JP7441215B2 - コイルを製造するための方法及び工具並びに製造されたコイル - Google Patents

Description

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の一部を充たすに過ぎない。その結果、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。

上記欠点はアルミニウム又は銅製の鋳造コイルにより補うことができる。しかし、十分な耐用年数を有する永久的なモールド（永久モールド）を用いた、連続的な製造に適したアルミニウム又は銅製の鋳造コイルあるいはアルミニウム又は銅合金から形成された鋳造コイルの製造方法は今まで知られていない。

電気機械の出力密度又はトルク密度を高めるため、複雑で手作業で製造されるコイルは、一連の製造工程と比べて充填度を改善させるように巻回されていた。断面が一定であるワイヤが巻線の高さ全体に亘って使用される。この場合、従来の電気機械では、内側から外側に向けて互いに重ねて配置されたコイルの巻線により、放熱性が損なわれ、コイルの加熱が激しくなり、したがって、巻線の断面積に対する最大電流密度が制限される。

アルミニウム又は銅製の鋳造コイルあるいはアルミニウム又は銅合金から形成された鋳造コイル自体は周知であるが、当該コイルは、これまで永久モールドではなく、例えば、インベストメント鋳造、ロストフォーム工程におけるロストコア、あるいは輪郭を画定し、融解物（溶融物）が工具と直接接触するのを防ぐソルトコアを用いて製造されていた。

従来技術では、広範囲の異なる形状を製造するために輪郭を画定するモールドを使用していた。複雑な形状の場合、鋳造部品を簡単に取り外すことができるように、一つ又は複数の仕切りを有するモールドに加えてスライダが使用されるか又はコアが挿入される。

銅からなる構成部品を製造する場合、鋳造温度が１１００℃以上の高温となるため、工具及びコアに対する要求が高くなる。モールドの充填中における熱応力、特に温度衝撃は、従来の材料に急速な劣化及び損傷をもたらす。劣化は、工具又はコアの侵食及び亀裂によって生じる。これらの亀裂により、離型された構成部品の表面に隆起したバリが生じる。その結果、工具の耐用年数が非常に短くなり、構成部品の品質が著しく低下し、大幅な仕上げ作業が必要となる。全体的に、従来の工具を使用して経済的な結果を達成することは非常に困難である。

従来の工具の概念は、幾何学的に複雑な永久モールドあるいは移動可能な永久又は非永久、つまりロストコア又はスライダの付加的な使用に至る。これらのモールドは、メンテナンスに多大な労力が必要であり、スクラップ率も高いため、単に実験室の設定だけで使用していた可能性がある。

ＥＰ２８１９２７６Ａ２は、例えば、圧力ダイカスト工程のため、簡単に形成される２つの部分からなる永久モールドを許容する幾何学的に修正された原型の幾何形状を開示している。これは、巻線をそれぞれ１８０°回転させることにより実現し、したがって、コイルの幾何学的な複雑さが大幅に軽減される。しかし、組み立てられた状態でコイルの幾何形状を実現するため、鋳造工程の後、非常に複雑な形状付け工程が必要となる。したがって、幾何学的な単純化の実現にはさらに複雑な工程が必要となる。

本発明の目的は、前記困難性及び不利益を克服し、設置スペースを可能な限り使用することを目的とした、所望の幾何形状を有するコイルを最小限のコストで製造可能であり、連続的な製造に適した方法を提案することである。本発明のさらなる目的は、比較的小さな設置スペースで容易かつ僅かな労力で製造可能なコイルを提供すること及びそのようなコイルを製造するための適切な工具又は対応する製造方法を実行するための適切な工具を提案することである。

前記目的は、請求項１に記載の方法、請求項１４に記載のコイル、請求項１５に記載の鋳造工具により実現する。本発明の有利な実施例及び変更例は、従属請求項に記載の特徴から明らかになるであろう。

