WO2018224604A1 - Halbzeug für eine elektrotechnische spule sowie verfahren und vorrichtung zur herstellung desselben - Google Patents

Halbzeug für eine elektrotechnische spule sowie verfahren und vorrichtung zur herstellung desselben Download PDF

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WO2018224604A1
WO2018224604A1 PCT/EP2018/065064 EP2018065064W WO2018224604A1 WO 2018224604 A1 WO2018224604 A1 WO 2018224604A1 EP 2018065064 W EP2018065064 W EP 2018065064W WO 2018224604 A1 WO2018224604 A1 WO 2018224604A1
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wire
forming
holding
waveform
sectional shape
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Markus Bergmann
Mirko Bach
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • 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
    • H02K15/043—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings prior to their mounting into the machines winding flat conductive wires or sheets
    • H02K15/0432—Distributed windings
    • H02K15/0433—Distributed windings of the wave winding type

Definitions

  • the present invention relates to a semifinished product for an electrotechnical coil and to a method and an apparatus for producing this semifinished product.
  • the achievable torque density of permanent-magnet synchronous machines with a tooth coil winding largely depends on the ratio of total copper cross-sectional area to groove area, the so-called slot fill factor.
  • An increase in the fill factor allows for a constant torque of a flatter construction of the stator or a broadening of the teeth to relieve the magnetic circuit.
  • the essential technical manufacturing difficulty is the application of the windings on the tooth.
  • the prior art comprises several conventional manufacturing methods.
  • One method of machining is the needle winding technique, in which the wires are passed individually through the window between two teeth. This requires a certain clearance, which must be considered constructively and has a negative effect on the fill factor.
  • EP 2 387 135 A2 discloses a coil casting technique with which Although it is possible to increase the filling factor, which is considerably more uneconomical than a coil to be deformed (lost shape, etc.), the patent DE 10 2013 012 659 A1 and DE 10 2014 000 636 A1 disclose production methods which only make the wire cross section Based on DE 10 2013 012 659 A1 and DE 10 2014 000 636 A1, new restrictions arise in the economy, which include a geometrical desired shape of the wire section for the effective region and the left-hand input form of the wire for the region the winding head of the electrotechnical coil demand Need to produce larger numbers of engines.
  • the object of the present invention to provide a semifinished product for an electrotechnical coil and a method and an apparatus for producing this semifinished product, with which an electrotechnical coil to achieve an increased RailConors or Nut sleeplllibs can be produced economically and reproducibly in a reliable and simple manner.
  • the method according to the invention for producing a semifinished product for an electrotechnical coil according to claim 1 comprises the following steps:
  • Step A Arrange an electrically conductive wire in waveform.
  • Step B bonding at least one bonding means to at least two spaced apart portions of the waved wire.
  • Step C Forming the waved wire to form at least one deformation area by changing the cross-sectional shape of the wire.
  • a flat clutch is formed, which is fixed by the connecting means in its planar shape.
  • a local change in the cross-sectional shape of the wire to form one or more forming areas can be done in a particularly simple manner.
  • a winding of the wave-shaped wire can be made such that the forming areas are aligned exactly or substantially parallel to the winding axis, so that the forming areas are not additionally curved during winding.
  • the linear or non-curved state of the deformation regions is maintained.
  • the present invention enables the relatively simple production of uniform or conical coils with constant or changing conductor cross-sectional shape with the same surface area of the conductor and aims at the use of the advantages of forming production (no / little material loss) and the concomitant shortening of process chains by the Elimination of manufacturing and processing steps.
  • Step D conveying the waved wire in its extension plane, preferably in a conveying direction opposite to a laying direction of the wire.
  • Step E Applying a coating of an electrically insulating material to the wire, preferably after step C and / or before step G.
  • Step F Dry the coating.
  • Step G Winding the arranged in waveform wire, preferably such that the at least one forming area is aligned exactly or substantially parallel to the winding axis.
  • the wire for the final coil winding can already be largely prefabricated.
  • the coating can avoid a short circuit between the possibly contacting coil windings, in particular if the coil windings are additionally compressed by exerting a compressive force along the winding axis.
  • the present invention achieves an increase in productivity and transportability of preformed coated wire sections for coils to be wound.
  • step A has at least one of the following substeps:
  • Step A1 providing the wire, preferably as an endless wire, preferably by extrusion, extrusion or unwinding from a coil, the wire preferably having a cross-sectional shape that is constant over the length, preferably a circular or rectangular cross-sectional shape.
  • Step A2 Laying the wire in a laying direction with alternately forming oppositely curved first and second loops, each with a formed between two successive loops forming section.
  • Step A3 Waveforming the wire using first and second holding means each having a plurality of holding portions arranged along a line, which are preferably formed identically and / or regularly spaced from one another, the lines along which the holding portions of the first and second Holding devices are arranged, preferably horizontally and / or parallel to are aligned with each other, wherein the sub-step A3 preferably comprises the following sub-steps:
  • Step A3-1 Forming a first loop by guiding the wire coming from the second holding device around a part of a holding section of the first holding device which is repelling it and back again in the direction of the second holding device, preferably forming a bend with a continuous bending radius and / or in one Angle in the range of 160 ° to 200 °, preferably in the range of 170 ° to 190 °, particularly preferably 180 °, without the wire crossing, wherein the wire preferably along the entire first loop or at least a part thereof bending inside of the Supporting portion of the first holding device is supported.
  • Step A3-2 Forming a second loop by guiding the wire coming from the first holding device around a part of a holding section of the second holding device and returning it towards the first holding device, preferably forming a bend with a continuous bending radius and / or in one Angle in the range of 160 ° to 200 °, preferably in the range of 170 ° to 190 °, particularly preferably 180 ° without the wire crossing, wherein the wire preferably along the entire second loop or at least a part thereof bending inside of the Supporting portion of the second holding device supported.
  • Step A3-3 applying a tensile stress to the wire such that the forming sections of the wire arranged between each two successive loops are stretched and extend along a straight line, wherein the forming sections are preferably exactly or substantially equally long and / or aligned parallel to one another are and / or regularly spaced from each other.
  • a plastic deformation of the initially linear wire in waveform can be achieved by simple means.
  • the bending deformation of the wire is thereby facilitated by correspondingly shaped holding portions of the holding devices and by exerting a tensile force, preferably starting from the leading end in the laying direction of the wire.
  • the bending radii of the wire in the region of the first and second loops and the resulting distances of the forming sections can be determined individually depending on the nature and thickness of the wire.
  • the curvature radii matched to the desired bending radii of the wire to the respective bending inner sides of the first and second loops of the holding portions of the holding means.
  • the distance between two adjacent forming sections is preferably in the range of 100 to 1000% of the (undeformed) wire diameter, preferably in the range 200 to 500% of the (undeformed) wire diameter, more preferably in the range 300 to 400% of the (undeformed) wire diameter.
  • the bending radii in the region of the first and second loops correspondingly correspond to half the distances between two adjacent forming sections.
  • Each forming section preferably extends from a first loop to a subsequent second loop or from a second loop to a subsequent first loop.
  • step B has at least one of the following substeps:
  • Step B1 Provision of at least one strand-shaped connecting means, preferably of metal or plastic, by extrusion or extrusion.
  • Step B2 connecting the at least one strand-shaped connecting means to a first section of the waved wire, preferably to a forming section.
  • Step B3 arranging the at least one strand-shaped connection means in the direction of the wire and / or transversely, preferably perpendicularly, to the first section of the waved wire, wherein preferably a plurality of strand-like connection means are spaced evenly from one another transversely or perpendicular to the laying direction of the wire.
  • Step B4 connecting the at least one strand-like connecting means to a second section of the waved wire, preferably with a forming section, preferably such that a plurality of strand-shaped connecting means are aligned parallel to each other and / or parallel to the laying direction of the wire.
  • Step B5 connecting the at least one strand-shaped connecting means to each further aligned portion of the undulating member Wire, preferably with each further forming section, which crosses the at least one strand-shaped connecting means in the direction of laying.
