部が設けられ、その歯面にキャビティが形成される。キャビティは、歯面の回転時に成形効果を有する中空のスペースを形成する。ローラの回転運動及び歯面の転がり運動により、成形キャビティが回転角に応じて開閉する。

ローラの歯面の各対には、変更されたキャビティ形状が割り当てられる。キャビティの幅及び深さは、２つのローラの完全な回転後に、再び第１のキャビティ形状部が材料と係合するように変更される。結果として得られるコイルについて、巻線リム（ｗｉｎｄｉｎｇ ｌｉｍｂ）ごとに断面を変化させることができる。さらに、巻線リムは、例えば、冷却媒体をコイルに通すことができるように、（円周方向に）丸みを帯びた縁部及びＵ字形又は他の断面形状を有していてもよい。

本発明は、製造コストを減少させることができ、したがって、可変断面を有する電気コイルの公知の成形方法に対して、直列的な製造に適した経済的な代替案を提供することができるという利点を有する。

さらに、連続的なプロセスでコイル形状を形成することができ、その後は、後続のコイルから分離するだけでよいという利点を有する。したがって、スループット及び生産性を大幅に向上させることができる。

コアを必要とせず、形状付けプロセス中にコイルをねじれさせる必要がないため、離型後に反転させる必要がない。ローラ成形により連続的に製造されるコイルは、その後、ｚ方向に据え込み（アップセット）加工される。この点に関し、コイルのねじれを反転させる他の成形方法よりもはるかに容易に形成することができる。

ローラ成形のさらなる利点は、任意選択的にコーティングステップを含むことができることである。

特許請求の範囲は、らせん構造又はコイル、特に電気機械に使用されるらせん構造を製造するためのローラ成形方法に関する。当該方法は、第１のローラと、第１のローラに対向して回転する第２のローラとの間に材料を供給するステップを含む。第１のローラは第１の歯を有し、第２のローラは第２の歯を有し、第１の歯及び／又は第２の歯は、供給された材料を受けるキャビティを備えた歯面を有する。供給された材料が前記歯の間においてらせん構造又はコイルの一部として成形されるように、ローラが回転しているときに少なくとも１つの歯のキャビティが他のローラの歯の表面によって少なくとも一時的に境界付けられるように、歯が設計され、配列されている。また、特許請求の範囲は対応するローラ成形装置に関する。

「ローラ成形」という用語は、新しい用語であり、キャビティを有する歯車状のエレメントの転がり運動により構造物を形成する（形状付ける）ことを示している。

「らせん構造又はコイルの一部」という用語は、ローラ成形プロセスにおいて成形された部分を意味すると理解されたい。当該部分は、例えば「勾配部分」である。これは、得られるらせん構造又はコイルの中心軸の方向における高さオフセット及び／又はねじれを有するらせん構造の少なくとも一部を意味すると理解されたい。これは、図１及び図２ａ～図２ｄ（下記参照）に示す矩形のらせん構造の場合、図４（下記参照）に示す歯の配列により製造可能な巻線リムの高さオフセットであってもよい。

前記事項について、従属請求項及び以下においてさらに詳細に説明する。

実施例は添付の図面に示されている。図面は以下の通りである。

図１は、通常のコイル形状を示している。 図２ａは、ロール成形プロセスの結果得られたらせん構造の形状を詳細に示している。 図２ｂは、ロール成形プロセスの結果得られたらせん構造の形状を詳細に示している。 図２ｃは、ロール成形プロセスの結果得られたらせん構造の形状を詳細に示している。 図２ｄは、ロール成形プロセスの結果得られたらせん構造の形状を詳細に示している。 図３は、ロール成形プロセスの原理を示している。 図４は、「直線歯－傾斜歯－直線歯」の組み合わせを示している。 図５は、ロール成形プロセスにおけるキャビティの開閉を示している。

図１は典型的なコイル形状を示している。このコイルは、欧州特許出願公開公報第２３８７１３５号において詳細に説明されている。

前記形状を形成するため、本願によれば、最初に、ｚ高さ方向に引き離された（「延伸された」）形状が形成され、次いで、図１に示す形状をもたらすように、ｚ方向への据え込み（アップセット）によって再び形状付ける。そのため、個々の巻線リムに沿ったねじれは存在しない。結果生じる、端面形状をもたらす後続の据え込みのための変形領域は、狭い巻線リムから長い巻線リムへの移行領域にある。後続の据え込み工程において要求される変形の程度は非常に小さい。

