WO2023281115A1 - Spule mit erhöhtem nutfüllfaktor und verfahren zu deren umformung - Google Patents

Spule mit erhöhtem nutfüllfaktor und verfahren zu deren umformung Download PDF

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WO2023281115A1
WO2023281115A1 PCT/EP2022/069257 EP2022069257W WO2023281115A1 WO 2023281115 A1 WO2023281115 A1 WO 2023281115A1 EP 2022069257 W EP2022069257 W EP 2022069257W WO 2023281115 A1 WO2023281115 A1 WO 2023281115A1
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WO
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coil
pressing
section
pressing element
windings
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/069257
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English (en)
French (fr)
Inventor
Verena PSYK
Niclas POHL
Mirko Bach
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01F41/04—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 for manufacturing coils
    • 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
    • H02K15/0442—Loop windings
    • H02K15/045—Form wound coils

Definitions

  • the present invention relates to a coil with an increased slot fill factor and a method for forming it.
  • the method relates to the forming of an electrically conductive coil for use in electrical machines such as high-performance motors, industrial motors or vehicle engines.
  • Coils are important components in electrical engineering. Depending on the class and design of the motor, the coils have different geometries, winding shapes and numbers of turns. The shape and arrangement of the conductor wire layers in such a coil has a large impact on the use of space within the coil and thus on the energy density of the motor. In order to increase the space utilization of windings arranged in slots, for example, and thus to increase the efficiency and performance of electric motors of the same size, efforts are being made to increase the slot fill factor. In coil winding technology, the slot fill factor is the ratio of the sum of the conductor cross-sectional areas in the slot to the slot cross-sectional area.
  • the reshaping of the circular cross-section to an approximately rectangular cross-section with a width adapted to the respective position in the slot has developed into an expedient solution for increasing the slot fill factor.
  • the walls are shaped in such a way that the edges of the rectangular cross section can rest against one another and gaps can thus be avoided.
  • the forming takes place, for example, by applying axial pressure in the direction of the coil axis to the outermost turns of the coil via a stamping tool.
  • the wire layers are pressed together and formed.
  • Reshaping methods for reshaping conductor cross-sectional areas into a cross-sectional shape deviating from a circular cross-section are known in the prior art.
  • the turns are compressed in a slot.
  • a forming process for electrically conductive coils is known, for example, from published application DE 102 60 313 A1.
  • the patent document shows a method for increasing the efficiency of electrical machines through a higher slot fill factor.
  • slots are filled with round stranded wires whose cross-sections can be deformed. They adapt to any shaped slot, which makes it possible to achieve high slot fill factors.
  • the stranded wires can with suitable
  • Compaction tools are pressed into the slots.
  • the slot fill factor can also be increased by the stranded wires having a number of different cross sections and geometries.
  • the fixing arrangement described above also has a number of disadvantages: the change in shape of the wire layers when they come into direct contact leads to burr formation and not uncontrollable deformation of the wire layers due to the shearing forces during the deformation of the conductor cross sections of the wire layers. This leads to an inhomogeneous distribution of the
  • Another forming process for electrically conductive coils is from the
  • Patent document DE 199 05 747 known. Therein a method for producing a coil with a rectangular wire is described. First, a round wire is supplied by a feeder and formed into a rectangular wire having a rectangular cross section by a roller, and then the rectangular wire is wound onto a winding form by a winding motor to form a coil of a rectangular wire.
  • the winding process leads to unsatisfactory dimensional accuracy of the windings and folds can form due to the deformation of the rectangular wire layers.
  • such a forming process is error-prone due to the large number of processing steps and is not economical.
  • the object of the present invention is to solve the problems known from the prior art and to provide a reliable, quick and simple forming method which delivers large quantities at economical costs.
  • the present invention discloses a forming method according to claim 1.
  • the method according to the invention for forming an electrically conductive coil comprises a step A of providing a coil from a Conductor material with a plurality of turns extending around a coil axis, a step B of arranging at least one pressing element between the turns and a step C of reshaping the coil by applying a compressive force acting along the coil axis, so that the compressive force from turn to turn over the intermediate one Pressing element is transferred and the conductor cross-section of the windings is changed due to the pressing force.
  • the coil in step A is wound from round wire, and preferably in a cylindrical, conical, trapezoidal or pyramidal shape.
  • round wire conventional coils with a known round conductor cross section can be used.
  • the cylindrical, conical, trapezoidal or pyramidal shape of the coil offers the possibility of adapting it to conventional designs of electrical machines.
