WO2019025252A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer elektrotechnischen spule - Google Patents

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WO2019025252A1
WO2019025252A1 PCT/EP2018/070148 EP2018070148W WO2019025252A1 WO 2019025252 A1 WO2019025252 A1 WO 2019025252A1 EP 2018070148 W EP2018070148 W EP 2018070148W WO 2019025252 A1 WO2019025252 A1 WO 2019025252A1
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WO
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winding
conductor
bundling
winding head
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Application number
PCT/EP2018/070148
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Werner
Mirko Bach
Maik Linnemann
Marcel Gerlach
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/04—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings, prior to mounting into machines
    • H02K15/0435—Wound windings
    • H02K15/0478—Wave windings, undulated windings
    • H02K15/0485—Wave windings, undulated windings manufactured by shaping an annular winding
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H02K3/14—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots with transposed conductors, e.g. twisted conductors

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for producing an electrotechnical coil.
  • the achievable torque density of permanent-magnet synchronous machines with a tooth coil winding largely depends on the ratio of the total copper cross-sectional area to the slot area, the so-called slot fill factor.
  • An increase in the fill factor allows for a constant torque a flatter construction of the stator or a broadening of the teeth, which contributes to the relief of the magnetic circuit.
  • the essential technical manufacturing difficulty is the application of the windings on the tooth.
  • Protective rights DE 10 2013 012 659 A1 and DE 10 2014 000 636 A1 show manufacturing processes which technically influence the wire cross-section only after the electrical coil has been wound. Based on DE 10 2013 012 659 A1 and DE 10 2014 000 636 A1, new restrictions arise from the business sector, which require a geometrical desired shape of the wire section for the effective range as well as the left input form of the wire for the area of the winding head of the electrotechnical coil. Furthermore, there is the future need for the production of larger quantities of engines.
  • the present invention provides the method for producing an electrotechnical coil according to claim 1, comprising the steps:
  • Step A Providing a conductor of an electrically conductive material extending along a profile axis.
  • Step B Reshaping the conductor to form at least two forming sections each by changing the cross-sectional shape of the conductor.
  • Step C arranging the conductor in the form of a winding with at least two turns extending around a winding axis, so that at least two of the forming sections in adjacent turns lie flat one above the other.
  • Step D Compressing the winding along the winding axis so that the forming sections in adjacent turns contact each other flatly.
  • Step E bundling at least some of the winding head sections of the conductor located between the forming sections by bending and / or twisting the same.
  • the forming sections of the conductor can be formed largely without taking into account the later arrangement of the winding winding sections between them in the winding head of a winding made of the conductor, since the bundling of the winding head in step E of the method according to the invention anyway a particularly compact arrangement of the coil, in particular in the winding head area, allows.
  • the bundling of the winding head sections made by the method according to the invention can prevent the winding head from picking up. It may prove advantageous if the winding head sections are brought by bending in a compact and bundled form, the deviating from the regular coil shape at least partially undulating, e.g.
  • the winding head sections lying one above the other in adjacent windings are at least partially helically arranged by twisting in the manner of a strand and thus brought into a particularly compact shape.
  • the winding head sections are plastically deformed by the bending and / or twisting with partial or complete cancellation of the elastic restoring forces, so that the winding head sections remain in the compact arrangement after removal of appropriate tools without separate tools.
  • step A has at least one of the following substeps:
  • Step A1 Provision of the conductor as an endless conductor, preferably by extrusion, extrusion or unwinding from a coil.
  • Step A2 Provision of the conductor with a cross-sectional shape that is constant along its profile axis, wherein the cross-sectional shape of the conductor is preferably circular, oval or polygonal.
  • Step A3 Provide the conductor in linear form.
  • Step B1 preforming of the conductor while changing the cross-sectional shape of the conductor, preferably with flattening of the conductor, preferably starting from a circular cross-sectional shape in an oval or polygonal cross-sectional shape.
  • Step B2 Change in the cross-sectional shape of the conductor in each of the forming sections to form at least two complementary and / or parallel sides to the flat superimposed arrangement of the forming sections.
  • the forming sections can be arranged particularly compact one above the other.
  • Step B3 Forming the forming sections in each case at a distance from each other along the profile axis of the conductor, wherein the distances between the forming sections are preferably non-uniform and preferably increase or decrease linearly along the profile axis of the conductor.
  • the length of the winding head sections lying between the forming sections changes.
  • a different length of the winding head sections allows a staggered arrangement of the same in adjacent turns of a winding when the forming sections are positioned exactly superimposed. Since the forming sections are generally formed flatter than the winding head sections, the height of the electrotechnical coil can be reduced by this measure and thus the fill factor can be increased.
  • Step B4 reshaping of the conductor in each of the forming sections according to a repeating pattern so that the forming sections and / or the winding head sections are aligned with respect to at least one of the following features are formed: length, width, height, cross-sectional shape, cross-sectional area.
  • a constant cross-sectional area favors a constant current density.
  • step C has at least one of the following substeps:
  • Step C1 arranging the forming sections around the winding axis, so that each of the forming sections extends along a straight line, wherein preferably in each case a plurality of forming sections lie one above the other in a plane, wherein preferably two of these planes are arranged on diametrically opposite sides parallel to the winding axis. Due to the flattening of the forming sections whose flexibility in the plane of greatest extent of their cross-sectional shape is severely limited. Therefore, it proves useful if the forming sections are not bent in the plane of maximum extension of their cross-sectional shape and extend along a straight line.
  • Step C2 bending the winding head sections lying between the forming sections, preferably over an arc length in the range of 45 to 180 °, in particular by 45 °, 60 °, 90 °, 120 ° or 180 °, preferably with a constant bending radius, particularly preferably on a bending machine and / or using a dome.
  • Step C3 Arranging the winding head sections, so that they are offset in adjacent turns at least in sections radially to the winding axis. As a result, the height of the electrical coil can be reduced.
  • step D has at least one of the following substeps:
  • Step D1 Applying a pressing force to the transition regions between the forming sections and the winding head sections, preferably on one or both sides along the winding axis.
  • Step D2 changing the cross-sectional shape of the winding head sections in the transition regions adjacent to the forming sections by displacement of the material of the conductor due to the pressing force, preferably such that the cross-sectional shape of the winding head sections at least in the areas in which the Wi Ckelkopfabitese lie parallel to the winding axis directly above each other, is approximated or equalized to the cross-sectional shape of the forming sections.
  • This step results in that the conductor material is transferred by plastic deformation in the transition regions between the winding head and the Umformabitesen essentially self-organizing in a particularly compact arrangement.
  • step E has at least one of the following substeps:
  • Step E1 arranging the forming sections in at least one groove area of a stator or rotor of an electric motor so that the winding head sections lying between the forming sections form a winding overhang protruding beyond the slot area of the stator / rotor.
  • the advantageous effects of the claimed invention come especially to advantage.
  • Step E2 encompassing two, several or all windings of the winding in the region of the winding head sections with at least one bundling tool, preferably by arranging each of a first section of first and second bundling tools on the side of the windings facing away from the winding axis and arranging a respective second section of the first and second bundling tools on the winding axis-facing side of the windings, and connecting each of the first and second sections of the first and second bundling tools so that each of the first and second bundling tools surrounds the same winding head sections.
  • the winding head sections can be acted on at different locations of the winding head in order to convert them into a particularly compact arrangement.
  • two bundle tools that can be moved in different directions are suitable for bending the winding head sections.
  • Step E3 Reduction of the inner circumference of the at least one bundling tool for bundling the winding head sections, preferably by approaching each of the first and second sections of the first and second bundling tools, so that the embraced winding head sections are aligned substantially at least in sections parallel to each other and / or preferably contact each other linearly , This can be done even before the bend and / or Twisting the winding head sections a preliminary bundling can be achieved, which facilitates the subsequent handling.