  • the connecting means of the arranged in waveform wire is fixed in its planar extent. This proves particularly for the downstream step of forming the wire to form one or more forming areas by changing the cross-sectional shape of the wire as advantageous because it must be acted upon with force on the wire. This can cause the waveform of the wire to be disturbed and / or interrupted. This is precisely what is prevented by the connecting means.
  • the connecting means thus has a stabilizing function, both during the promotion of the waved wire in its plane of extent and in a possible downstream winding and the corresponding rewinding from the wound in a flat state. After fulfilling its stabilizing function, the connecting means can be removed. From a practical point of view, the connecting means may be made of the same material as the wire.
  • the connecting means is for example extruded extruded or unwound from a roll and placed in a plastic and deformable state with the wire in contact to enter into a cohesive connection with the wire when cooling.
  • the connecting means can be materially and / or positively and / or non-positively connected to the wire.
  • the same type of connection is selected at each connection point.
  • step C has at least one of the following substeps:
  • Step C1 Forming the wire to form at least one deformation area while maintaining the cross-sectional area of the wire, wherein the cross-sectional shape is preferably changed from a round or rectangular cross-sectional shape to an oval, rectangular or trapezoidal cross-sectional shape.
  • Step C2 forming the wire to form a plurality of deformation regions, each having the same length and / or the same cross-sectional shape.
  • Step C3 forming the wire to form a plurality of mutually objectionable forming regions within the same forming section of the wire, wherein the plurality of forming sections are preferably located between two adjacent connecting means.
  • Step C4 Re-forming the wire to form a plurality of mutually objectionable forming regions within the same forming section of the wire, wherein the plurality of forming sections are preferably located on different sides of the same connecting means.
  • Step C5 forming the wire in several or all of the forming sections of the wire according to a repeating pattern, preferably such that several or all of the forming sections of the wire have identical forming sections.
  • Step C6 Reshaping the wire by changing the cross-sectional shape of the wire according to the German patent application DE 10 2016 224 837.5.
  • the deformation of the wire serves the vorgreiflichen change in the cross-sectional shape, so that the wire ideally takes the original cross-sectional shape in the undeformed state at a corresponding bend in the way of making the electrical coil.
  • Corresponding techniques are described in German patent application DE 10 2016 224 837.5, the contents of which are incorporated by reference in their entirety in the disclosure of the present application.
  • step G has at least one of the following substeps:
  • Step G1 Providing means for winding the waved wire so that the winding axis of the device is located below the waved wire.
  • Step G2 conveying the waved wire in the conveying direction in a plane parallel to the winding axis.
  • Step G3 rolling up the forward end of the waved wire in the conveying direction about the winding axis so that the at least one forming portion of the wire, preferably the forming portions of the wire, is / are aligned parallel to the winding axis.
  • Step G4 Fix the waved wire in a state wound around the winding axis.
  • Another independent aspect of the invention relates to a device for producing a semifinished product for an electrotechnical coil, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, comprising:
  • a wire laying tool configured to alternately form, in the laying direction of the wire, a first loop around a holding portion of the first holder and a second loop around a holding portion of the second holder such that each forming portion of the wire extends between two successive loops.
  • Means for connecting the connecting means to at least two spaced-apart portions of the waved wire Means for connecting the connecting means to at least two spaced-apart portions of the waved wire.
  • the holding devices 13a, 13b have holding sections (not shown) which are suitable for wire reception and positioning / fixing and in which the wire 1 can be suspended and formed into loops 1a, 1b.
  • the continuous or quasi-continuous or incrementally driven holding devices 13a, 13b guide the wire 1 to one or more effective regions / machines or downstream devices 14, 15 and 16.
  • the invention applies to coated materials in which a subsequent necessary isolation step is eliminated.
  • the invention is not bound to a coil form, it can straight, convex, concave or conical coils and rotationally and non-rotationally symmetric coils are made from this preform.
  • the preform is produced by forming.
  • grinding samples (destructive material testing) on turns cross-sections can be detected whether a coil or its preform has been produced by forming.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieses Halbzeugs. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbzeug für eine elektrotechnische Spule, mit dem eine elektrotechnische Spule unter Erzielung eines erhöhten Füllfaktors bzw. Nutfüllfaktors auf zuverlässige und einfache Art und Weise reproduzierbar wirtschaftlich hergestellt werden kann, umfasst die Schritte: - Schritt A: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts (1) in Wellenform; - Schritt B: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform angeordneten Drahts (1); - Schritt C: Umformen des in Wellenform angeordneten Drahts (1) unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts.

Description

Halbzeug für eine elektrotechnische Spule sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieses Halbzeugs.
Bislang werden Spulen aus Runddraht gewickelt, was aufgrund der Leiterform zur mangelnden Raumnutzung speziell bei konisch ausgeführten Spulen führt, oder durch Gießen hergestellt, was ein sehr aufwendiges Verfahren ist.
Gemäß der EP 2 387 135 A2 hängt die erreichbare Drehmomentdichte permanenterregter Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung maßgeblich von dem Verhältnis von gesamter Kupferquerschnittsfläche zu Nutfläche, dem sogenannten Nutfüllfaktor, ab. Eine Erhöhung des Füllfaktors ermöglicht bei gleich bleibendem Drehmoment einen flacheren Aufbau des Stators oder eine Verbreiterung der Zähne zur Entlastung des Magnetkreises.
Eine wesentliche geometrische Einschränkung liegt im Stand der Technik in den beschränkten Möglichkeiten zum Einsatz unterschiedlicher Windungsquerschnitte: Üblicherweise kommen Runddrähte für die Wicklungen zum Einsatz, bei denen selbst bei optimaler Ausnutzung immer ein nicht nutzbarer Zwischenraum zwischen den einzelnen Wicklungen verbleibt. Auch die notwendige Isolation, die Drahteinführung und die diskrete Verteilung der Leiter begrenzen den Füllfaktor. Da der letztendlich erzielte Nutfüllfaktor zudem bei der elektromagnetischen Auslegung nur geeignet geschätzt und aufgrund der Unkenntnis der späteren tatsächlichen Ausführung des Motors nicht berechnet werden kann, werden die Motoren aufgrund der höheren notwendigen Massen (Kupfer der Wicklungen und Blechpakete des Stators und des Rotors) tendenziell (zu) schwer und (zu) groß.
Die wesentliche fertigungstechnische Schwierigkeit besteht im Aufbringen der Wicklungen auf den Zahn.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit den heute üblichen Verfahren der Herstellung von Spulenwicklungen technische und wirtschaftliche Grenzen der Nutfüllung mit einzelnen Windungen bestehen. Ein Nutfüllfaktor von 70 % ist bereits ein sehr guter Wert, die technisch wie wirtschaftlich sinnvoll machbaren Grenzen liegen momentan bei ca. 75 % bis 80 % (Quelle: Müller, Vogt, Ponick: "Berechnung elektrischer Maschinen", S. 168, 6. Auflage, Wiiey-VCH, Weinheim, 2008.") Das aus der EP 2 387 135 A2 bekannte Verfahren ermöglicht die Herstellung von Spulen durch Gießen unter Erfüllung der o. g. Anforderungen, ist jedoch unwirtschaftlicher als eine umformende Herstellung von Spulen (keine verlorene Form etc.).