図２ａ～図２ｄは、ローラ成形プロセスにより製造された「延伸された」コイルの典型的な形状を示している。

図３はローラ成形プロセスの原理を示している。特に、ローラ成形プロセスは以下の特徴を有する。

ａ）歯車状の２つのローラが互いに反対方向に回転する。ローラは、歯面の転がり運動によりコイル巻線用のキャビティを開閉する。キャビティは、種々の歯面に形成される。必要に応じてフローが通過するターン部の断面を異ならせるように、キャビティは歯ごとに異なっていてもよい。

ｂ）図２ａ～図２ｄに示す典型的な形状は、例えば、傾斜した２つの歯を組み合わせたヘリンボーン歯と同様に、「直線歯－傾斜歯－直線歯」を有する各ローラの歯の組み合わせにより生じる。図４は、ローラ１（歯車１）及びローラ２（歯車２）における歯の配置を説明する図である。

ローラ成形に特有の利点は、製造されたコイル形状がねじれを含まず、コイルを形状付けた後に必要な工程がｚ方向への据え込み工程だけである点である。ローラ成形プロセスの場合、ターン部の長手方向軸線を中心としたねじれは不要である。

ｃ）２つのローラの完全な回転に続いて、延伸された形状においてターン部の断面が異なるコイルが形成される。コイルは、一回転後に引き離され、その後、さらに処理されてもよい。また、前記のプロセスを連続的に実行してもよいため、製造工程における後のタイミングでコイルを引き離してもよい。

ｄ）キャビティは、（例えば、図４に示す歯の組み合わせにおける）歯面の動力学により開閉される。コイルが回転領域を離れると、ターン部に異なる断面を有するコイル形状部が離型する。

ｅ）材料がローラ成形プロセスに供給されると、供給装置は、コイル形状をｘ－ｙ方向に（例えば、周期的な矩形の動きで）移動させ、ローラの動きと協調させて供給プロセスを補助してもよい。この場合、キャビティ開口部の垂直方向上方に位置する供給装置を回転する歯面へと移動させることが好適である。この経路は、通常、上方から見た場合のコイル形状（例えば、矩形の経路）に対応している。さらに、供給装置は、適切な（周囲の）傾斜により前記の垂直位置を補助し、これにより、供給される材料が（描画時にペイントブラシが案内される方法と同様に）平坦な角度で供給され、したがって、キャビティの充填が単純化され、最適化される。

これは、例えば、ロボット誘導型の供給装置又は選択的に連動される他の移動装置によって実行されてもよい。供給装置の動きをローラの回転と連動させる必要がある。ローラの動きは、連続的／均一であってもよいし、あるいは、材料供給又は凝固プロセスの条件に最適化された速度プロファイルを有するように調整されてもよい。

ｆ）原則として、材料は、液体、チキソトロピー状態又は固体であるか、又はこれらの中間相で供給される。これらについては、本発明者による補足的な発明の開示又は特許出願において詳細に説明している。

ｇ）原則として、全ての導電性材料、特にアルミニウム、銅及びこれらの合金、全ての金属材料、導電性プラスチック複合材料などのハイブリッド材料がコイルの材料に適している。

ｈ）材料が液体状態で供給されない場合（本出願人による他の特許出願を参照）、材料の加熱により、ローラ成形プロセスへの材料の供給が容易となり、供給が促進される。したがって、必要に応じて、例えば固相線温度の直下まで材料を加熱することにより、又は材料のチキソトロピー状態を選択的に調整することにより、供給装置における材料の供給及び特定のターン部の形状付けプロセスが非常に容易になるか又は最適化される。

ｉ）例えば、供給装置において供給材料を加熱してもよい。このため、全ての公知の加熱方法を用いてもよい。特に、チキソトロピー状態の材料を加熱及び調整する場合、材料を誘導加熱してもよい。この場合、材料が制御された状態で成形キャビティに導入されるように、供給プロセス中に材料が連続的に加熱される。

ｊ）供給装置における材料の加熱に替えて、電圧の印加により材料を加熱してもよい。この場合、供給装置と（キャビティを有する）歯面との間に電圧が印加される。電流／電圧を適切に制御することにより、供給装置から成形キャビティまでの経路において供給材料を選択的に直接加熱してもよい。

ｋ）任意選択的に、成形キャビティを有する歯面の温度を制御してもよい。あるいは、歯面の成形キャビティの制御加熱を行ってもよい。したがって、材料を供給した後に形状付けプロセスを補助してもよい。他方、例えば、液体材料（キャスティング）又はチキソトロピー状態の材料を供給する際に、成形キャビティにおける凝固に影響するように、歯面の制御冷却を行ってもよい。冷却の加速により、一方では接合特性が改善され、他方では、より大きな材料スループット（より高速のローラの回転速度）によって製造されるコイルの凝固又は冷却及び安定化が実現し、ローラ成形の生産性が向上する。