  • Step E4 Bending the winding head sections by moving the at least one bundling tool with the winding head sections embraced therein in a direction radial to the winding axis and / or parallel to the winding axis, preferably by moving the first and second bundling tools in opposite directions parallel to the winding axis, such that the bundle of winding head sections is formed wavy.
  • the bending preferably leads at least partially to a plastic deformation of the winding head sections, so that the elastic restoring forces of the conductor material are eliminated and the winding head sections remain in the bent shape after removal of the bundling tool.
  • the bent winding head sections extend at least in sections undulating in the circumferential direction about the winding axis.
  • Step E5 Twisting of the winding head sections by rotation of the at least one bundling tool, so that the winding head sections at least partially helically wound around each other, preferably the first and second bundling tools are rotated in different and possibly opposite directions.
  • the twisting preferably leads at least partially to a plastic deformation of the winding head sections, so that the elastic restoring forces of the conductor material are eliminated and the winding head sections remain in the twisted form after removal of the bundling tool.
  • Another aspect of the present invention relates to a device for bundling turns around a winding axis of a winding of a conductor of an electrically conductive material
  • a device for bundling turns around a winding axis of a winding of a conductor of an electrically conductive material
  • first and second bundling tools each having a first portion of the first and second bundling tools on that of the winding axis each of the first and second bundling tools is disposable on the winding axis-facing side of the windings, the first and second sections of the first and second bundling tools being connectable such that each of the first and second bundling tools has the same turns surrounds, wherein the first and second bundling tools are movable and / or rotated in different directions, to bundle the turns by bending and / or twisting.
  • the turns of a coil-shaped winding can be arranged particularly compact. It may be useful if the first and second portions of the first and second bundling tools are each formed as ring halves, which are preferably perpendicular to their respective separation plane connectable to a self-contained ring.
  • the first and second bundling tools are movable radially and / or parallel to the winding axis of the winding.
  • the first and second bundling tools are movable and / or rotated in opposite directions.
  • the term conductor is intended to cover all electrically conductive profiles which can be processed by the method according to the invention and subjected to reshaping, ie in particular endless profiles and strip materials, etc.
  • the conductor extends along a profile axis and preferably consists of homogeneous material, for example a electrically conductive material such as metal, in particular copper, aluminum, iron, silver or an alloy thereof.
  • the conductor is preferably produced by extrusion (or extrusion in the case of a plastic extrusion profile), for example with a constant cross section along the profile axis. In preparation for a sequential local bending deformation local cross-sectional changes can be made, for example by local material application and / or material removal.
  • the profile axis preferably corresponds to the center of the maximum outer dimensions of the cross-sectional shape or the center of the smallest rectangle, in which the cross-sectional shape of the conductor fits.
  • cross-sectional shape of the conductor in the context of this invention description refers to a cross section perpendicular to the profile axis of the conductor, unless it is explicitly stated otherwise.
  • Figure 1 shows in view (a) a perspective view of a transformed conductor of an electrically conductive material in which the cross-sectional shape of the conductor is changed in the Umformabitesen from circular to rectangular, and in view (b) is a perspective view of a corresponding winding of the deformed ladder according to view (a), wherein the forming sections are arranged one above the other in adjacent turns and lying between the forming sections conductor sections in the radial direction with respect to a winding axis at least partially superimposed and cross each other.
  • Figure 2 shows a side view of an arrangement according to view (b) of Figure 1 in the undeformed state.
  • Figure 3 shows a perspective view of an arrangement with a partially shown and arranged on a stator winding in the deformed state, the Umformabitese are pressed together in a direction parallel to the winding axis direction flat and lying between the Umformabitesen conductor sections are disordered.
  • FIG. 4 shows a perspective view of an arrangement according to FIG. 3, wherein the windings are encompassed in each case in the region of the conductor sections lying between the forming sections with first and second two-part bundle tools.
  • Figure 5 shows in another perspective view an arrangement according to Fig. 4, wherein the embraced by the bundle tools conductor sections are moved in opposite directions parallel to the winding axis.
  • FIG. 6 shows in view (a) a side view, in view (b) a front view and in view (c) a top view of the arrangement according to FIG. 5.
  • FIG. 7 shows a schematic view of an arrangement of forming coils without a stator.
  • the preferred embodiment of the invention relates to a method for producing an electrotechnical coil for electric motors.
  • a conductor 1 of constant circular cross-section extending along a profile axis A is provided in linear form.
  • Step B comprises the forming of the conductor 1 in a plurality of sub-steps, forming at least two forming sections 2 in each case by changing the cross-sectional shape of the conductor 1.
  • sub-step B1 the preforming of the conductor 1 takes place while changing the cross-sectional shape of the conductor 1 by flattening the conductor 1 from the circular cross-sectional shape into an oval or polygonal cross-sectional shape.
  • sub-steps B2, B3 and B4 the cross-sectional shape of the conductor 1 in each of the forming sections 2 is changed to a flatter rectangular cross-sectional shape in a repetitive pattern to form two parallel sides to the superimposed arrangement of the forming sections 2, wherein the Distances between the forming sections 2 are non-uniform and increase or decrease linearly along the profile axis A of the conductor 1.
  • the lying between the forming sections 2 sections 3 of the conductor 1 later form the winding head of the coil and are referred to as winding head sections 3 accordingly.
  • a semifinished product after partial step B4 of the method according to the invention is shown in detail in FIG. 1a.
  • step C the conductor 1 is arranged in several sub-steps in the form of a winding with a plurality of turns extending around a winding axis W so that the forming sections 2 lie flat over one another in adjacent windings.
  • each of the forming sections 2 extends along a straight line, the forming sections 2 of all the turns of the winding lying one above the other in a plane. Two of these planes are arranged on diametrically opposite sides parallel to the winding axis W.
  • the winding head sections 3 lying between the forming sections 2 are bent on a bending machine and using a mandrel e.g. bent over an arc length of 180 ° with a constant bending radius.
  • winding head sections 3 Due to the different lengths of the winding head sections 3, these can be offset in the wound state in accordance with sub-step C3 with respect to the winding axis W. be arranged one another, while the forming sections 2 lie one above the other flat, as shown clearly in Figure 2.
  • Step D involves compressing the winding along the winding axis W so that the forming sections 2 in adjacent turns contact each other flatly.
  • Step D involves compressing the winding along the winding axis W so that the forming sections 2 in adjacent turns contact each other flatly.
  • Step E comprises bundling the winding head sections 3 of the conductor 1 lying between the forming sections 2 by bending and possibly twisting them according to the following partial steps:
  • the forming sections 2 are first arranged in the groove portion of a stator S of an electric motor in sub-step E1, wherein the lying between the forming sections 2 winding head sections 3 form over the groove portion of the stator S above winding head.
  • the winding head sections 3 are largely disordered.
  • the bundling of the winding head sections 3 is carried out using a device with two annular bundle tools B1, B2, each consisting of two connectable ring halves.
  • all windings of the winding in the region of the winding head sections 3 are encompassed by the two annular bundle tools B1, B2.
  • a first section B1a, B2a of the bundling tools B1, B2 is arranged on the side of the turns facing away from the winding axis W
  • the complementary second section B1b, B2b of the bundling tools B1, B2 is positioned on the side of the turns pointing to the winding axis W
  • the state before joining both ring halves of the bundling tools B1, B2 is shown clearly in FIG.
  • each bundle tool B1, B2 By connecting both sections B1a, B1b; B2a, B2b of the bundle tools B1, B2 in the arrow direction surrounds each bundle tool B1, B2 the same winding head sections 3.