  • a round wire can be bent equally well in any direction. By using a round wire, the risk of creases forming, i.e. thickening on the inner fiber of the coil or thinning out on the outer fiber of the coil, or even cracks in the case of a larger width-to-height ratio of the coil as a result of wire bending, can be largely eliminated.
  • the pressing element is arranged in step B between planar winding sections of the windings, which preferably each extend in a plane aligned perpendicularly to the coil axis.
  • the pressing element can be easily inserted between the wire layers and, after the forming, ensure a geometry of the formed wire layers that is perpendicular to the coil axis.
  • the pressing force acts in the axial direction and ideally equally and simultaneously on all the wall sections to be formed. This results in a uniform deformation of the conductor cross sections to be formed. This is favored by the corresponding coil geometry according to this embodiment.
  • each flat wall section When projected onto a plane aligned perpendicularly to the coil axis, each flat wall section preferably also extends over at least 50%, preferably at least 75%, of the circumference of the respective turn. In other words, it is therefore possible to reshape only partial areas of the entire circumference of the winding. This increases the design freedom of the pressing element and makes it easier to handle.
  • step C the pressing force is applied to a pressing element arranged on the outermost winding, the pressing force preferably being increased until the pressing elements contact one another. This simplifies the handling of the forming process, since no further intermediate elements are required.
  • a pressing height of the turns can be specified and it can be guaranteed that the dimensions of the formed turns between the pressing elements assume a specified size.
  • the winding sections to be formed can be formed in a controlled and repeatable manner.
  • step C different winding sections of the same windings are formed at the same time or at different times, preferably using different pressing forces and/or pressing elements. It is thus possible to divide up the deformation of the windings both in terms of time and location. This in turn increases the design freedom of the forming process and favors a uniform forming of the windings.
  • step C first a first partial area of the coil is formed with winding sections lying axially one on top of the other and after the pressing force has been temporarily removed and, if necessary, after the pressing elements have been exchanged, a second partial area of the coil is formed with winding sections lying axially one above the other.
  • the formation of folds can be avoided by the staggered forming of different winding sections.
  • step C a deformation of the conductor cross section along and/or transversely to the coil axis is limited by the pressing element.
  • a geometry of the turns can thus be specified and it can be guaranteed that the dimensions of the formed turns between the pressing elements assume a specified size.
  • the material of the wire layers is prevented from being displaced uncontrollably to the sides of the windings during the forming process.
  • the pressing forces applied in step C are applied by independently controlled compression forces, preferably by a force-distributing seesaw or axes controlled independently of each other, and/or a compression force is applied to the outermost windings, preferably in addition to the Press elements base and/or cover elements be placed on the outermost turns.
  • a compression force is applied to the outermost windings, preferably in addition to the Press elements base and/or cover elements be placed on the outermost turns.
  • the pressing element comprises a preferably plate-shaped base body. This serves the simple and economical design of the press plates.
  • the pressing element can also include various interchangeable spacers, in each case at least one of the spacers being interchangeably coupled to the base body, a different axial distance between adjacent pressing elements being adjustable by exchanging the spacer.
  • the pressing element is preferably made of plastic and/or metal. Such materials are available at low cost and are easily shaped.
  • the pressing member is preferably made of a harder material than the conductor material.
  • the pressing element is preferably also sufficiently dimensionally stable so that when the pressing element comes into contact with the windings to be formed under the action of the pressing force, only the windings are deformed and not the pressing element. As a result, the same pressing element can be reused and used in several pressing processes. With the exchangeable spacers, the desired minimum distance between two windings or the axial pressing height of the winding can be defined in a variable manner.
  • the pressing element can also be designed to at least partially limit a deformation of the conductor cross section of at least one of the turns along the coil axis and/or transversely to the coil axis. A degree of deformation of the conductor cross section of a turn section can thus be defined.
  • the pressing element can also include a receptacle for a winding section to be reshaped, with the receptacle preferably being in the form of a channel or being formed by individual guide elements.
  • the pressing element can also form a mold for a coil section to be deformed, with the mold preferably corresponding to the negative mold of a coil section that has been deformed as intended.
  • the outer shape of the formed wire layers can be clearly defined by the shape and more complex shapes can be specified.
  • the pressing element can also comprise a recess in order to ensure a step change as a transition between adjacent turns.
  • the pressing element can comprise at least one guide element, which is preferably exchangeable, preferably a pin or a groove, for forming a shape in order to secure the winding to be formed against horizontal displacement and tilting.
  • the pressing member is secured during the forming step and can adequately form the wire layers.