Laut EP 2 387 135 A2 umfasst der Stand der Technik mehrere konventionelle Fertigungsverfahren. Ein Verfahren zur maschinellen Herstellung ist die Nadelwickeltechnik, bei der die Drähte einzeln durch das Fenster zwischen zwei Zähnen hindurchgeführt werden. Hierfür ist ein bestimmter Freiraum erforderlich, der konstruktiv berücksichtigt werden muss und sich negativ auf den Füllfaktor auswirkt. Eine weitere Möglichkeit ist das so genannte„Einträufeln" von Wicklungen in das Nutfenster über den Zahn hinweg. Dies ist jedoch ein Vorgang, der manuell durchgeführt wird und daher entsprechend kostenintensiv ist. Des Weiteren offenbart die EP 2 387 135 A2 eine Spulengießtechnik, mit welcher sich zwar der Füllfaktor erhöhen lässt, welche aber wesentlich unwirtschaftlicher ist, als eine umformend herzustellende Spule (verlorene Form etc.). Aus den Schutzrechten DE 10 2013 012 659 A1 und DE 10 2014 000 636 A1 gehen Fertigungsverfahren hervor, welche den Drahtquerschnitt erst nach dem Wickeln der Elektrospule umformtechnisch beeinflussen. Aufbauend auf der DE 10 2013 012 659 A1 und der DE 10 2014 000 636 A1 ergeben sich neue Restriktionen aus der Wirtschaft, welche eine geometrische Sollform des Drahtabschnittes für den Wirkbereich sowie die belassene Eingangsform des Drahts für den Bereich des Wickelkopfes der elektrotechnischen Spule fordern. Weiterhin besteht künftig die Notwendigkeit zur Fertigung größerer Stückzahlen von Motoren.
Mit allen o.g. Schutzrechten wird außerdem kein gewollter Unterschied in der Größe der Querschnittsfläche des Leiters zwischen Wickelkopf und Wirkbereich der Spule genannt.
Wesentliche Schutzrechte sind hierfür unter anderem US 2005/0258704 A1 und WO 01/54254 A1 , sowie WO 2012/072695 A2 und DE 103 15 361 A1. Diese angegebenen Verfahren stoßen aber hinsichtlich der Produktivität und Kontinuität an ihre Grenzen.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dieses Halbzeugs zur Verfügung zu stellen, mit dem eine elektrotechnische Spule unter Erzielung eines erhöhten Füllfaktors bzw. Nutfüllfaktors auf zuverlässige und einfache Art und Weise reproduzierbar wirtschaftlich hergestellt werden kann. Zur Lösung der Aufgabe umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule gemäß Anspruch 1 die folgenden Schritte:
Schritt A: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts in Wellenform.
Schritt B: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform angeordneten Drahts.
Schritt C: Umformen des in Wellenform angeordneten Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts.
Durch Anordnung des Drahts in Wellenform wird ein flächiges Gelege gebildet, welches durch das Verbindungsmittel in seiner flächigen Form fixiert wird. In diesem Zustand kann auf besonders einfache Weise eine lokale Veränderung der Querschnittsform des Drahts unter Ausbildung eines oder mehrerer Umform bereiche erfolgen. Sodann kann eine Aufwicklung des wellenförmig angeordneten Drahts derart erfolgen, dass die Umformbereiche exakt oder im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse ausgerichtet sind, damit die Umformbereiche bei der Aufwicklung nicht zusätzlich gekrümmt werden. Bei der nachträglichen Rück- abwicklung des wellenförmig angeordneten Drahts aus dem aufgewickelten Zustand bleibt der lineare bzw. ungekrümmte Zustand der Umformbereiche erhalten.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die relativ einfache Fertigung von gleichmäßig oder konisch ausgeführten Spulen mit konstanter oder sich ändernder Leiterquerschnittsform bei gleichem Flächeninhalt des Leiters und zielt auf die Nutzung der Vorteile der umformenden Herstellung (kein/wenig Materialverlust) und die damit einhergehende Verkürzung von Prozessketten durch den Wegfall von Fertigungs- und Bearbeitungsschritten ab.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Verfahren wenigstens einen der folgenden zusätzlichen Schritte aufweist:
Schritt D: Fördern des in Wellenform angeordneten Drahts in seiner Erstreckungsebene, vorzugsweise in einer Förderrichtung, welche einer Legerichtung des Drahts entgegengesetzt ist.
Schritt E: Aufbringen einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf den Draht, vorzugsweise nach Schritt C und/oder vor Schritt G.
Schritt F: Trocknen der Beschichtung. Schritt G: Aufwickeln des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise derart, dass der wenigstens eine Umformbereich exakt oder im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse ausgerichtet ist.
Durch die genannten Schritte kann der Draht für die abschließende Spulenwicklung bereits weitgehend vorgefertigt werden. Durch die Beschichtung kann ein Kurzschluss zwischen den sich möglicherweise kontaktieren Spulenwindungen vermieden werden, insbesondere wenn die Spulenwindungen durch Ausübung einer Druckkraft entlang der Windungsachse zusätzlich verdichtet werden.
Gängige Praxis war z.B. gemäß der EP 2 387 135 A2 die Fertigung und anschließende Beschichtung der Spulen. Das Umstellen der Prozesskette nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist durch Beschichtungsproblematik in Verbindung mit der Umformung motiviert. Die hier vorliegende Prozesskette teilt den Umformvorgang in Vorformen und Wickeln.
Bisher ist Umformen, Beschichten und Wickeln der Spulen nur ohne eine Zwischenlagerung als Coilmaterial möglich. Die vorliegende Erfindung erzielt eine Erhöhung der Produktivität und der Transportfähigkeit vorgeformter, beschichteter Drahtabschnitte für zu wickelnde Spulen.
Es kann aber auch nützlich sein, wenn Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt A1 : Bereitstellen des Drahts, vorzugsweise als Endlosdraht, bevorzugt durch Strangpressen, Extrusion oder Abwickeln von einer Spule, wobei der Draht vorzugsweise eine über die Länge konstante Querschnittsform aufweist, bevorzugt eine kreisförmige oder rechteckige Querschnittsform.
Schritt A2: Verlegen des Drahts in einer Legerichtung unter abwechselnder Bildung von entgegengesetzt gekrümmten ersten und zweiten Schleifen mit jeweils einem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen ausgebildeten Umformabschnitt.
Schritt A3: Biegen des Drahts in Wellenform unter Verwendung von ersten und zweiten Halteeinrichtungen mit jeweils einer Vielzahl von entlang einer Linie angeordneten Halteabschnitten, die vorzugsweise identisch ausgebildet und/oder regelmäßig voneinander beanstandet sind, wobei die Linien, entlang derer die Halteabschnitte der ersten und zweiten Haltereinrichtungen angeordnet sind, bevorzugt horizontal und/oder parallel zu- einander ausgerichtet sind, wobei der Teilschritt A3 vorzugsweise die folgenden Teilschritte umfasst:
Schritt A3-1 : Bildung einer ersten Schleife durch Führung des von der zweiten Halteeinrichtung kommenden Drahts um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der ersten Halteeinrichtung und wieder zurück in Richtung der zweiten Halteeinrichtung, vorzugsweise unter Ausbildung einer Biegung mit kontinuierlichem Biegeradius und/oder in einem Winkel im Bereich von 160° bis 200°, bevorzugt im Bereich von 170° bis 190°, besonders bevorzugt 180°, ohne dass sich der Draht überkreuzt, wobei sich der Draht vorzugsweise entlang der gesamten ersten Schleife oder zumindest eines Teils davon biegeinnenseitig an dem Halteabschnitt der ersten Halteeinrichtung abstützt.
Schritt A3-2: Bildung einer zweiten Schleife durch Führung des von der ersten Halteeinrichtung kommenden Drahts um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der zweiten Halteeinrichtung und wieder zurück in Richtung der ersten Halteeinrichtung, vorzugsweise unter Ausbildung einer Biegung mit kontinuierlichem Biegeradius und/oder in einem Winkel im Bereich von 160° bis 200°, bevorzugt im Bereich von 170° bis 190°, besonders bevorzugt 180°, ohne dass sich der Draht überkreuzt, wobei sich der Draht vorzugsweise entlang der gesamten zweiten Schleife oder zumindest eines Teil davon biegeinnenseitig an dem Halteabschnitt der zweiten Halteeinrichtung abstützt.