  • the encompassed winding head sections 3 can already be aligned in sections parallel to each other, so that they contact linear (sub-step E3).
  • the bending of the winding head sections 3 takes place by moving the first and second bundling tools B1, B2 in opposite directions parallel to the winding axis W. After completion of the bending, the bundle of the winding head sections 3 is wave-shaped, as illustrated in FIG. 5 and the views a , b and c of Figure 6 is shown.
  • the bundling of the winding head sections 3 is supported by twisting them as a result of a rotation of the bundling tools B1, B2 in opposite directions, so that the winding head sections 3 helically wrap around each other in sections (sub-step E5).
  • a forming sequence of an electrical conductor 1 is formed in such a way that the coil areas for the motor groove are spread so far until they would fill (almost) completely the groove width, taking account of insulation material.
  • the conductor 1 or the strand having a constant cross-sectional shape is locally adapted by reshaping in such a way that the optimum cross-sectional shape is achieved in some areas in the deformation sections 2.
  • conical cross-sectional geometry of the coil (groove) this implies that the sequence can have different cross-sectional dimensions.
  • FIG. 1 a A corresponding continuous forming sequence of a conductor 1 with forming sections 2 and intermediate conductor sections 3 is shown in FIG. 1 a.
  • this Umformsequenz is wound classically, so that the resulting winding head of the coil with a cross section of the semifinished product before the production of the sequence (intermediate conductor sections 3) and the groove portion of massively formed regions (forming sections 2).
  • Another method according to the invention involves bending the conductor sequence (with sections of different cross-sectional shape) on bending machines and / or automatic machines. In this case, the coil can be bent or wound over a mandrel or wound. Both during winding and during bending of the conductor 1, the cross-sectional shape may change. This change is passive and not actively influenced.
  • FIG. 1 b shows a coil design with conventional winding of the forming sequence by simple bending process and changing winding head length for every second wire layer
  • FIG. 2 shows a coil design with classical winding of the forming sequence and compression in the transition region of the conductor 1 between the forming sections 2 and intermediate conductor sections 3.
  • FIG. 3 shows a coil design with conventional winding of the forming sequence and compressed transition regions (half of the figure) and rearrangement of the wire layers.
  • bundling tools B1 and B2 can first comprise the wire layers in the area of the intermediate conductor sections 3 and thus compress something, as shown in FIGS. 4, 5 and 6a to c in different perspectives.
  • winding head side engaging tool elements (rings, divided) B1, B2 consisting of two ring halves B1 a, B1 b, B2a, B2b give the wire bundle in the winding head region the final curved geometry, with a bundle tool element B1 down and the other bundle tool element B2 after moves up.
  • Both classic tool making and robotics can be used to realize the forming process.
  • This production sequence makes it possible to automate the winding process of coils made of semifinished conductor products with a sequence of different cross sections, which increase the copper fill factor in the future groove areas, but are easier to handle by their input wire cross section (preferably round) in the area of the winding head.
  • Fig. 7 shows an arrangement of the forming coils without stator, wherein the winding heads can be passed well past each other. With particularly thin wire, individual process steps such as the subsequent calibration of the winding overhang can be dispensed with, since this transformation does not require any great forces.
  • preformed wire sections can be detected by grinding with little effort.
  • the different geometric shape of the winding head and groove area necessarily requires a manufacturing step before winding the wire layers, which, however, could also be realized by machining or forming technology.
  • stranded conductors are also possible as input material.
  • the large field of application are coils for electric motors which are mass-produced.
  • the invention comprises the winding and bending of a preferably straight wire, which finally serves as an electrical conductor 1.
  • the conductor 1 consists of a sequence of locally adapted cross sections (round - rectangular - round - rectangular - round, round - trapezoidal - round - trapezoidal - round, rectangular - trapezoidal - rectangular - trapezoidal - rectangular).
  • the conductor regions with different cross-sectional shape can be symmetrical (coaxial) but also offset from one another parallel to each other. Such an alternating pivoting of the transitions achieves an improved or self-organizing arrangement of the conductors in the winding overhang.
  • the conductor sequence can be made by forming (casting, 3 D-pressure), reshaping or machining.
  • the bending of the conductor with an adapted cross-sectional sequence is carried out in such a way that the cross sections adapted for filling the groove come to lie one above the other and simpler semifinished product cross-sections are used in the area of the winding head.
  • a rotation of the stacked conductors in the groove area to each other or for compacting the turns in the winding area serves to improve the use of space or the reduction of the extension of the winding head.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule. Um eine elektrotechnische Spule unter Erzielung eines erhöhten Füllfaktors bzw. Nutfüllfaktors auf zuverlässige und einfache Art und Weise reproduzierbar wirtschaftlich herzustellen, umfassend das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte: Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse erstreckenden Leiters (1) aus einem elektrisch leitenden Material, Schritt B: Umformen des Leiters (1) unter Ausbildung wenigstens zweier Umformabschnitte jeweils durch Veränderung der Querschnittsform des Leiters, Schritt C: Anordnen des Leiters in Form einer Wicklung mit wenigstens zwei sich um eine Wicklungsachse (W) erstreckenden Windungen, sodass wenigstens zwei der Umformabschnitte in benachbarten Windungen flächig übereinander liegen, Schritt D: Komprimieren der Wicklung entlang der Wicklungsachse (W), sodass die Umformabschnitte in benachbarten Windungen einander flächig kontaktieren, Schritt E: Bündelung wenigstens einiger der zwischen den Umformabschnitten liegenden Wickelkopfabschnitte (3) des Leiters (1) durch Biegung und/oder Verdrillung derselben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule.
Bislang werden Spulen aus Runddraht gewickelt, wodurch sich aufgrund der Leiterform eine mangelnde Raumnutzung speziell bei konisch ausgeführten Spulen zeigt, 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 der gesamten Kupferquerschnittsfläche zur Nutfläche, dem sogenannten Nutfüllfaktor, ab. Eine Erhöhung des Füllfaktors ermöglicht bei gleich bleibendem Drehmoment einen flacheren Aufbau des Stators oder eine Verbreiterung der Zähne, welche zur Entlastung des Magnetkreises beiträgt.
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 geschätzt und aufgrund der Unkenntnis der späteren tatsächlichen Ausführung des Motors nicht berechnet werden kann, werden für die Motoren höhere Massen angenommen (Kupfer der Wicklungen und Blechpakete des Stators und des Rotors), wodurch sich tendenziell (zu) schwere und (zu) große Maschinen ergeben.
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.).
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 umform technisch 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 Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule zur Verfügung zu stellen, sodass die 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 stellt die vorliegende Erfindung das Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule nach Anspruch 1 bereit, umfassend die Schritte:
Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse erstreckenden Leiters aus einem elektrisch leitenden Material.
Schritt B: Umformen des Leiters unter Ausbildung wenigstens zweier Umformabschnitte jeweils durch Veränderung der Querschnittsform des Leiters.
Schritt C: Anordnen des Leiters in Form einer Wicklung mit wenigstens zwei sich um eine Wicklungsachse erstreckenden Windungen, sodass wenigstens zwei der Umformabschnitte in benachbarten Windungen flächig übereinander liegen. Schritt D: Komprimieren der Wicklung entlang der Wicklungsachse, sodass die Umformabschnitte in benachbarten Windungen einander flächig kontaktieren.
Schritt E: Bündelung wenigstens einiger der zwischen den Umformabschnitten liegenden Wickelkopfabschnitte des Leiters durch Biegung und/oder Verdrillung derselben.