ｌ）成形キャビティの領域における回転ローラ上に適切な剥離剤を噴霧することにより、延伸されたコイルが回転領域から出るときに離型が容易となる。他方、剥離剤は、例えば、コイルのターン部の表面に酸化効果を有し、これにより、ターン部の間の電気絶縁が強化され（陽極酸化効果）、コイルの絶縁のための後続のコーティングを補助する効果が得られる。

ｍ）コイルを電気的に絶縁するためにコーティングを施してもよい。これは、延伸されたコイルが再度引き込まれる歯面形状を有する下流のローラ対により実現する。延伸されたコイルが通過する際に、絶縁材料が、圧延クラッドプロセスと同様に高温でターン部に適用されるように、前記第２のローラ対におけるキャビティに絶縁材料が最初に連続的に導入される。

ｎ）第２のローラ対（ｍ参照）におけるコーティングに替えて、実際に形状付けを行うローラ対に絶縁材料を適用してもよい。このため、導電性コイル材料を導入する前に、例えば、ｍ）において説明したように、絶縁層が成形キャビティに導入される。

ｏ）任意選択的に、前述したｍ）に替えて、コーティングは、形状付けプロセスに続き成形キャビティからコイルを離型せず、代わりに、一方のローラに対して軸方向にコイルを巻回することによって適用されてもよい。したがって、一回又は複数回の回転に続き、コイル形状は、一方のローラに巻かれることにより、係合領域に再び軸方向に到達し、ｍ）において説明したように、そこでコーティングされてもよい。次いで、既にコーティングされたコイルがローラから巻き戻されることにより離型される。

ｐ）コーティングの技術はさらに差別化されており、補足的な発明の開示によって詳細に説明されている。前記の方法は、既に特許出願されている公知のコーティングプロセスの代替案である。

Claims (9)

1. らせん構造又はコイル、特に電気機械に使用されるらせん構造を製造するためのローラ成形方法であって、
   第１のローラと、当該第１のローラに対向して回転する第２のローラとの間に材料を供給するステップを含み、
   前記ローラは連続的に又は可変の速度で回転し、
   前記第１のローラは第１の歯を有し、前記第２のローラは第２の歯を有し、前記第１の歯及び／又は第２の歯は、供給された前記材料を受けるキャビティを備えた歯面を有し、
   供給された前記材料が前記歯の間において前記らせん構造又は前記コイルの一部に成形されるように、前記ローラが回転しているとき、少なくとも１つの歯の前記キャビティが他のローラの歯の表面によって少なくとも一時的に境界付けられるように、前記歯が設計され、配列されている、ことを特徴とするローラ成形方法。
2. 供給する前記材料は、液体、チキソトロピー状態又は固体である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記材料が液体状態で供給されない場合、前記材料は、円形、長方形又は同様の断面を有する平坦な材料であり、かつ／又は曲折した構造を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記材料は、金属であるか、プラスチックからなるか、あるいは金属とプラスチックの組み合わせからなる、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の方法。
5. 金属の材料は、鉄、アルミニウム、銅又はこれらの合金を含む、ことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の方法。
6. 前記材料を前記ローラに供給する前に、前記ローラと供給装置の間に電流／電圧を印加すること又は誘導加熱により前記材料を加熱する、ことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の方法。
7. らせん構造又はコイル、特に電気機械に使用されるらせん構造を製造するためのローラ成形装置であって、
   第１のローラ及び当該第１のローラに対向して回転する第２のローラを少なくとも備え、
   前記第１のローラは第１の歯を有し、前記第２のローラは第２の歯を有し、
   前記第１の歯及び／又は前記第２の歯は、供給された材料を受けるキャビティを備えた歯面を有し、
   供給された前記材料を前記らせん構造又は前記コイルの一部に成形するため、前記ローラが回転しているときに、少なくとも１つの歯の前記キャビティが他のローラの歯の表面によって少なくとも一時的に境界付けられるように、前記歯が設計され、配列されている、ことを特徴とするローラ成形装置。
8. 前記歯は、任意選択的に、直線歯及び傾斜歯、特に一連の「直線歯／傾斜歯／直線歯」を部分的に有する、ことを特徴とする請求項７に記載のローラ成形装置。
9. 特に前記ローラに対して平坦な材料を傾斜及び回転させるために、前記ローラに供給された前記材料を整列させる供給装置を有する、ことを特徴とする請求項７又は８に記載のローラ成形装置。