Schritt A3-3: Aufbringen einer Zugspannung auf den Draht, sodass die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schleifen angeordneten Umformabschnitte des Drahts gespannt sind und sich entlang einer geraden Linie erstrecken, wobei die Umformabschnitte vorzugsweise exakt oder im Wesentlichen gleich lang sind und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder regelmäßig voneinander beabstandet sind.
Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine plastische Verformung des zunächst linearen Drahts in Wellenform erzielt werden. Die Biegeverformung des Drahtes wird dabei durch entsprechend geformte Halteabschnitte der Halteeinrichtungen sowie durch Ausübung einer Zugkraft, vorzugsweise ausgehend von dem in Legerichtung führenden Ende des Drahtes, begünstigt. Die Biegeradien des Drahtes im Bereich der ersten und zweiten Schleifen sowie die daraus resultierenden Abstände der Umformabschnitte können je nach Beschaffenheit und Dicke des Drahts individuell festgelegt werden. Vorzugsweise sind die Krümmungsradi- en der Halteabschnitte der Halteeinrichtungen auf die gewünschten Biegeradien des Drahts an den jeweiligen Biegeinnenseiten der ersten und zweiten Schleifen abgestimmt. Durch Ausübung einer Zugkraft auf den Draht wird die Formgebung des Drahts begünstigt. Insbesondere wird verhindert, dass der Draht unter dem Einfluss seiner eigenen Gewichtskraft durchhängt, sodass die Umformabschnitte, soweit technisch möglich, in möglichst kleinen Abständen parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Abstand zweier benachbarter Umformabschnitte liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 1000 % des (unverformten) Drahtdurchmessers, bevorzugt im Bereich 200 bis 500 % des (unverformten) Drahtdurchmessers, besonders bevorzugt im Bereich 300 bis 400 % des (unverformten) Drahtdurchmessers. Die Biegeradien im Bereich der ersten und zweiten Schleifen entsprechen dementsprechend den halben Abständen zweier benachbarter Umformabschnitte. Jeder Umformabschnitt erstreckt sich vorzugsweise von einer ersten Schleife bis zu einer darauf folgenden zweiten Schleife oder von einer zweiten Schleife bis zu einer darauf folgenden ersten Schleife.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt B1 : Bereitstellen wenigstens eines strangförmigen Verbindungsmittels, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, durch Strangpressen oder Extrusion.
Schritt B2: Verbinden des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels mit einem ersten Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise mit einem Umformabschnitt.
Schritt B3: Anordnen des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels in Legerichtung des Drahts und/oder quer, vorzugsweise senkrecht, zu dem ersten Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, wobei bevorzugt mehrere strangförmige Verbindungsmittel quer oder senkrecht zur Legerichtung des Drahts gleichmäßig von einander beabstandet sind.
Schritt B4: Verbinden des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels mit einem zweiten Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise mit einem Umformabschnitt, bevorzugt derart, dass mehrere strangförmige Verbindungsmittel parallel zueinander und/oder parallel zur Legerichtung des Drahts ausgerichtet sind.
Schritt B5: Verbinden des wenigstens einen strangförmigen Verbindungsmittels mit jedem weiteren in Legerichtung folgenden Abschnitt des in Wellenform angeordneten Drahts, vorzugsweise mit jedem weiteren Umformabschnitt, den das wenigstens eine strangförmige Verbindungsmittel in Legerichtung kreuzt.
Durch das Verbindungsmittel wird der in Wellenform angeordnete Draht in seiner flächigen Ausdehnung fixiert. Dies erweist sich insbesondere für den nachgelagerten Schritt der Umformung des Drahtes unter Ausbildung eines oder mehrerer Umformbereiche durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts als vorteilhaft, weil dazu mit Kraft auf den Draht eingewirkt werden muss. Dies kann dazu führen, dass die Wellenform des Drahts gestört und/oder unterbrochen wird. Genau dies wird durch das Verbindungsmittel verhindert. Das Verbindungsmittel hat demnach eine stabilisierende Funktion, sowohl während der Förderung des in Wellenform angeordneten Drahts in seiner Erstreckungsebene als auch bei einer möglichen nachgelagerten Aufwicklung sowie der entsprechenden Rückabwicklung aus dem aufgewickelten in einen ebenen Zustand. Nach Erfüllung seiner Stabilisierungsfunktion kann das Verbindungsmittel entfernt werden. Aus praktischer Sicht kann das Verbindungsmittel aus dem gleichen Material wie der Draht bestehen. Dabei wird das Verbindungsmittel beispielsweise stranggepresst extrudiert oder von einer Rolle abgewickelt und in einem plastischen und verformbaren Zustand mit dem Draht in Kontakt gebracht, um beim Erkalten eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Draht einzugehen. Das Verbindungsmittel kann stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Draht verbunden werden. Vorzugsweise wird an jeder Verbindungsstelle die gleiche Verbindungsart gewählt.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt C1 : Umformung des Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs unter Beibehaltung der Querschnittsfläche des Drahts, wobei die Querschnittsform vorzugsweise ausgehend von einer runden oder rechteckigen Querschnittsform in eine ovale, rechteckige oder trapezförmige Querschnittsform geändert wird.
Schritt C2: Umformung des Drahts unter Ausbildung mehrerer Umformbereiche, welche jeweils die gleiche Länge und/oder die gleiche Querschnittsform aufweisen.
Schritt C3: Umformung des Drahts unter Ausbildung mehrerer voneinander beanstandeter Umformbereiche innerhalb desselben Umformabschnitts des Drahts, wobei sich die mehreren Umformbereiche vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Verbindungsmitteln befinden. Schritt C4: Umformung des Drahts unter Ausbildung mehrerer voneinander beanstandeter Umformbereiche innerhalb desselben Umformabschnitts des Drahts, wobei sich die mehreren Umformbereiche vorzugsweise auf unterschiedlichen Seiten desselben Verbindungsmittels befinden.
Schritt C5: Umformung des Drahts in mehreren oder allen Umformabschnitten des Drahts nach einem sich wiederholenden Muster, vorzugsweise derart, dass mehrere oder alle Umformabschnitte des Drahts identische Umform bereiche aufweisen.
Schritt C6: Umformung des Drahts durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 224 837.5.
Die Umformung des Drahtes dient der vorgreiflichen Veränderung der Querschnittsform, sodass der Draht bei einer entsprechenden Biegung im Wege der Herstellung der elektrotechnischen Spule idealerweise wieder die ursprüngliche Querschnittsform im unverformten Zustand einnimmt. Entsprechende Techniken sind in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 224 837.5 beschrieben, deren Inhalte durch Bezugnahme vollumfänglich in der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung enthalten sind.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn Schritt G wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt G1 : Bereitstellen einer Einrichtung zum Aufwickeln des in Wellenform angeordneten Drahts, sodass die Wicklungsachse der Einrichtung unterhalb des in Wellenform angeordneten Drahts angeordnet ist.
Schritt G2: Fördern des in Wellenform angeordneten Drahts in Förderrichtung in einer zur Wicklungsachse parallelen Ebene.
Schritt G3: Aufrollen des in Förderrichtung vorderen Endes des in Wellenform angeordneten Drahts um die Wicklungsachse, sodass der wenigstens eine Umformbereich des Drahts, vorzugsweise die Umformabschnitte des Drahts, parallel zur Wicklungsachse ausgerichtet ist/sind.
Schritt G4: Fixieren des in Wellenform angeordneten Drahts in einem um die Wicklungsachse aufgewickelten Zustand. Durch diese Maßnahmen kann der in Wellenform angeordnete Draht besonders kompakt in Coilform angeordnet werden, wobei eine unbeabsichtigte Verformung der parallel zur Wicklungsachse ausgerichteten Umformabschnitte vermieden werden kann.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend:
Eine Einrichtung zur Anordnung eines elektrisch leitenden Drahts in Wellenform, vorzugsweise umfassend wenigstens eines der folgenden Merkmale:
Eine Spule, von welcher der Draht vorzugsweise kontinuierlich abgewickelt werden kann.