Nach der vorliegenden Erfindung können die Umformabschnitte des Leiters weitgehend ohne Berücksichtigung der späteren Anordnung der dazwischenliegenden Wickelkopfabschnitte im Wickelkopf einer aus dem Leiter hergestellten Wicklung ausgebildet werden, da die erfindungsgemäße Bündelung der Wickelkopfabschnitte in Schritt E des erfindungsgemäßen Verfahrens ohnehin eine besonders kompakte Anordnung der Spule, insbesondere im Wickelkopfbereich, ermöglicht. Gerade bei Leitern mit geringen Querschnittsflächen kann die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommene Bündelung der Wickelkopfabschnitte ein Aufs p reizen des Wickelkopfes verhindern. Dabei kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Wickelkopfabschnitte durch Biegung in eine kompakte und gebündelte Form gebracht werden, die abweichend von der regulären Spulenform zumindest abschnittsweise wellenförmig z.B. in Umfangsrichtung um die Wicklungsachse verläuft. Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die in benachbarten Windungen übereinander liegenden Wickelkopfabschnitte durch Verdrillung nach Art einer Litze zumindest abschnittsweise schraubenförmig angeordnet und damit in eine besonders kompakte Form gebracht werden. Vorzugsweise werden die Wickelkopfabschnitte durch die Biegung und/oder Verdrillung unter teilweiser oder vollständiger Aufhebung der elastischen Rückstellkräfte plastisch verformt, sodass die Wickelkopfabschnitte nach der Entfernung entsprechender Werkzeuge auch ohne gesonderte Hilfsmittel in der kompakten Anordnung verbleiben.
Es kann sinnvoll sein, wenn Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt A1 : Bereitstellen des Leiters als Endlosleiter, vorzugsweise durch Strangpressen, Extrudieren oder Abwickeln von einer Spule.
Schritt A2: Bereitstellen des Leiters mit einer entlang seiner Profilachse konstanten Querschnittsform, wobei die Querschnittsform des Leiters vorzugsweise kreisförmig, oval oder polygonal ist.
Schritt A3: Bereitstellen des Leiters in linearer Form. Mit diesen Merkmalen kann aus einem standardisierten Ausgangsmaterial eine Vielzahl unterschiedlicher Spulen hergestellt werden, sodass sich das Verfahren nach dieser Ausführung als besonders effizient erweist.
Es kann von Vorteil sein, wenn Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt B1 : Vorformen des Leiters unter Veränderung der Querschnittsform des Leiters, vorzugsweise unter Abflachung des Leiters, bevorzugt ausgehend von einer kreisförmigen Querschnittsform in eine ovale oder polygonale Querschnittsform. Durch ein allgemeines Vorformen des Leiters kann dieser an die individuellen Gegebenheiten des konkreten Anwendungsfalls angepasst werden, sodass der Nachbearbeitungsaufwand bei der Ausbildung der einzelnen Umformabschnitte verringert werden kann.
Schritt B2: Veränderung der Querschnittsform des Leiters in jedem der Umformabschnitte unter Ausbildung wenigstens zweier komplementärer und/oder paralleler Seiten zur flächig übereinander liegenden Anordnung der Umformabschnitte. Nach dieser Ausführung können die Umformabschnitte besonders kompakt übereinander liegend angeordnet werden.
Schritt B3: Ausbildung der Umformabschnitte jeweils im Abstand voneinander entlang der Profilachse des Leiters, wobei die Abstände zwischen den Umformabschnitten vorzugsweise uneinheitlich sind und bevorzugt entlang der Profilachse des Leiters linear zunehmen oder abnehmen. Durch Variation der Abstände zwischen den Umformabschnitten ändert sich die Länge der zwischen den Umformabschnitten liegenden Wickelkopfabschnitte. Eine unterschiedliche Länge der Wickelkopfabschnitte ermöglicht eine versetzte Anordnung derselben in benachbarten Windungen einer Wicklung, wenn die Umformabschnitte exakt übereinanderliegend positioniert sind. Da die Umformabschnitte in der Regel flacher ausgebildet sind als die Wickelkopfabschnitte, kann durch diese Maßnahme die Bauhöhe der elektrotechnischen Spule verringert und damit der Füllfaktor erhöht werden.
Schritt B4: Umformen des Leiters in jedem der Umformabschnitte nach einem sich wiederholenden Muster, sodass die Umformabschnitte und/oder die Wickelkopfabschnitte im Hinblick auf wenigstens eines der folgenden Merkmale untereinander ein- heitlich ausgebildet sind: Länge, Breite, Höhe, Querschnittsform, Querschnittsfläche. Eine gleichbleibende Querschnittsfläche begünstigt eine konstante Stromdichte.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt C1 : Anordnen der Umformabschnitte um die Wicklungsachse, sodass sich jeder der Umformabschnitte entlang einer Geraden erstreckt, wobei vorzugsweise jeweils mehrere Umformabschnitte in einer Ebene übereinander liegen, wobei bevorzugt zwei dieser Ebenen auf diametral gegenüberliegenden Seiten parallel zur Wicklungsachse angeordnet sind. Durch die Abflachung der Umformabschnitte ist deren Biegbarkeit in der Ebene der größten Ausdehnung ihrer Querschnittsform stark eingeschränkt. Daher erweist es sich als sinnvoll, wenn die Umformabschnitte in der Ebene der größten Ausdehnung ihrer Querschnittsform nicht gebogen werden und sich entlang einer Geraden erstrecken.
Schritt C2: Biegen der zwischen den Umformabschnitten liegenden Wickelkopfabschnitte, vorzugsweise über eine Bogenlänge im Bereich von 45 bis 180°, insbesondere um 45°, 60°, 90°, 120° oder 180°, bevorzugt mit konstantem Biegeradius, besonders bevorzugt auf einer Biegemaschine und/oder unter Verwendung eines Doms. Durch diese Maßnahmen lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Spulen erstellen.
Schritt C3: Anordnen der Wickelkopfabschnitte, sodass diese in benachbarten Windungen zumindest abschnittsweise radial zur Wicklungsachse versetzt sind. Dadurch kann die Bauhöhe der elektrotechnischen Spule verringert werden.
Es kann sinnvoll sein, wenn Schritt D wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt D1 : Aufbringen einer Presskraft auf die Übergangsbereiche zwischen den Umformabschnitten und den Wickelkopfabschnitten, vorzugsweise einseitig oder beidseitig entlang der Wicklungsachse. Durch diese Maßnahme kann die Bauhöhe der elektrotechnischen Spule weiter verringert werden und der Füllfaktor erhöht werden.
Schritt D2: Veränderung der Querschnittsform der Wickelkopfabschnitte in den Übergangsbereichen angrenzend an die Umformabschnitte durch Verdrängung des Materials des Leiters infolge der Presskraft, vorzugsweise derart, dass die Querschnittsform der Wickelkopfabschnitte zumindest in den Bereichen, in denen die Wi- ckelkopfabschnitte parallel zur Wicklungsachse unmittelbar übereinander liegen, an die Querschnittsform der Umformabschnitte angenähert oder angeglichen wird. Dieser Schritt führt dazu, dass das Leitermaterial durch plastische Umformung in den Übergangsbereichen zwischen den Wickelkopfabschnitten und den Umformabschnitten im Wesentlichen selbst organisierend in eine besonders kompakte Anordnung überführt wird.
Es kann sich auch als nützlich erweisen, wenn Schritt E wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist:
Schritt E1 : Anordnen der Umformabschnitte in wenigstens einem Nutbereich eines Stators oder Rotors eines Elektromotors, sodass die zwischen den Umformabschnitten liegenden Wickelkopfabschnitte einen über den Nutbereich des Stators/ Rotors vorstehenden Wickelkopf bilden. Bei dieser Ausführung kommen die vorteilhaften Wirkungen der beanspruchten Erfindung besonders zur Geltung.