コイルを製造するための方法において、第１に、細長いコンダクタの形態をなす半完成品が、鋳造により、鋳造工具のキャビティ内で形成され、次いで、半完成品の脱型（離型）後、半完成品を形状付けることによりコイルが形成される。本発明によれば、コイルの長手方向軸に沿って延伸させることにより及び／又はこの長手方向軸を曲げることにより、半完成品の形状が完成品コイルに基づくように鋳造工具のキャビティが形成される。コイルを形成するための形状付け中に、半完成品に既に存在するコイルの巻線が少なくとも所定の領域において互いに近づき、完成品コイルの長手方向軸に沿って配置されるように、半完成品が曲げられ、圧縮される。コンダクタは、形状付け中に個々の巻線の経路に亘って直角を超えないようにねじられるか又は曲げられる。

この方法の利点は、一方では、好ましくはアンダーカットのない鋳造半完成品の設計により、ロスト成形用工具部品を必要とせずに、鋳造工具を簡単に構築できかつ脱型が容易になり、他方、比較的複雑でない形状付けによって半完成品を完成品コイルとすることができる。

半完成品は、ローゼットとして形成され、巻線が、形状付け前に中心点を中心として扇状に配置される。この場合、半完成品の外形に対応する鋳造工具のキャビティは、半完成品を鋳造するときに中央から充填され、一つ又は複数のスプルーがローゼットの中央に形成される。これにより、半完成品又はコイルのコンダクタを形成する材料のための流路が短くなるため有利である。特に、鋳造工具のキャビティは、半完成品を形成する際、下方から中央に充填されてもよい。

特に単純な実施例では、鋳造工具の２つの工具半部だけでキャビティが形成される。半完成品にアンダーカットがない方向、好ましくはローゼットの軸方向に鋳造工具を分離させることにより半完成品が脱型される。この場合、通常、任意の付加的なモールドコア、スライダ又はロストモールド部品は必要なくなる。鋳造工具は永久モールドとしてもよい。したがって、前記方法は、連続的な製造に適しており、かつ経済的に実施される。

半完成品を鋳造し、コンダクタを形成するための材料は、通常、導電性の高い金属である。特に、半完成品は、アルミニウム又は銅から形成されるか、あるいはアルミニウム又は銅を含む合金から形成されてもよい。

コイルを形成するため、通常、半完成品は、好ましくは、半完成品を形成する材料を融解させることなく、塑性変形される。

半完成品を形状付けるため、端部にショルダー部が設けられたガイドロッド又はマンドレルに亘って巻線をスライドさせる。ショルダー部は第１の巻線のストッパとして機能する。このように形成されたコイルの後方から、さらなる工具部品をガイドロッド又はマンドレルに沿ってスライドさせる。これにより巻線が互いに圧縮される。

コンダクタは、通常、平坦な断面を有する。当該断面は、コイルの長手方向軸の方向においてより小さな径を有し、コイルの長手方向軸と直交する方向においてより大きな径を有する。これにより、コイルの省スペース構造が実現する。

したがって、前記方法等により製造されたコイルは有益である。そのようなコイルは、電気機械、特に電気モータにおける使用に適している。このように製造されたコイルの利点は、省スペース及び軽量化が重要となる用途、例えば、航空機の電気モータ、対応して装備された電気モータが、舵、フラップ又は着陸装置の部品に用いられる用途において特に顕著となる。

前記方法の実行に適した鋳造工具及び対応するコイル又は対応する半完成品の製造に適した鋳造工具は、脱型方向にアンダーカットがないキャビティを囲む２つの鋳造工具を含む。キャビティは、中心から扇状に広がるように配置された一連の巻線を形成する。脱型方向はローゼットの軸方向に対応する。好ましくは、この鋳造工具は中央からキャビティを充填するように設計されている。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、鋳造工具の２つの工具半部の一方を示す正面図である。 図２は、双方の工具半部が閉じられた状態の鋳造工具を示す斜視図である。 図３は、鋳造により鋳造工具を用いて製造された半完成品を示す斜視図である。 図４は、半完成品の平面図である。 図５は、形状付け工程の連続した３つのステージにおける形状付け工具の２つの部品及び半完成品から製造されたコイルの斜視図であって、より具体的には図の左側は分解図であり、図の右側はガイドロッド又はマンドレルに亘ってスライドする半完成品の巻線又はコイルの巻線を示す斜視図である。 図６は、ガイドロッド又はマンドレルが湾曲している形状付け工具の変更形態を示す斜視図である。