  • the method according to the invention can be used to produce a coil for an electrical machine, preferably a high-performance motor, industrial motor or vehicle motor.
  • a more compact design or a higher power density of the electrical machine can be achieved due to the increased slot fill factor of the formed coils.
  • FIG. 1 is a perspective view of a coil having a plurality of turns with a circular conductor cross-section.
  • FIG. 2A shows a longitudinal view of an arrangement of a coil and pressing elements during a forming process.
  • Fig. 2B is a sectional view along line A-A of the assembly of Fig. 2A in the transverse direction of the coil during a forming process.
  • 3A shows a longitudinal view of a coil with pressing elements arranged on a first partial section of the coil before the forming process.
  • Fig. 3B is a transverse sectional view of the coil taken along line A-A of Fig. 3A prior to the forming process.
  • FIG. 4A shows a longitudinal view of a coil with pressing elements arranged on a first section of the coil after the forming process.
  • Fig. 4B is a transverse sectional view of the coil taken along line A-A of Fig. 4A after the forming process.
  • 5A shows a longitudinal view of a coil with pressing elements arranged on a second partial section of the coil before the forming process.
  • 5B is a transverse sectional view of the coil along line AA of FIG. 3A prior to the forming process.
  • FIG. 6A shows a longitudinal view of a coil with pressing elements arranged on a second section of the coil after the forming process.
  • Figure 6B is a transverse sectional view of the coil taken along line A-A of Figure 6A after the forming process.
  • the coil 1 shows a perspective view of a coil 1 which is provided in step A of the forming method according to the invention.
  • the coil 1 comprises a plurality of windings 3 wound from conductor material 2 and extending about a coil axis S.
  • the conductor material 2 preferably has a round conductor cross section 4, but can also be polygonal or oval.
  • the windings 3 are wound point-symmetrically around the coil axis S and have a rectangular base area with a longitudinal side L1 and a broad side B1.
  • the windings 3 can also be trapezoidal.
  • the 1 also shows an axis system of an X-direction, a Y-direction and a Z-direction.
  • the long side of the coil L1 points in the Y direction, the short side of the coil B1 in the X direction and the coil axis S in the Z direction.
  • the windings 3 preferably run flat and parallel to one another in sections.
  • the coil 1 has an increment 6 per turn. Graduation 6 means the transition from one turn 3 to the next higher or next lower turn 3, which produce the coil shape.
  • the coil 1, which is provided in step A of the method according to the invention, is not limited to the shape shown in FIG. 1, but can also assume a cylindrical, conical, trapezoidal or pyramidal shape, for example.
  • the coil 1 can in particular also have a trapezoidal or circular base area.
  • the coil 1 can be conical or pyramidal (frustum-shaped).
  • the conductor cross section 4 of the conductor material along a winding 3 can have non-round cross-sectional areas that differ in sections.
  • the increment 6 is on one of the two broad sides of the coil B1. However, the increment 6 can also be arranged on one of the long sides of the coil L1 or in one of the corners of the turns 3 .
  • windings 3 When projected onto a plane aligned perpendicularly to the coil axis S, windings 3 can completely overlap.
  • a turn 3, in particular the bottom and top turn 3, can differ from the other turns.
  • step A of the method according to the invention the above-mentioned coil 1 made of a conductor material 2 with a plurality of windings 3 extending around the coil axis S is first provided.
  • At least one pressing element 5 is then arranged between the walls 3 in step B of the method according to the invention.
  • FIG. 2A shows a longitudinal view of an arrangement of the coil 1 and pressing elements 5 after step B.
  • FIG. 2A shows pressing elements 5 arranged between the windings 3.
  • FIG. Plates 5 are preferably used as pressing elements 5 .
  • One plate 5 each is arranged between two adjacent turns 3, preferably in such a way that all plates 5 are aligned parallel and perpendicular to the axis S of the coil.
  • the pressing elements 5 are arranged between the preferably flat and parallel arranged turn portions of the turns 3 and can protrude over at least one side of the coil 1 in the X-Y plane.
  • Each pressing element 5 preferably includes a recess (not shown) to accommodate a step 6 as a transition between adjacent walls 3 .
  • Each pressing member 5 may include various interchangeable spacers (not shown). One of the spacers can be coupled to the base body 5a in an exchangeable manner. By exchanging the spacer, a different minimum axial distance between adjacent pressing elements 5 can be set.
  • Each pressing element 5 is designed to limit deformation of the conductor cross section 4 of the windings 3 to be reshaped along the coil axis S and transversely to the coil axis S.