Schritt E2: Umgreifen zweier, mehrerer oder sämtlicher Windungen der Wicklung im Bereich der Wickelkopfabschnitte mit wenigstens einem Bündelwerkzeug, vorzugsweise durch Anordnen jeweils eines ersten Abschnitts von ersten und zweiten Bündelwerkzeugen auf der von der Wicklungsachse abweisenden Seite der Windungen und Anordnen jeweils eines zweiten Abschnitts der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge auf der zur Wicklungsachse weisenden Seite der Windungen, und Verbinden jeweils der ersten und zweiten Abschnitte der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge, sodass jedes der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge dieselben Wickelkopfabschnitte umgibt. Durch verschiedene Bündelwerkzeuge kann an unterschiedlichen Stellen des Wickelkopfes auf die Wickelkopfabschnitte eingewirkt werden, um diese in eine besonders kompakte Anordnung zu überführen. Zur Biegung der Wickelkopfabschnitte eignen sich insbesondere zwei in unterschiedliche Richtungen bewegbare Bündelwerkzeuge.
Schritt E3: Verringerung des Innenumfangs des wenigstens einen Bündelwerkzeugs zur Bündelung der Wickelkopfabschnitte, vorzugsweise durch gegenseitiges Annähern jeweils der ersten und zweiten Abschnitte der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge, sodass die umgriffenen Wickelkopfabschnitte im Wesentlichen wenigstens abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtet werden und/oder einander vorzugsweise linienformig kontaktieren. Dadurch kann bereits vor der Biegung und/oder Verdrillung der Wickelkopfabschnitte eine vorläufige Bündelung erreicht werden, die die spätere Handhabung erleichtert.
Schritt E4: Biegung der Wickelkopfabschnitte durch Bewegung des wenigstens einen Bündelwerkzeugs mit den davon umgriffenen Wickelkopfabschnitten in einer Richtung radial zur Wicklungsachse und/oder parallel zur Wicklungsachse, vorzugsweise durch Bewegung der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge in gegensätzliche Richtungen parallel zur Wicklungsachse, sodass das Bündel der Wickelkopfabschnitte wellenförmig ausgebildet ist. Die Biegung führt bevorzugt zumindest teilweise zu einer plastischen Umformung der Wickelkopfabschnitte, sodass die elastischen Rückstellkräfte des Leitermaterials eliminiert werden und die Wickelkopfabschnitte nach dem Entfernen des Bündelwerkzeugs in der gebogenen Form verbleiben. In einer bevorzugten Ausführung verlaufen die gebogenen Wickelkopfabschnitte zumindest abschnittsweise wellenförmig in Umfangsrichtung um die Wicklungsachse.
Schritt E5: Verdrillung der Wickelkopfabschnitte durch Verdrehung des wenigstens einen Bündelwerkzeugs, sodass sich die Wickelkopfabschnitte zumindest abschnittsweise schraubenförmig umeinander winden, wobei vorzugsweise die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge in unterschiedliche und ggfs. gegensätzliche Richtungen verdreht werden. Die Verdrillung führt bevorzugt zumindest teilweise zu einer plastischen Umformung der Wickelkopfabschnitte, sodass die elastischen Rückstellkräfte des Leitermaterials eliminiert werden und die Wickelkopfabschnitte nach dem Entfernen des Bündelwerkzeugs in der verdrillten Form verbleiben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bündelung von sich um eine Wicklungsachse erstreckenden Windungen einer Wicklung aus einem Leiter aus einem elektrisch leitenden Material, umfassend erste und zweite Bündelwerkzeuge, wobei jeweils ein erster Abschnitt der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge auf der von der Wicklungsachse abweisenden Seite der Windungen anordenbar ist und jeweils ein zweiter Abschnitt der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge auf der zur Wicklungsachse weisenden Seite der Windungen anordenbar ist, wobei die ersten und zweiten Abschnitte der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge verbindbar sind, sodass jedes der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge dieselben Windungen umgibt, wobei die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge in unterschiedliche Richtungen bewegbar und/oder verdrehbar sind, um die Windungen durch Biegung und/oder Verdrillung zu bündeln. Mit dieser Vorrichtung können die Windungen einer spulenförmigen Wicklung besonders kompakt angeordnet werden. Es kann sinnvoll sein, wenn die ersten und zweiten Abschnitte der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge jeweils als Ringhälften ausgebildet sind, die vorzugsweise senkrecht zu ihrer jeweiligen Trennungsebene zu einem in sich geschlossenen Ring verbindbar sind.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge radial und/oder parallel zur Wicklungsachse der Wicklung bewegbar.
Bevorzugt sind die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge in gegensätzliche Richtungen bewegbar und/oder verdrehbar.
Diese Merkmale erleichtern die Bearbeitung der Windungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Begriffe und Definitionen Leiter
Der Begriff Leiter soll alle elektrisch leitenden Profile erfassen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden können und einer Umformung unterzogen werden können, also insbesondere Endlosprofile und Bandmaterialien, etc.. Der Leiter erstreckt sich entlang einer Profilachse und besteht vorzugsweise aus homogenem Material, beispielsweise einem elektrisch leitenden Werkstoff wie Metall, insbesondere Kupfer, Aluminium, Eisen, Silber oder einer Legierung daraus. Der Leiter wird vorzugsweise durch Strangpressen (oder Ex- trusion im Falle eines Strangprofils aus Kunststoff) hergestellt, bspw. mit einem entlang der Profilachse konstanten Querschnitt. In Vorbereitung einer sequenziellen lokalen Biegeumformung können lokale Querschnittsänderungen vorgenommen werden, beispielsweise durch lokalen Materialauftrag und/oder Materialabtrag.
Profilachse
Die Profilachse entspricht vorzugsweise dem Mittelpunkt der maximalen Außenabmessungen der Querschnittsform bzw. dem Mittelpunkt des kleinsten Rechtecks, in welches die Querschnittsform des Leiters hineinpasst.
Querschnittsform
Die Querschnittsform des Leiters bezieht sich im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung auf einen Querschnitt senkrecht zur Profilachse des Leiters, sofern es nicht explizit anders angegeben ist. Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt in Ansicht (a) eine perspektivische Ansicht eines umgeformten Leiters aus einem elektrisch leitenden Material, bei dem die Querschnittsform des Leiters in den Umformabschnitten von kreisrund auf rechteckig geändert ist, und in Ansicht (b) eine perspektivische Ansicht einer entsprechenden Wicklung aus dem umgeformten Leiter gemäß Ansicht (a), wobei die Umformabschnitte in benachbarten Windungen übereinander liegend angeordnet sind und die zwischen den Umformabschnitten liegenden Leiterabschnitte in radialer Richtung bezüglich einer Wicklungsachse zumindest abschnittsweise übereinander liegen und einander überkreuzen.
Figur 2 zeigt in Seitenansicht eine Anordnung gemäß Ansicht (b) der Figur 1 im unverform- ten Zustand.
Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Anordnung mit einer teilweise dargestellten und auf einem Stator angeordneten Wicklung im verformten Zustand, wobei die Umformabschnitte in einer zur Wicklungsachse parallelen Richtung flächig aneinandergedrückt sind und die zwischen den Umformabschnitten liegenden Leiterabschnitte ungeordnet sind.
Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Anordnung gemäß Fig. 3, wobei die Windungen jeweils im Bereich der zwischen den Umformabschnitten liegenden Leiterabschnitte mit ersten und zweiten zweiteiligen Bündelwerkzeugen umgriffen werden.
Figur 5 zeigt in anderer perspektivischer Ansicht eine Anordnung gemäß Fig. 4, wobei die von den Bündelwerkzeugen umgriffenen Leiterabschnitte in gegensätzlichen Richtungen parallel zur Wicklungsachse bewegt werden.