図１は、鋳造工具における下側の工具半部１を示している。この鋳造工具におけるローゼット形状のキャビティ２が図示されている。キャビティ２は、下側の工具半部１を上側の工具半部３に接続することにより閉じられる。

図２は完全に閉じられた鋳造工具を示している。また、インレット開口４が図示されている。このインレット開口４を通して、より具体的には、キャビティにより形成されたローゼットの中心からキャビティ２が充填される。この鋳造モールド（鋳型）は永久モールドとして再利用される。

図３，４は、この鋳造工具を用いて鋳造により形成された半完成品５を示している。半完成品５は、アルミニウム又は銅から形成されるか、あるいはアルミニウム又は銅を含む合金から形成される。半完成品５は、後に半完成品５から形成されるコイルの巻線が既に形成されている細長いコンダクタである。この場合、半完成品５は、キャビティ２の形態に対応したローゼットの形態で形成され、中心から扇状に広がるように巻線が配置される。図３，４に示す半完成品５には、ローゼットの軸方向にアンダーカットが存在しない。このため、半完成品５は、鋳造及び硬化後に、この軸方向に工具半部１，３を分離することにより脱型され得る。この方向を図２に２本の矢印で示す。この場合、鋳造モールド（鋳型）は、モールドコア、任意のスライダ又はロストモールド部品を必要としない。

半完成品５は、前記コイル６を形成するため（半完成品又はコンダクタを形成する材料を融解させずに）塑性変形される。このため、得られるコイル６の巻線が、形状付け工程中に、互いに対して移動する、つまり、互いに接近し、完成品コイル６の長手方向軸に沿って配置されるように、半完成品５が曲げられ、圧縮される。この場合、コンダクタは、各巻線の経路に亘って約２０°以下の角度でねじられ、曲げられる。これが可能となるのは、コイル６の長手方向軸に沿って延伸させること及びこの長手方向軸を曲げることにより、鋳造工具で形成される半完成品５の形状が完成品コイル６の形態に基づくように鋳造工具のキャビティ２が形成されるためである。

図５に示すように、半完成品５は、形状付け工具により、コイル６を形成するように形状付けられる。形状付け工具は、端部にショルダー部８が設けられたガイドロッド又はマンドレル７を有する。形状付けのため、半完成品５の巻線をガイドロッド又はマンドレル７に沿ってスライドさせる。このため、ガイドロッド又はマンドレル７は巻線を通って延びている。本実施例では、ショルダー部８は第１の巻線のために使用される。半完成品５の後、巻線を互いに押しつけ、コイル６が極めて小さな体積を満たすコイル６の最終形態を形成するように、ガイドロッド又はマンドレル７に沿ってさらなる工具部品９をスライドさせ、これによりコイル６が形成される。

図５では、半完成品５は既に直線的な形態で示されている。当該形態では、ローゼットが開かれ、巻線がコイル６の長手方向軸に沿って配置され、互いに配列されている。図６は、形状付け工具の変更形態を示している。この形状付け工具を用いてローゼット又は半完成品５を直線状にする工程は、前記工具により簡略化され、巻線が互いに押し付けられたときに完了する。この変形形態では、ガイドロッド又はマンドレル７は湾曲している。

最初に半完成品５を形成し、後にコイル６を形成するコンダクタは平坦な断面を有する。この断面は、コイル６の長手方向軸の方向においてより小さな径を有し、コイルの長手方向軸に直交する方向においてより大きな径を有する。

コイル６は、電気機械、例えば電気モータに使用される。そのような電気モータは、航空機において、例えば、舵、フラップ又は格納式着陸装置のための駆動装置として使用される。

鋳造部品、すなわち、前記実施例の場合、半完成品５が対称的に配置されているため、遠心鋳造による製造も利用可能である。複数個所での充填のため、複数のキャビティを連続して配置してもよい。

２つのモールド半部を使用する従来の手法では、低圧ダイカストの場合、キャビティは、下方から中央に充填され、入口が機械的に閉じられるか、あるいは、入口領域を閉じるため、対応する薄肉設計及び／又は入口領域における温度制御により急速な硬化が生じる。次に、融解状態である中央部分にラムが上方から導入され、ラムの圧力下で材料が外側輪郭部分に供給される。次いで、低圧ダイカストの層状充填が、圧力による材料供給、すなわち高圧ダイカストと組み合わされる。