Erste und zweite Halteeinrichtungen mit jeweils einer Vielzahl von entlang einer Linie angeordneten Halteabschnitten, wobei die Linien, entlang derer die Halteabschnitte der ersten und zweiten Halteeinrichtungen angeordnet sind, vorzugsweise horizontal und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Halteabschnitte der ersten Halteeinrichtung und/oder die Halteabschnitte der zweiten Halteeinrichtung bevorzugt gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Ein Drahtverlegewerkzeug, welches ausgebildet ist, um in Legerichtung des Drahts abwechselnd eine erste Schleife um einen Halteabschnitt der ersten Halteeinrichtung und eine zweite Schleife um einen Halteabschnitt der zweiten Halteeinrichtung zu bilden, sodass sich jeweils ein Umformabschnitt des Drahts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen erstreckt.
Eine Einrichtung zur Verbindung des Verbindungsmittels mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform angeordneten Drahts.
Eine Einrichtung zur Umformung des in Wellenform angeordneten Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts.
Es kann nützlich sein, wenn die Vorrichtung wenigstens eines der folgenden Merkmale aufweist:
Eine Einrichtung zur Förderung des in Wellenform angeordneten Drahts in seiner Er- streckungsebene, vorzugsweise eine Einrichtung zur simultanen Förderung der Hai- teabschnitte der ersten und zweiten Halteeinrichtungen in Förderrichtung entlang der jeweiligen Linie, entlang der die Halteabschnitte der jeweiligen Halteeinrichtung angeordnet sind, bevorzugt kontinuierlich oder diskontinuierlich, besonders bevorzugt in Förderrichtung und/oder entgegen der Legerichtung des Drahts.
Eine Einrichtung zur Aufbringung einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf den Draht.
Eine Einrichtung zur Trocknung der Beschichtung.
Eine Einrichtung zur Aufwicklung des in Wellenform angeordneten Drahts, wobei die Einrichtung vorzugsweise als Haspel ausgebildet ist und um eine zur Erstreckungs- ebene des in Wellenform angeordneten Drahts parallele Achse drehbar ist, wobei die Förderrichtung des Drahts exakt oder im Wesentlichen tangential zur Umfangsrich- tung der Einrichtung verläuft.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbzeug für eine elektrotechnische Spule, vorzugsweise hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend:
Einen in Wellenform angeordneten, elektrisch leitenden Draht.
- Wenigstens ein Verbindungsmittel, das mit wenigstens zwei voneinander beabstan- deten Abschnitten des in Wellenform angeordneten Drahts verbunden ist.
- Wenigstens einen Umform bereich, in welchem der in Wellenform angeordnete Draht unter Veränderung seiner Querschnittsform umgeformt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, umfassend die Schritte:
Schritt X: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts, so dass wenigstens zwei Abschnitte des Drahts exakt oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Schritt Y: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels mit wenigstens zwei exakt oder im Wesentlichen parallelen Abschnitten des Drahts. Schritt Z: Umformen des Drahts unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts.
Das Verfahren nach diesem Aspekt der Erfindung kann mit allen hierin offenbarten Ausbildungen kombiniert werden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch Kombination der Merkmale, die in den Ansprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung offenbart sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule.
Figur 2 eine perspektivische schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst im einen rechteckigen und ebenen Arbeitsbereich 10A mit einer horizontalen Oberfläche zur Anordnung des Drahtes 1 in Wellenform W sowie eine an eine kürzere Seite des rechteckigen Arbeitsbereichs 10A anschließende Haspel/Trommel 10B zur Aufwicklung des flächigen Drahtgeleges entlang seiner Legerichtung L.
Im ersten Arbeitsbereich 10A befindet sich eine Endlosspule 1 1 , von der ein Draht 1 aus elektrisch leitendem Material wie zum Beispiel Kupfer oder Messing oder einer Legierung abgerollt und einem sich quer zur Legerichtung L hin- und herbewegenden Drahtlegewerkzeug 12 zugeführt wird.
Entlang des rechteckigen und horizontalen Arbeitsbereichs 10A erstrecken sich beidseitig davon erste und zweite Halteeinrichtungen 13a und 13b mit einer Vielzahl von regelmäßig beabstandeten Halteabschnitten (nicht dargestellt), die zur Verlegung des elektrisch leitenden Drahts 1 in Wellenform W dienen. Die Halteabschnitte befinden sich jeweils an Zugketten (nicht dargestellt), die in einer Ebene senkrecht zur Blattebene umlaufen und können jeweils simultan zueinander schrittweise oder kontinuierlich in Förderrichtung F bewegt werden.
Unter Verwendung der ersten und zweiten Halteeinrichtungen 13a und 13b wird nun der Draht wellenförmig angeordnet, indem (nach Fixierung des führenden Endes des Drahts 1 ) abwechselnd erste und zweite Schleifen 1 a, 1 b unter Verwendung der ersten und zweiten Halteeinrichtungen 13a, 13b gebildet werden, sodass jeweils ein sich in gerader Linie erstreckender Umformabschnitt 1 c zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen 1 a, 1 b angeordnet ist, der sich von einer dieser Schleifen 1 a, 1 b bis zur darauf folgenden Schleife 1 b, 1 a erstreckt.
Die Bildung einer ersten Schleife 1 a wird bewerkstelligt durch Führung des von der zweiten Halteeinrichtung 13b (d.h. aus dieser Richtung) kommenden Drahtes 1 um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der ersten Halteeinrichtung 13a und wieder zurück in Richtung der zweiten Halteeinrichtung 13b mit kontinuierlichem Biegeradius und einem Biegewinkel von 180°, sodass sich der Draht 1 nicht überkreuzt.
Im Wesentlichen spiegelsymmetrisch dazu wird die Bildung einer zweiten Schleife 1 b bewerkstelligt durch Führung des von der ersten Halteeinrichtung 13a (d.h. aus dieser Richtung) kommenden Drahts 1 um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der zweiten Halteeinrichtung 13b und wieder zurück in Richtung der ersten Halteeinrichtung 13a mit kontinuierlichem Biegeradius und einem Biegewinkel von 180°, sodass sich der Draht 1 nicht überkreuzt und die jeweils benachbarten Umformabschnitte 1 c horizontal und parallel zueinander in regelmäßigen Abständen sowie senkrecht zu den beiden Halteeinrichtungen 13a und 13b ausgerichtet sind.
Um ein Einknicken des Drahtes 1 im Bereich der ersten und zweiten Schleifen 1 a, 1 b zu vermeiden, wird der Draht 1 vorzugsweise im gesamten Biegebereich der ersten und zweiten Schleifen 1 a, 1 b biegeinnenseitig an den jeweiligen Halteabschnitten der ersten bzw. zweiten Halteeinrichtung 13a, 13b abgestützt.
Die Formgebung des Drahts 1 in Wellenform kann dadurch unterstützt werden, dass beispielsweise durch das Drahtlegewerkzeug 12 eine Zugspannung auf den Draht 1 aufgebracht wird, sodass sich der Draht 1 spannt und sich die Schleifen 1 a, 1 b eng um die jeweiligen Halteabschnitte der Halteeinrichtungen 13a und 13b legen und die Umformabschnitte 1 c straff gespannt sind und unter der Einwirkung ihrer eigenen Gewichtskraft nicht durchhän- gen. In diesem Zustand sind die ersten und zweiten Schleifen 1 a, 1 b sowie Umformabschnitte 1 c untereinander jeweils identisch ausgebildet und erstrecken sich exakt in einer horizontalen Ebene. Der Draht 1 umfasst eine Vielzahl von Wellen, die jeweils aus einer ersten Schleife 1 a, einer zweiten Schleife 1 b und einem dazwischen angeordneten Umformabschnitt 1 c bestehen. Alle Wellen weisen die gleiche Form auf und sind hinsichtlich ihrer Länge und Breite gleich.