Figur 6 zeigt in Ansicht (a) eine Seitenansicht, in Ansicht (b) eine Vorderansicht und in Ansicht (c) eine Draufsicht der Anordnung gemäß Fig. 5.
Figur 7 zeigt in schematischer Ansicht eine Anordnung von Umformspulen ohne Stator.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule für E-Motoren. In Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein sich entlang einer Profilachse A erstreckender Leiter 1 mit konstantem kreisförmigem Querschnitt in linearer Form bereitgestellt.
Schritt B umfasst das Umformen des Leiters 1 in mehreren Teilschritten unter Ausbildung wenigstens zweier Umformabschnitte 2 jeweils durch Veränderung der Querschnittsform des Leiters 1.
In Teilschritt B1 erfolgt das Vorformen des Leiters 1 unter Veränderung der Querschnittsform des Leiters 1 durch Abflachung des Leiters 1 von der kreisförmigen Querschnittsform in eine ovale oder polygonale Querschnittsform.
In den Teilschritten B2, B3 und B4 wird die Querschnittsform des Leiters 1 in jedem der Umformabschnitte 2 nach einem sich wiederholenden Muster unter Ausbildung zweier paralleler Seiten zur flächig übereinander liegenden Anordnung der Umformabschnitte 2 von der abgeflachten Querschnittsform in eine flachere rechteckige Querschnittsform geändert, wobei die Abstände zwischen den Umformabschnitten 2 uneinheitlich sind und entlang der Profilachse A des Leiters 1 linear zunehmen oder abnehmen. Die zwischen den Umformabschnitten 2 liegenden Abschnitte 3 des Leiters 1 bilden später den Wickelkopf der Spule und werden dementsprechend als Wickelkopfabschnitte 3 bezeichnet. Ein Halbzeug nach Teilschritt B4 des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 1a ausschnittsweise dargestellt.
In Schritt C wird der Leiter 1 in mehreren Teilschritten in Form einer Wicklung mit mehreren sich um eine Wicklungsachse W erstreckenden Windungen angeordnet, sodass die Umformabschnitte 2 in benachbarten Windungen flächig übereinander liegen.
Im Einklang mit Teilschritt C1 erstreckt sich jeder der Umformabschnitte 2 entlang einer Geraden, wobei die Umformabschnitte 2 aller Windungen der Wicklung in einer Ebene übereinander liegen. Zwei dieser Ebenen sind auf diametral gegenüberliegenden Seiten parallel zur Wicklungsachse W angeordnet.
Gemäß dem Teilschritt C2 werden die zwischen den Umformabschnitten 2 liegenden Wickelkopfabschnitte 3 auf einer Biegemaschine und unter Verwendung eines Doms z.B. über eine Bogenlänge von 180° mit konstantem Biegeradius gebogen.
Durch die unterschiedlichen Längen der Wickelkopfabschnitte 3 können diese im aufgewickelten Zustand im Einklang mit Teilschritt C3 bezüglich der Wicklungsachse W versetzt zu- einander angeordnet werden, während die Umformabschnitte 2 flächig übereinander liegen, wie anschaulich in Figur 2 dargestellt ist.
Schritt D umfasst das Komprimieren der Wicklung entlang der Wicklungsachse W. sodass die Umformabschnitte 2 in benachbarten Windungen einander flächig kontaktieren. Durch Aufbringen einer Presskraft auf die Übergangsbereiche zwischen den Umformabschnitten 2 und den Wickelkopfabschnitten 3 beidseitig entlang der Wicklungsachse W wird die Querschnittsform der Wickelkopfabschnitte 3 in den Übergangsbereichen angrenzend an die Umformabschnitte 2 durch Verdrängung des Materials des Leiters 1 an die Querschnittsform der Umformabschnitte 2 angenähert oder angeglichen (Teilschritte D1 und D2).
Schritt E umfasst die Bündelung der zwischen den Umformabschnitten 2 liegenden Wickelkopfabschnitte 3 des Leiters 1 durch Biegung und ggf. Verdrillung derselben nach folgenden Teilschritten:
Da die Bündelung vorzugsweise im Einbauzustand der Spule erfolgt, werden zunächst im Teilschritt E1 die Umformabschnitte 2 im Nutbereich eines Stators S eines Elektromotors angeordnet, wobei die zwischen den Umformabschnitten 2 liegenden Wickelkopfabschnitte 3 einen über den Nutbereich des Stators S vorstehenden Wickelkopf bilden. In diesem Zustand, der in Figur 3 teilweise dargestellt ist, verlaufen die Wickelkopfabschnitte 3 weitgehend ungeordnet.
Die Bündelung der Wickelkopfabschnitte 3 erfolgt unter Verwendung einer Vorrichtung mit zwei ringförmigen Bündelwerkzeugen B1 , B2, die jeweils aus zwei verbindbaren Ringhälften bestehen.
Gemäß dem Teilschritt E2 werden sämtliche Windungen der Wicklung im Bereich der Wickelkopfabschnitte 3 mit den zwei ringförmigen Bündelwerkzeugen B1 , B2 umgriffen. Dazu wird jeweils ein erster Abschnitt B1a, B2a der Bündelwerkzeuge B1 , B2 auf der von der Wicklungsachse W abweisenden Seite der Windungen angeordnet und jeweils der komplementäre zweite Abschnitt B1 b, B2b der Bündelwerkzeuge B1 , B2 auf der zur Wicklungsachse W weisenden Seite der Windungen positioniert. Der Zustand vor dem Verbinden beider Ringhälften der Bündelwerkzeuge B1 , B2 ist in Figur 4 anschaulich dargestellt.
Durch Verbinden beider Abschnitte B1a, B1 b; B2a, B2b der Bündelwerkzeuge B1 , B2 in Pfeilrichtung umgibt jedes Bündelwerkzeug B1 , B2 dieselben Wickelkopfabschnitte 3. Durch Verringerung des Innenumfangs jedes Bündelwerkzeugs B1 , B2 beim Verbinden der beiden Ringhälften können die umgriffenen Wickelkopfabschnitte 3 bereits abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtet werden, sodass sie sich linienförmig kontaktieren (Teilschritt E3).
Die Biegung der Wickelkopfabschnitte 3 (Teilschritt E4) erfolgt durch Bewegung der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge B1 , B2 in gegensätzliche Richtungen parallel zur Wicklungsachse W. Nach Abschluss der Biegung ist das Bündel der Wickelkopfabschnitte 3 wellenförmig ausgebildet, wie anschaulich in Figur 5 und den Ansichten a, b und c der Figur 6 dargestellt ist.
Gegebenenfalls wird die Bündelung der Wickelkopfabschnitte 3 durch Verdrillung derselben infolge einer Verdrehung der Bündelwerkzeuge B1 , B2 in gegensätzliche Richtungen unterstützt, sodass sich die Wickelkopfabschnitte 3 abschnittsweise schraubenförmig umeinander winden (Teilschritt E5).
Zusammenfassend wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine Umformsequenz aus einem elektrischen Leiter 1 derart gebildet, dass die Spulenbereiche für die Motorennut so weit umformtechnisch gebreitet werden, bis sie unter Berücksichtigung von Isolationsmaterial die Nutbreite (nahezu) vollständig ausfüllen würden.
In einem vorbereitenden Schritt wird der Leiter 1 oder die Litze mit konstanter Querschnittsform lokal durch Umformen so angepasst, dass in den Umformabschnitten 2 bereichsweise die optimale Querschnittsform erreicht wird. Bei konischer Querschnittsgeometrie der Spule (Nut) beinhaltet das, dass die Sequenz unterschiedliche Querschnittsabmessungen aufweisen kann. Eine entsprechende fortlaufende Umformsequenz eines Leiters 1 mit Umformabschnitten 2 und zwischenliegenden Leiterabschnitten 3 ist in Fig. 1 a dargestellt.