キャビティの中央部分がるつぼからなるように鋳造工具を設計してもよい。るつぼには誘導により融解する金属粒状材料が充填される。るつぼにおける融解後、モールド及びるつぼを回転させ、遠心力及び対応するるつぼの設計によって、融解物（溶解物）がるつぼのエッジに亘ってキャビティへと押し込まれるか、あるいは、入口領域用の切り欠きを有するラムを上方からモールドに打ち込み、るつぼの壁部を下方に押す。るつぼの底部はその位置に留まる。るつぼの壁部を下方に押すことにより、鋳造される輪郭の入口が露出し、るつぼにおける融解物が、入口に対応するラムの開口部を通ってキャビティに押し込まれる。

様々な実施例に基づいて本明細書に記載した本発明により、コイル製造の複雑さを低減させる方法を提案した。これにより、前記コイルは、幾何学的に単純な２つの部品からなる永久モールドを用いて製造される。これは、鋳造工程及びこれに続くコイルの塑性変形の組み合わせにより実現する。このため、製造工程が大幅に簡素化される。図１～４に示すように、工具構成のためのコイルの幾何形状（ジオメトリー）は、いわばそれ自体から仮想的に引き離され、アンダーカットのない幾何形状をもたらすため円形（ローゼット状）に配置され、２つの部品からなる工具に挿入される。

鋳造工程後、幾何学的な組み立て状態を実現するため、コイルは再び塑性変形される。幾何形状の中央にスプルーが配置され、したがって、モールドを可能な限り最短の流路で対称的に充填することができる。コイルに亘って長手方向に変形が行われる図示例の場合と同様に、短辺、すなわち巻線頭部に亘る変形も可能である。前記幾何形状は、本明細書において、種々の鋳造工程、特に、中央スプルーを使用した、重力砂型鋳造、低圧砂型鋳造、重力永久モールド鋳造、低圧永久モールド鋳造及び圧力ダイカストにおいて使用され得る。インベストメント鋳造のためのワックス又はプラスチックから形成された原型にスプレーを吹き付けてもよいし、ロストフォーム工程では原型を発泡させてもよい。さらに、スプルーの中央配置により、スタック鋳造工程が実現する。記載した全ての工程において、複数のコイル工具を互いに積み重ねて、１回の離型工程で離型が実行する。この場合、工具インサートは、従来の工具材料から形成してもよいし、あるいは、特に、銅の処理時における高温応力及びアルミニウムの使用に伴う高い工具負荷に対応するようにセラミック材料から形成してもよい。

本明細書において説明したコイルの製造は、単純な工具の幾何形状、コイルのための半完成工具の単純な製造及びその後の単純な仕上げ作業によって特徴付けられる。処理工程にスプルー領域を用いてもよい。スプルーは、コイルの幾何形状を補強し、後続の基本的な工程の後に取り除いてもよい。入口を最適な位置、例えば、巻線の中央又はエッジに配置することで、形状付け前の最後のステップで入口を取り除くことができ、残存するバリは許容され得る。モールド全体の幾何形状は、製造を容易にするため、生じ得るバリを許容するように設計されてもよい。このため、例えば、離型工程により形成された完成品コイルにおけるバリが、上記目的のため隣接する巻線の表面に設けられたキャビティに位置するように、鋳造工具を設計してもよい。

巻線の幾何形状の製造に続いて、バリ取り、研磨、洗浄、研削、コーティングなどのさらなる工程が行われる。この場合、前記幾何形状は、事前形成されたコイルのために改善されたアクセス性により有利であることが証明されている。必要な半完成品の処理のため、製造工程において、位置決め、固定及び処理用の補助具などを工具に組み込んでもよいし、前記工具を必要に応じて除去するか又はさらなる処理に使用してもよい。前記幾何形状の第２に重要な利点は、巻線の中心にガイドロッドを挿入し、巻線を互いに直接形状付けることによる鋳造後の単純な形状付け工程である。これは、図５，６に示すように、ショルダー部を有するマンドレルにコイルを通すことによって実現する。前記設計により、コイルが変形されるか、組み立て状態に戻る。形状付け工程とキャリブレーション（較正）とを組み合わせてもよい。ガイドロッドは、ねじ切りを容易にするために開始端が細く、圧力がかかる（ショルダー部８の）停止面に向けて太くなり、当該位置で巻線内側の端部輪郭に対応する。理想的には、内側の端部輪郭は、得られるコイル全体と少なくとも同じ高さを有する（図５，６参照）。