Das dadurch gebildete, flächige Drahtgelege mit dem in Wellenform W angeordneten Draht 1 wird durch einen symmetrischen Antrieb der Halteeinrichtungen 13a, 13b in einer zur Drahtlegerichtung L entgegengesetzt ausgerichteten Förderrichtung F gefördert. Die Förderung ist dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich, wobei die Fördergeschwindigkeit auf die Produktionsgeschwindigkeit des Drahtlegewerkzeugs 12 abgestimmt ist, sodass jede von dem Drahtlegewerkzeug 12 neu erzeugte Welle der in Wellenform W angeordnete Draht 1 um die Länge einer Welle in Fördererrichtung F gefördert wird.
In Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun Querverbindungen zwischen dem in Wellenform W angeordneten Draht 1 hergestellt, indem strangförmige Verbindungsmittel 2 mit voneinander beanstandeten Abschnitten des Drahtes 1 verbunden werden. Eine entsprechende Einrichtung 14 zur Bereitstellung von Verbindungsmitteln 2 stellt im vorliegenden Beispiel drei jeweils als Endlosstrang ausgebildete Verbindungsmittel 2 bereit, die sich parallel zueinander sowie parallel zu der Förderrichtung F und parallel zu den Halteeinrichtungen 13a und 13b erstrecken und in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Verbindungsmittel 2 aus demselben Material wie der Draht 1 hergestellt, weisen jedoch eine geringere Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise wird jedes strangförmige Verbindungsmittel 2 von der Einrichtung 14 in Endlosform und in einem plastischen Zustand bereitgestellt, sodass durch geringfügige Ausübung von Druck auf das Verbindungsmittel 2 in Richtung des damit zu verbindenden Drahts 1 , gegebenenfalls ausschließlich unter dem Einfluss der Schwerkraft, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel 2 und dem Draht 1 erzielt werden kann. Das erste Verbindungsmittel 2 (in Fördererrichtung F links) erstreckt sich dabei jeweils (in Förderrichtung F rechts) knapp neben den ersten Schleifen 1 a senkrecht zu den zueinander parallelen Umformabschnitten 1 c. Das zweite Verbindungsmittel 2 (in Fördererrichtung F weiter rechts) erstreckt sich in einem etwas größeren Abstand von den zweiten Schleifen 1 b senkrecht zu den zueinander parallelen Umformabschnitten 1 c. Das dritte Verbindungsmittel 2 verläuft mittig auf halbem Abstand zwischen den ersten und zweiten Verbindungsmitteln 2 senkrecht zu den zueinander parallelen Umformabschnitten 1 c. In Schritt C wird der in Fördererrichtung F geförderte und in Wellenform W angeordnete Draht 1 einer Umformung unter Ausbildung mehrerer Umformbereiche 3 durch Veränderung der Querschnittsform des Drahtes 1 unterzogen, genauer gesagt unter Ausbildung von insgesamt vier Umformbereichen 3 für jeden Umformabschnitt 1 c. In jedem Umformabschnitt 1 c sind zwei Umform bereiche 3 zwischen dem ersten und dem dritten Verbindungsmittel 2 angeordnet, und jeweils zwei Umformbereiche 3 sind zwischen dem zweiten und dem dritten Verbindungsmittel 2 angeordnet. In diesen Umformbereichen 3 ist die Querschnittsform des Drahtes 1 beispielsweise von rund auf oval, rechteckig oder trapezförmig vorgreiflich geändert, sodass bei einer nachträglichen Biegung des Drahtes 1 in jedem dieser Umformbereiche 3 im Wege der Herstellung der elektrotechnischen Spule nach der erfolgten Biegung wieder der Ausgangsquerschnitt vor der Umformung vorliegt. Ein Verfahren zur vorgreifli- chen Änderung der Querschnittsform eines elektrischen Leiters unter Verlagerung des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform weg von der Profilachse mit anschließender Biegung zur Rückverlagerung des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform in Richtung der Profilachse ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 224 837.5 bekannt. Die Inhalte der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 224 837.5 sind durch Bezugnahme vollumfänglich hierin enthalten, sodass sie zum Offenbarungsgehalt der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen der vorliegenden Anmeldung zählen.
Optional wird das flächige Drahtgelege in Schritt E vor dem Aufwickeln noch beschichtet, beispielsweise durch eine elektrisch isolierende Schicht aus Kunststoff oder dergleichen, und in Schritt F getrocknet.
In Schritt G erfolgt sodann das Aufwickeln des flächigen Drahtgeleges im Arbeitsbereich 10B der Vorrichtung 10 mit einer entsprechenden Einrichtung bzw. Trommel 16 um eine zur Oberfläche des Arbeitsbereichs 10A der Vorrichtung parallele und unterhalb davon angeordnete Wicklungsachse X in Förderrichtung F und entgegen der Drahtlegerichtung L. Beginnend an dem von dem Drahtlegewerkzeug 12 abgewandten Ende wird der in Wellenform W angeordnete Draht 1 nun so aufgerollt, dass alle ersten Schleifen 1 a und alle zweiten Schleifen 1 b an unterschiedlichen axialen Enden der Wicklung in radialer Richtung bezüglich der Wicklungsachse X übereinander liegen und alle Umformabschnitte 1 c exakt parallel zur Wicklungsachse X ausgerichtet sind, sodass sie durch die Aufwicklung weder verbogen noch geknickt werden. Die notwendige Verformung des Drahts 1 zur Überführung aus dem ebenen Zustand, wie er im Abschnitt 10A der Vorrichtung 10 hergestellt wird, in den aufgewickelten oder aufgerollten Zustand, wie er zur Bevorratung sowie zum Transport des Halbzeugs im Arbeitsbereich 10B der Vorrichtung 10 erzeugt wird, wird durch Biegeverformung der randseitig angeordneten ersten und zweiten Schleifen 1 a, 1 b bewerkstelligt.
In diesem aufgewickelten bzw. aufgerollten Zustand kann der in Wellenform W angeordnete Draht 1 einfach gelagert und zu seinem Bestimmungsort transportiert werden. Durch Überführung aus dem aufgewickelten bzw. aufgerollten Zustand in einen ebenen Zustand kann die Spule vor Ort fertiggestellt werden, da die für den bestimmungsgemäßen Anwendungsfall notwendigen Vorkehrungen, einschließlich der Umformung des Drahts 1 in den Umformbereichen 3, bereits getroffen worden sind. Vor der Herstellung der elektrotechnischen Spule aus dem vorbereiteten Halbzeug können die Verbindungsmittel 2 getrennt und entfernt werden, da sie primär die Funktion haben, die flächige Anordnung des Drahtgeleges zu fixieren und insbesondere vor dem Aufwickeln/Aufrollen desselben ein Verschieben der Umformabschnitte 1 c bezüglich der Wicklungsachse X zu verhindern. Nach der RückÜberführung des Drahtes 1 aus dem aufgewickelten bzw. aufgerollten Zustand in den ebenen Zustand sind die Verbindungsmittel 2 in der Regel entbehrlich.
Im Ergebnis lassen sich durch die erfindungsgemäße Vorformbildung für eine elektrotechnische Spule in Umformtechnik mit folgenden Merkmalen folgende Vorteile realisieren:
Das hochproduktive Herstellungsverfahren für Halbzeuge einer solchen Spule nach der Erfindung betrifft insbesondere die umformende Herstellung der Vorform einer elektrotechnischen Spule aus stromleitenden Werkstoffen.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen und auf Einzelspulen ausgerichteten Lösungen, die eine Umformung in Längsorientierung erfordern, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Drahtmittelachse vor dem Aufwickeln idealerweise um 90° gedreht, um eine Packe- tierung von Endlosdraht mit querschnittsveränderlicher Formgebung zu erreichen.
Dabei wird das Prinzip der Nähgewirkeherstellung sinngemäß auf einen elektrisch leitenden Draht 1 übertragen, wobei jedoch kein Faden in den Halteeinrichtungen 13a, 13b eingelegt wird, sondern Drahtmaterial.