Im Anschluss wird diese Umformsequenz klassisch aufgewickelt, sodass der entstehende Wickelkopf der Spule mit Querschnitt des Halbzeuges vor der Herstellung der Sequenz (zwischenliegende Leiterabschnitte 3) und der Nutbereich aus massiv umgeformten Bereichen (Umformabschnitten 2) besteht. Eine weitere, erfindungsgemäße Verfahrensweise beinhaltet das Biegen der Leitersequenz (mit Abschnitten unterschiedlicher Querschnittsform) auf Biegemaschinen und/ oder -automaten. Hierbei kann die Spule fliegend bzw. über einen Dorn gebogen / gewickelt werden. Sowohl beim Wickeln als auch beim Biegen des Leiters 1 kann sich die Querschnittsform ändern. Diese Änderung ist passiver Natur und wird nicht aktiv beeinflusst. Fig. 1 b zeigt einen Spulenentwurf mit klassischer Aufwicklung der Umformsequenz durch einfachen Biegeprozess und wechselnder Wickelkopflänge für jede zweite Drahtlage, und Fig. 2 zeigt einen Spulenentwurf mit klassischer Wicklung der Umformsequenz und Verpres- sen im Übergangsbereich des Leiters 1 zwischen den Umformabschnitten 2 und den zwischenliegenden Leiterabschnitten 3.
Im Bereich der Übergänge von Wickelkopf zu Nutbereich, d.h. den Bereichen zwischen den Umformabschnitten 2 und den zwischenliegenden Leiterabschnitten 3, wird die vereinfachte Aufwicklung umgeformt/gepresst, damit ein dauerhafter Kontakt der flachen Presssequenzen zueinander gewährleistet wird. Für eine bessere Anordnung der Drahtlagen bieten sich verschiedene Ansätze an, beispielsweise eine von Wicklung zu Wicklung alternierende Wickelkopflänge. Das kann zur Ermöglichung der platzsparenden Anordnung der Drahtlagen im Wickelkopf beitragen, wie in den Fig. 1 b und 2 dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt einen Spulenentwurf mit klassischer Wicklung der Umformsequenz und verpress- ten Übergangsbereichen (Abbildung hälftig) und Neuanordnung der Drahtlagen.
Für eine bessere Organisation der Drahtlagen im Wickelkopf können Bündelwerkzeuge B1 und B2 zunächst die Drahtlagen im Bereich der zwischenliegenden Leiterabschnitte 3 umfassen und so etwas komprimieren, wie in Fig. 4, 5 und 6a bis c in verschiedenen Perspektiven dargestellt ist.
Im Bereich Wickelkopfes seitlich eingreifende Werkzeugelemente (Ringe, geteilt) B1 , B2 bestehend aus jeweils zwei Ringhälften B1 a, B1 b, B2a, B2b geben dem Drahtbündel im Wickelkopfbereich die finale geschwungene Geometrie, wobei ein Bündelwerkzeugelement B1 nach unten und das andere Bündelwerkzeugelement B2 nach oben fährt. Für die Realisierung der Umform bewegung ist sowohl klassischer Werkzeugbau wie auch Robotertechnik einsetzbar.
Diese Fertigungsfolge ermöglicht eine weitgehende Automatisierung des Wickelprozesses von Spulen aus Leiterhalbzeugen mit einer Sequenz unterschiedlicher Querschnitte, welche in den künftigen Nutbereichen den Kupferfüllfaktor erhöhen, durch ihren Eingangsdrahtquerschnitt (vorzugsweise rund) im Bereich des Wickelkopfes jedoch besser handhabbar sind.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung der Umformspulen ohne Stator, wobei die Wickelkopfe gut aneinander vorbei geführt werden können. Bei besonders dünnem Draht können einzelne Prozessschritte wie das nachträgliche Kalibrieren des Wickelkopfes entfallen, da diese Umformung keiner großen Kräfte bedarf.
Der Einsatz vorgeformter Drahtabschnitte lässt sich durch Schliffe mit geringem Aufwand nachweisen.
Die unterschiedliche geometrische Gestalt von Wickelkopf und Nutbereich erfordert vor dem Wickeln der Drahtlagen zwingend einen fertigungstechnischen Schritt, welcher aber auch spanend oder urformtechnisch realisiert werden könnte. Außerdem sind als Eingangsmaterial auch Litzenleiter möglich.
Das große Anwendungsgebiet sind Spulen für E- otoren die in Massenproduktion hergestellt werden.
Die Erfindung umfasst das Wickeln und Biegen eines vorzugsweise geraden Drahtes, welcher final als elektrischer Leiter 1 dient. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der daraus entstehenden elektrischen Spule (in E-Maschinen) besteht der Leiter 1 aus einer Sequenz von lokal angepassten Querschnitten (rund - rechteckig - rund - rechteckig - rund, rund - trapezförmig - rund - trapezförmig - rund, rechteckig - trapezförmig - rechteckig - trapezförmig - rechteckig).
Die Leiterbereiche mit unterschiedlicher Querschnittsform können symmetrisch (koaxial) aber auch gegeneinander versetzt parallel zueinander ausgeführt sein. Durch ein derartiges wechselseitiges Verschwenken der Übergänge wird eine verbesserte bzw. selbstorganisierende Anordnung der Leiter im Wickelkopf erreicht.
Die Leitersequenz kann urformend (Gießen, 3 D-Druck), umformend, oder zerspanend hergestellt werden.
Das Biegen des Leiters mit einer angepassten Querschnittssequenz erfolgt derart, dass die zur Ausfüllung der Nut angepassten Querschnitte übereinander zu liegen kommen und im Bereich des Wickelkopfes einfachere Halbzeugquerschnitte genutzt werden.