本明細書において提案した製造方法の使用は、完成品から明らかになる場合がある。したがって、鋳造体の簡単な目視検査及び金属組織分析により、鋳造部品の製造履歴が示される。特に、巻線頭部及び巻線における塑性変形した領域は、金属組織的に証明され得る。

Claims (13)

1. コイルを製造するための方法であって、
   細長いコンダクタの形態をなす半完成品を鋳造により鋳造工具のキャビティ内で形成し、
   前記半完成品の脱型後、前記半完成品を再び形状付けることにより前記コイルを形成し、
   前記半完成品の外形は、前記コイルの長手方向軸に沿って延伸させることにより及び／又は前記長手方向軸を曲げることによって、完成品であるコイルの形状から導かれ、
   前記半完成品に既に存在する前記コイルの巻線が、形状付けの間に少なくとも所定の領域において互いに近づき、前記完成品であるコイルの前記長手方向軸に沿って配置されるように、前記半完成品は前記形状付けの間に曲げられ、圧縮され、
   前記コンダクタは、形状付けの間に、個々の巻線に沿って直角を超えないようにねじられるか又は曲げられ、
   前記半完成品はローゼットとして形成され、前記巻線は、形状付け前に中心点の周囲に扇状に配置される、ことを特徴とする方法。
2. 前記半完成品を鋳造する際、前記半完成品の外形に対応する前記鋳造工具の前記キャビティは中央から充填される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記キャビティは、前記鋳造工具の２つの工具半部によって形成され、
   前記半完成品は、前記半完成品にアンダーカットがない方向に前記工具半部を分離させることにより脱型される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記鋳造工具は永久モールドである、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. 前記半完成品は、アルミニウム又は銅から形成されるか、あるいはアルミニウム又は銅を含む合金から形成される、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. 前記コイルを形成するように、前記半完成品を塑性変形させる、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. 前記半完成品を形状付けるため、ガイドロッド又はマンドレルに沿って前記巻線をスライドさせる、ことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の方法。
8. 前記コンダクタは、前記コイルの前記長手方向軸の方向においてより小さな径を有し、前記コイルの前記長手方向軸と直交する方向においてより大きな径を有する平坦な断面を有する、ことを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の方法。
9. 前記半完成品は、低圧ダイカスト工程及び／又は高圧ダイカスト工程及び／又は遠心鋳造工程又は重力鋳造工程により鋳造される、ことを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の方法。
10. 前記半完成品を形成する際、より低い第１の圧力での前記キャビティの第１の充填後、前記鋳造工具の入口が機械的に閉じられるか又は入口領域において凝固が促進され、かつ／あるいは前記鋳造工具における、融解状態である充填中心にラムが導入され、前記キャビティは、前記ラムにより生じるより高い第２の圧力で、材料が充填される、ことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の方法。
11. 前記鋳造工具の中央に配置されたるつぼは、当該るつぼにおいて融解し、当該るつぼに接続された前記キャビティを充填するように用いられる金属粒状材料で充填される、ことを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記粒状材料は、前記るつぼにおける誘導により融解し、かつ／又は前記るつぼの回転又はラムの圧力により前記キャビティに押し込まれる、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 請求項１～１２のいずれかに記載の方法を実行するための鋳造工具であって、
    脱型方向にアンダーカットがないキャビティを囲む２つの工具半部を有し、
    前記キャビティは、中心の周囲に扇状に広がるローゼットの形態をなして配置された一連の巻線を形成し、
    前記脱型方向は前記ローゼットの軸方向に対応する、ことを特徴とする鋳造工具。

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