Die Halteeinrichtungen 13a, 13b verfügen über für die Drahtaufnahme und Positionierung/Fixierung geeignete Halteabschnitte (nicht gezeigt), in denen der Draht 1 eingehängt und in Schleifen 1 a, 1 b geformt werden kann. Die kontiniuerlich bzw. quasikontinuierlich oder schrittweise angetriebenen Halteeinrichtungen 13a, 13b führen den Draht 1 einem oder mehreren Wirkbereichen/Maschinen bzw. nachgelagerten Einrichtungen 14, 15 und 16 zu.
Mindestens eine Einrichtung 15 zur Umformung des Drahts 1 dient der abschnittsweisen Formgebung unter Veränderung der Querschnittsform des Drahts 1 in einem oder mehreren Umformbereichen 3.
Eine Einrichtung zur Aufbringung einer Beschichtung kann integriert werden und/oder eine Einrichtung zur Temperierung / Trocknung des Drahtmaterials (nicht gezeigt).
Zur Fixierung des in Wellenform W angeordneten Drahts 1 kann eine Einrichtung 14 zum Verbinden des Drahtes 1 mit einem Verbindungsmittel 2 bzw. eine„Einrichtung zum Vernähen" vorgesehen werden.
Am Ende kann das so entstandene Umform- oder Umformnähdrahtgelege auf einem Haspel 16 aufgewickelt werden.
Der wichtigste Vorteil der Erfindung ist die Wirtschaftlichkeit der Herstellung bei geringem Einsatz an Fertigungsmitteln (vgl. Spule in Gießtechnik hat verlorenen Kern). Des Weiteren ist die Verwendung von verhältnismäßig preisgünstigen Halbzeugen (sprich Runddraht) einsetzbar.
Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ist die Vorform vollständiger Spulenwicklungen am Endlosleiter herstellbar. Durch die kontinuierliche Fertigungsfolge ergibt sich eine sehr hohe Produktivität. Durch die kompakte Anordnung des flächigen Drahtgeleges im aufgewickelten Zustand sind auch lange vorbereitete Drahtabschnitte für die Weiterverarbeitung transportfähig und kompakt lagerbar. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Beschichtung des Drahtes 1 direkt nach der Umformung aufgebracht werden. Die Beschichtung kann extern erfolgen durch Handling in Form eines Coils; Coilbreite und Spulenwicklungslänge müssen nicht korrelieren.
Anstelle eines Drahts 1 mit kreisförmiger bzw. runder Querschnittsform kann auch ein Draht 1 mit polygonaler, insbesondere rechteckiger Querschnittform als Halbzeug eingesetzt werden.
Des Weiteren gilt die Erfindung für beschichtete Werkstoffe, bei denen ein anschließender notwendiger Isolationsschritt entfällt. Die Erfindung ist nicht an eine Spulenform gebunden, es können gerade, konvexe, konkave oder konische Spulen sowie rotations- und nicht rotationssymmetrische Spulen aus dieser Vorform hergestellt werden.
Die Vorform wird umformend erzeugt. Durch Schliffproben (zerstörende Materialprüfung) an Windungsquerschnitten ist nachweisbar, ob eine Spule oder deren Vorform umformend hergestellt worden ist.
Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung sind Spulen für E-Motoren die in Massenproduktion hergestellt werden.
Bezugszeichenliste
1 Draht
1 a Erste Schleife
1 b Zweite Schleife
1 c Umformabschnitt
2 Verbindungsmittel
3 Umformbereich
10 Vorrichtung
1 1 Drahtspule
12 Drahtlegewerkzeug
13 Halteeinrichtung
13a Erste Halteeinrichtung
13b Zweite Halteeinrichtung
14 Verbindungseinrichtung
15 Umformeinrichtung
16 Aufwicklungseinrichtung/Haspel
A Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts A (Drahtlegung in Wellenform)
B Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts B (Querverbindungen)
C Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts C (Umformung)
D Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts D (Aufwickeln)
E Bereich zur Ausführung des Verfahrensschritts E (Beschichten)
F Förderrichtung
L Legerichtung
W Wellenform
X Wicklungsachse

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, umfassend die Schritte: a. Schritt A: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts (1 ) in Wellenform (W). b. Schritt B: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels (2) mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ). c. Schritt C: Umformen des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) unter Ausbildung wenigstens eines Umform bereichs (3) durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts (1 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens einen der folgenden zusätzlichen Schritte aufweist: a. Schritt D: Fördern des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) in seiner Erstreckungsebene, vorzugsweise in einer Förderrichtung (F), welche einer Legerichtung (L) des Drahts (1 ) entgegengesetzt ist. b. Schritt E: Aufbringen einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf den Draht (1 ), vorzugsweise nach Schritt C und/oder vor Schritt G. c. Schritt F: Trocknen der Beschichtung. d. Schritt G: Aufwickeln des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), vorzugsweise derart, dass der wenigstens eine Umformbereich (3) exakt oder im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse (X) ausgerichtet ist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt A1 : Bereitstellen des Drahts (1 ), vorzugsweise als Endlosdraht, bevorzugt durch Strangpressen, Extrusion oder Abwickeln von einer Spule (1 1 ), wobei der Draht (1 ) vorzugsweise eine über die Länge konstante Quer- schnittsform aufweist, bevorzugt eine kreisförmige oder rechteckige Querschnittsform.
Schritt A2: Verlegen des Drahts (1 ) in einer Legerichtung (L) unter abwechselnder Bildung von entgegengesetzt gekrümmten ersten und zweiten Schleifen (1 a, 1 b) mit jeweils einem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen (1 a, 1 b) ausgebildeten Umformabschnitt (1 c).
Schritt A3: Biegen des Drahts (1 ) in Wellenform unter Verwendung von ersten und zweiten Halteeinrichtungen (13a, 13b) mit jeweils einer Vielzahl von entlang einer Linie angeordneten Halteabschnitten, die vorzugsweise identisch ausgebildet und/oder regelmäßig voneinander beanstandet sind, wobei die Linien, entlang derer die Halteabschnitte der ersten und zweiten Haltereinrichtungen (13a, 13b) angeordnet sind, bevorzugt horizontal und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei der Teilschritt A3 vorzugsweise die folgenden Teilschritte umfasst: i. Schritt A3-1 : Bildung einer ersten Schleife (1 a) durch Führung des von der zweiten Halteeinrichtung (13b) kommenden Drahts (1 ) um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der ersten Halteeinrichtung (13a) und wieder zurück in Richtung der zweiten Halteeinrichtung (13b), vorzugsweise unter Ausbildung einer Biegung mit kontinuierlichem Biegeradius und/oder in einem Winkel im Bereich von 160° bis 200°, bevorzugt im Bereich von 170° bis 190°, besonders bevorzugt 180°, ohne dass sich der Draht (1 ) überkreuzt, wobei sich der Draht (1 ) vorzugsweise entlang der gesamten ersten Schleife (1 a) oder zumindest eines Teil davon biegeinnenseitig an dem Halteabschnitt der ersten Halteeinrichtung (13a) abstützt. ii. Schritt A3-2: Bildung einer zweiten Schleife (1 b) durch Führung des von der ersten Halteeinrichtung (13a) kommenden Drahts (1 ) um einen davon abweisenden Teil eines Halteabschnitts der zweiten Halteeinrichtung (13b) und wieder zurück in Richtung der ersten Halteeinrichtung (13a), vorzugsweise unter Ausbildung einer Biegung mit kontinuierlichem Biegeradius und/oder in einem Winkel im Bereich von 160° bis 200°, bevorzugt im Bereich von 170° bis 190°, besonders bevorzugt 180°, ohne dass sich der Draht (1 ) überkreuzt, wobei sich der Draht (1 ) vorzugsweise entlang der gesamten zweiten Schleife (1 b) oder zumindest eines Teil davon biegeinnenseitig an dem Halteabschnitt der zweiten Halteeinrichtung (13b) abstützt. iii. Schritt A3-3: Aufbringen einer Zugspannung auf den Draht (1 ), sodass die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schleifen (1 a, 1 b) angeordneten Umformabschnitte (1 c) des Drahts (1 ) gespannt sind und sich entlang einer geraden Linie erstrecken, wobei die Umformabschnitte (1 c) vorzugsweise exakt oder im Wesentlichen gleich lang sind und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder regelmäßig voneinander beabstandet sind.