Eine Verdrehung der gestapelten Leiter im Nutbereich zueinander bzw. zur Kompaktierung der Windungen im Wickelbereich dient der Verbesserung der Raumnutzung bzw. der Verkleinerung der Ausdehnung des Wickelkopfes. Bezugszeichenliste
1 Leiter
2 Umformabschnitt
3 Wickelkopfabschnitt
B1 Erstes Bündelwerkzeug
B1a Erster Teil des ersten Bündelwerkzeugs
B1b Zweiter Teil des ersten Bündelwerkzeugs
B2 Zweites Bündelwerkzeug
B2a Erster Teil des zweiten Bündelwerkzeugs
B2b Zweiter Teil des zweiten Bündelwerkzeugs
A Profilachse
Q Querseite/Wickelkopfseite des Stators/ Rotors
L Längsseite/Nutseite des Stators/ Rotors
S Stator/ Rotor
W Wicklungsachse

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule, umfassend die Schritte: a. Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse (A) erstreckenden Leiters (1 ) aus einem elektrisch leitenden Material. b. Schritt B: Umformen des Leiters (1 ) unter Ausbildung wenigstens zweier Umformabschnitte (2) jeweils durch Veränderung der Querschnittsform des Leiters (1 ). c. Schritt C: Anordnen des Leiters (1 ) in Form einer Wicklung mit wenigstens zwei sich um eine Wicklungsachse (W) erstreckenden Windungen, sodass wenigstens zwei der Umformabschnitte (2) in benachbarten Windungen flächig übereinander liegen. d. Schritt D: Komprimieren der Wicklung entlang der Wicklungsachse (W), sodass die Umformabschnitte (2) in benachbarten Windungen einander flächig kontaktieren. e. Schritt E: Bündelung wenigstens einiger der zwischen den Umformabschnitten (2) liegenden Wickelkopfabschnitte (3) des Leiters (1 ) durch Biegung und/oder Verdrillung derselben.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt A1 : Bereitstellen des Leiters (1 ) als Endlosleiter, vorzugsweise durch Strangpressen, Extrudieren oder Abwickeln von einer Spule. b. Schritt A2: Bereitstellen des Leiters (1 ) mit einer entlang seiner Profilachse (A) konstanten Querschnittsform, wobei die Querschnittsform des Leiters (1 ) vorzugsweise kreisförmig, oval oder polygonal ist. c. Schritt A3: Bereitstellen des Leiters (1 ) in linearer Form.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt B1 : Vorformen des Leiters (1 ) unter Veränderung der Querschnittsform des Leiters (1 ), vorzugsweise unter Abflachung des Leiters (1 ), bevorzugt ausgehend von einer kreisförmigen Querschnittsform in eine ovale oder polygonale Querschnittsform. b. Schritt B2: Veränderung der Querschnittsform des Leiters (1 ) in jedem der Umformabschnitte (2) unter Ausbildung wenigstens zweier komplementärer und/oder paralleler Seiten zur flächig übereinander liegenden Anordnung der Umformabschnitte (2). c. Schritt B3: Ausbildung der Umformabschnitte (2) jeweils im Abstand voneinander entlang der Profilachse (A) des Leiters (1 ), wobei die Abstände zwischen den Umformabschnitten (2) vorzugsweise uneinheitlich sind und bevorzugt entlang der Profilachse (A) des Leiters (1 ) linear zunehmen oder abnehmen. d. Schritt B4: Umformen des Leiters (1 ) in jedem der Umformabschnitte (2) nach einem sich wiederholenden Muster, sodass die Umformabschnitte
(2) und/oder die Wickelkopfabschnitte
(3) im Hinblick auf wenigstens eines der folgenden Merkmale untereinander einheitlich ausgebildet sind: Länge, Breite, Höhe, Querschnittsform, Querschnittsfläche.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt C1 : Anordnen der Umformabschnitte (2) um die Wicklungsachse (W), sodass sich jeder der Umformabschnitte (2) entlang einer Geraden erstreckt, wobei vorzugsweise jeweils mehrere Umformabschnitte (2) in einer Ebene übereinander liegen, wobei bevorzugt zwei dieser Ebenen auf diametral gegenüberliegenden Seiten parallel zur Wicklungsachse (W) angeordnet sind. b. Schritt C2: Biegen der zwischen den Umformabschnitten (2) liegenden Wickelkopfabschnitte (3), vorzugsweise über eine Bogenlänge im Bereich von 45 bis 180°, insbesondere um 45°, 60°, 90°, 120° oder 180°, bevorzugt mit konstantem Biegeradius, besonders bevorzugt auf einer Biegemaschine und/oder unter Verwendung eines Doms. c. Schritt C3: Anordnen der Wickelkopfabschnitte (3), sodass diese in benachbarten Windungen zumindest abschnittsweise radial zur Wicklungsachse (W) versetzt sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt D wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt D1 : Aufbringen einer Presskraft auf die Übergangsbereiche zwischen den Umformabschnitten (2) und den Wickelkopfabschnitten (3), vorzugsweise einseitig oder beidseitig entlang der Wicklungsachse (W). b. Schritt D2: Veränderung der Querschnittsform der Wickelkopfabschnitte (3) in den Übergangsbereichen angrenzend an die Umformabschnitte (2) durch Verdrängung des Materials des Leiters (1 ) infolge der Presskraft, vorzugsweise derart, dass die Querschnittsform der Wickelkopfabschnitte (3) zumindest in den Bereichen, in denen die Wickelkopfabschnitte (3) parallel zur Wicklungsachse (W) unmittelbar übereinander liegen, an die Querschnittsform der Umformabschnitte (2) angenähert oder angeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt E wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist: a. Schritt E1 : Anordnen der Umformabschnitte (2) in wenigstens einem Nutbereich eines Stators oder Rotors (S) eines Elektromotors, sodass die zwischen den Umformabschnitten (2) liegenden Wickelkopfabschnitte (3) einen über den Nutbereich des Stators oder Rotors (S) vorstehenden Wickelkopf bilden. b. Schritt E2: Umgreifen zweier, mehrerer oder sämtlicher Windungen der Wicklung im Bereich der Wickelkopfabschnitte (3) mit wenigstens einem Bündelwerkzeug (B1 , B2), vorzugsweise durch Anordnen jeweils eines ersten Abschnitts (B1a, B2a) von ersten und zweiten Bündelwerkzeugen (B1 , B2) auf der von der Wicklungsachse (W) abweisenden Seite der Windungen und Anordnen jeweils eines zweiten Abschnitts (B1 b, B2b) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) auf der zur Wicklungsachse (W) weisenden Seite der Windungen, und Verbinden jeweils der ersten und zweiten Abschnitte (B1a, B1 b; B2a, B2b) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2), so- dass jedes der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) dieselben Wickelkopfabschnitte (3) umgibt. c. Schritt E3: Verringerung des Innenumfangs des wenigstens einen Bündelwerkzeugs (B1 , B2) zur Bündelung der Wickelkopfabschnitte (3), vorzugsweise durch gegenseitiges Annähern jeweils der ersten und zweiten Abschnitte (B1a, B1 b; B2a, B2b) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2), sodass die umgriffenen Wickelkopfabschnitte (3) im Wesentlichen wenigstens abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtet werden und/oder einander vorzugsweise linienförmig kontaktieren. d. Schritt E4: Biegung der Wickelkopfabschnitte (3) durch Bewegung des wenigstens einen Bündelwerkzeugs (B1 , B2) mit den davon umgriffenen Wickelkopfabschnitten (3) in einer Richtung radial zur Wicklungsachse (W) und/oder parallel zur Wicklungsachse (W), vorzugsweise durch Bewegung der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) in gegensätzliche Richtungen parallel zur Wicklungsachse (W), sodass das Bündel der Wickelkopfabschnitte (3) wellenförmig ausgebildet ist. e. Schritt E5: Verdrillung der Wickelkopfabschnitte (3) durch Verdrehung des wenigstens einen Bündelwerkzeugs (B1 , B2). sodass sich die Wickelkopfabschnitte (3) zumindest abschnittsweise schraubenförmig umeinander winden, wobei vorzugsweise die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) in unterschiedliche und ggfs. gegensätzliche Richtungen verdreht werden.
7. Vorrichtung zur Bündelung von sich um eine Wicklungsachse (W) erstreckenden Windungen einer Wicklung aus einem Leiter (1 ) aus einem elektrisch leitenden Material, umfassend erste und zweite Bündelwerkzeuge (B1 , B2), wobei jeweils ein erster Abschnitt (B1 a, B2a) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) auf der von der Wicklungsachse (W) abweisenden Seite der Windungen a nordenbar ist und jeweils ein zweiter Abschnitt (B1 b, B2b) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) auf der zur Wicklungsachse (W) weisenden Seite der Windungen a nordenbar ist, wobei die ersten und zweiten Abschnitte (B1a, B1 b; B2a, B2b) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) verbindbar sind, sodass jedes der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) dieselben Windungen umgibt, wobei die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) in unterschiedliche Richtungen bewegbar und/oder verdrehbar sind, um die Windungen durch Biegung und/oder Verdrillung zu bündeln.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Abschnitte (B1a, B1 b; B2a, B2b) der ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) jeweils als Ringhälften ausgebildet sind, die vorzugsweise senkrecht zu ihrer jeweiligen Trennungsebene zu einem in sich geschlossenen Ring verbindbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) radial und/oder parallel zur Wicklungsachse (W) der Wicklung bewegbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bündelwerkzeuge (B1 , B2) in gegensätzliche Richtungen bewegbar und/oder verdrehbar sind.
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