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt B1 : Bereitstellen wenigstens eines strangformigen Verbindungsmittels (2), vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, durch Strangpressen oder Extrusion. b. Schritt B2: Verbinden des wenigstens einen strangformigen Verbindungsmittels (2) mit einem ersten Abschnitt des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), vorzugsweise mit einem Umformabschnitt (1 c). c. Schritt B3: Anordnen des wenigstens einen strangformigen Verbindungsmittels (2) in Legerichtung (L) des Drahts (1 ) und/oder quer, vorzugsweise senkrecht, zu dem ersten Abschnitt des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), wobei bevorzugt mehrere strangformige Verbindungsmittel (2) quer oder senkrecht zur Legerichtung (L) des Drahts (1 ) gleichmäßig voneinander beabstandet sind. d. Schritt B4: Verbinden des wenigstens einen strangformigen Verbindungsmittels (2) mit einem zweiten Abschnitt des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), vorzugsweise mit einem Umformabschnitt (1 c), bevorzugt derart, dass mehrere strangformige Verbindungsmittel (2) parallel zueinander und/oder parallel zur Legerichtung (L) des Drahts (1 ) ausgerichtet sind. e. Schritt B5: Verbinden des wenigstens einen strangformigen Verbindungsmittels (2) mit jedem weiteren in Legerichtung (L) folgenden Abschnitt des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), vorzugsweise mit jedem weiteren Umformabschnitt (1 c), den das wenigstens eine strangförmige Verbindungsmittel (2) in Legerichtung (L) kreuzt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt C1 : Umformung des Drahts (1 ) unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs (3) unter Beibehaltung der Querschnittsfläche des Drahts (1 ), wobei die Querschnittsform ausgehend von einer runden oder rechteckigen Querschnittsform vorzugsweise in eine ovale, rechteckige oder trapezförmige Querschnittsform geändert wird. b. Schritt C2: Umformung des Drahts (1 ) unter Ausbildung mehrerer Umformbereiche (3), welche jeweils die gleiche Länge und/oder die gleiche Querschnittsform aufweisen. c. Schritt C3: Umformung des Drahts (1 ) unter Ausbildung mehrerer voneinander beanstandeter Umformbereiche (3) innerhalb desselben Umformabschnitts (1 c) des Drahts (1 ), wobei sich die mehreren Umform bereiche (3) vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Verbindungsmitteln (2) befinden. d. Schritt C4: Umformung des Drahts (1 ) unter Ausbildung mehrerer voneinander beanstandeter Umformbereiche (3) innerhalb desselben Umformabschnitts (1 c) des Drahts (1 ), wobei sich die mehreren Umform bereiche (3) vorzugsweise auf unterschiedlichen Seiten desselben Verbindungsmittels (2) befinden. e. Schritt C5: Umformung des Drahts (1 ) in mehreren oder allen Umformabschnitten (1 c) des Drahts (1 ) nach einem sich wiederholenden Muster, vorzugsweise derart, dass mehrere oder alle Umformabschnitte (1 c) des Drahts (1 ) identische Umformbereiche (3) aufweisen. f. Schritt C6: Umformung des Drahts (1 ) durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts (1 ) gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 224 837.5.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt G wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt G1 : Bereitstellen einer Einrichtung (16) zum Aufwickeln des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), sodass die Wicklungsachse (X) der Einrichtung (16) unterhalb des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) angeordnet ist. b. Schritt G2: Fördern des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) in Förderrichtung (F) in einer zur Wicklungsachse (X) parallelen Ebene. c. Schritt G3: Aufrollen des in Förderrichtung (F) vorderen Endes des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) um die Wicklungsachse (X), sodass der wenigstens eine Umformbereich (3) des Drahts (1 ), vorzugsweise die Umformabschnitte (1 c) des Drahts (1 ), parallel zur Wicklungsachse (X) ausgerichtet ist/sind. d. Schritt G4: Fixieren des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) in einem um die Wicklungsachse (X) aufgewickelten Zustand.
7. Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: a. Eine Einrichtung (1 1 , 12, 13) zur Anordnung eines elektrisch leitenden Drahts (1 ) in Wellenform (W), vorzugsweise umfassend wenigstens eines der folgenden Merkmale: i. Eine Spule (1 1 ), von welcher der Draht (1 ) vorzugsweise kontinuierlich abgewickelt werden kann; ii. Erste und zweite Halteeinrichtungen (13a, 13b) mit jeweils einer Vielzahl von entlang einer Linie angeordneten Halteabschnitten, wobei die Linien, entlang derer die Halteabschnitte der ersten und zweiten Halteeinrichtungen (13a, 13b) angeordnet sind, vorzugsweise horizontal und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Halteabschnitte der ersten Halteeinrichtung (13a) und/oder die Halteabschnitte der zweiten Halteeinrichtung (13b) bevorzugt gleichmäßig voneinander beabstandet sind; iii. Ein Drahtverlegewerkzeug (12), welches ausgebildet ist, um in Legerichtung (L) des Drahts (1 ) abwechselnd eine erste Schleife (1 a) um einen Halteabschnitt der ersten Halteeinrichtung (13a) und eine zweite Schleife (1 b) um einen Halteabschnitt der zweiten Halteeinrichtung (13b) zu bilden, sodass sich jeweils ein Umformabschnitt (1 c) des Drahts (1 ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen (1 a, 1 b) erstreckt. b. Eine Einrichtung (14) zur Verbindung eines Verbindungsmittels (2) mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ). c. Eine Einrichtung (15) zur Umformung des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs (3) durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts (1 ).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eines folgenden Merkmale aufweist: a. Eine Einrichtung (13) zur Förderung des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) in seiner Erstreckungsebene, vorzugsweise eine Einrichtung zur simultanen Förderung der Halteabschnitte der ersten und zweiten Halteeinrichtungen (13a, 13b) in Förderrichtung (F) entlang der jeweiligen Linie, entlang der die Halteabschnitte der jeweiligen Halteeinrichtung (13a, 13b) angeordnet sind, bevorzugt kontinuierlich oder diskontinuierlich, besonders bevorzugt entgegen der Legerichtung (L) des Drahts (1 ). b. Eine Einrichtung zur Aufbringung einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf den Draht (1 ). c. Eine Einrichtung zur Trocknung der Beschichtung. d. Eine Einrichtung (16) zur Aufwicklung des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ), wobei die Einrichtung vorzugsweise als Haspel ausgebildet ist und um eine zur Erstreckungsebene des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) parallele Achse drehbar ist, wobei die Förderrichtung (F) des Drahts (1 ) exakt oder im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung der Einrichtung (16) verläuft. Halbzeug für eine elektrotechnische Spule, vorzugsweise hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend: Einen in Wellenform (W) angeordneten, elektrisch leitenden Draht (1 ); wenigstens ein Verbindungsmittel (2), das mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten Abschnitten des in Wellenform (W) angeordneten Drahts (1 ) verbunden ist; und wenigstens einen Umformbereich (3), in welchem der in Wellenform angeordnete Draht (1 ) unter Veränderung seiner Querschnittsform umgeformt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrotechnische Spule, umfassend die Schritte: a. Schritt X: Anordnen eines elektrisch leitenden Drahts (1 ), so dass wenigstens zwei Abschnitte (1 c) des Drahts (1 ) exakt oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. b. Schritt Y: Verbinden wenigstens eines Verbindungsmittels (2) mit we- nigtens zwei exakt oder im Wesentlichen parallelen Abschnitten (1 c) des Drahts (1 ). c. Schritt Z: Umformen des Drahts (1 ) unter Ausbildung wenigstens eines Umformbereichs durch Veränderung der Querschnittsform des Drahts (1 ).
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