  • each pressing element 5 comprises, for example, a groove-shaped receptacle for a winding section to be formed.
  • the receptacle can be formed by individual guide elements that can be exchanged if necessary.
  • the forming method according to the present invention includes a third method step C of forming the coil 1 by pressing the turns 3 with the intermediate pressing elements 5 along the coil axis S while changing the conductor cross section 4 of the turns 3.
  • base and/or cover elements 5a are preferably arranged on the outermost windings 3, respectively.
  • only one cover plate 5a is used and the coil 1 is pressed against a base on the underside and deformed thereon.
  • the compression force F is preferably applied by a press with a die, in which the coil 1 is deformed.
  • Fig. 2B shows a sectional view along section line A-A of the arrangement of Fig. 2A in the transverse direction of the coil during a forming process.
  • the conductor cross section 4 of the windings 3 is changed by the compression force F using the pressing elements 5 and has a changed conductor cross section 4' after the forming process.
  • the modified conductor cross section 4' has an almost rectangular (racetrack-shaped) conductor cross section 4'.
  • step C the pressing force is applied to a pressing element 5 arranged on the outermost winding 3, the pressing force being increased until the pressing elements 5 contact one another.
  • the minimum distance between the pressing elements 5 can be set in advance by means of various interchangeable spacers (not shown).
  • step C the contact surface of each turn 3 with respect to a pressing element 5 that is in contact with it is increased.
  • the distance between two adjacent turns 3 and the distance between two adjacent pressing elements 5 along the coil axis S are reduced.
  • the dimension of the conductor cross section 4 of each turn 3 along the coil axis S becomes smaller and the dimension of the conductor cross section 4 of each turn 3 in a plane aligned perpendicular to the coil axis S becomes larger.
  • the cross-sectional area of the turn 3 can remain unchanged and is preferably constant along the entire coil 1 .
  • the forming process can take place in one or more stages.
  • a multi-stage forming process is described below.
  • FIG. 3A shows a longitudinal view of the coil 1 with pressing elements 5 arranged in a first section L1a of the coil 1 before the forming process.
  • the pressing elements 5 only extend in the first section L1a, while the other section L1b of the coil 1 has no pressing element 5.
  • Fig. 3B shows a transverse sectional view of the Coil 1 along section line AA of FIG. 3A before the U for process. It can be seen in FIGS. 3A and 3B that the pressing elements 5 extend over the entire broad side B1, but only over approximately half the long side L1 of the coil 1.
  • FIG. 4A shows a longitudinal view of the coil 1 with pressing elements 5 arranged in a first partial section L1a of the coil 1 after the forming.
  • the round conductor cross-section 4 is reshaped in the first section L1a by a pressing force Fa.
  • the partial section L1a extends on the long side of the coil L1 up to the coil axis S, but can also extend over a shorter or longer section.
  • Fig. 4B shows a transverse sectional view of the coil 1 along the line A-A of Fig. 4A after forming.
  • the conductor cross-section 4 is formed into an almost rectangular (racetrack-shaped) conductor cross-section 4'.
  • the remaining section of the turns 3 remains unchanged for the time being and retains the round conductor cross-section 4.
  • FIGS. 5A and 5B show a longitudinal view of the coil 1 with pressing elements 5 arranged in a second section L1b of the coil 1 before forming and a sectional view in the transverse direction of the coil 1 along the section line A-A from FIG. 5A .
  • the pressing elements 5 only extend over the second partial section L1b, while the rest of the longitudinal side of the coil L1 is not subjected to a pressing element 5.
  • the pressing element 5 can extend beyond the second section L1b and partially protrude into the already formed first section L1a. It can be seen in FIG. 5B that the pressing elements 5 extend over the entire width side of the coil B1.
  • FIGS. 6A and 6B show a longitudinal view of the coil 1 with pressing elements 5 arranged in a second section L1b of the coil 1 after forming and a sectional view in the transverse direction of the coil 1 along the section line A-A from FIG. 6A .
  • the round conductor cross section 4 was reshaped in the first section L1b by a pressing force Fb.
  • FIGS. 3A to 6B of the different winding sections L1a, L1b of the same windings 3 take place at different times, possibly using different pressing forces and/or pressing elements 5.
  • a first partial area is formed in step C of the coil 1 with axially superimposed winding sections L1a and after the pressing force has been temporarily removed and after replacement or displacement of the pressing elements 5, a second partial region of the coil 1 is formed with axially superimposed winding sections L1b.
  • Dividing the forming process over the two winding sections L1a, L1b of the coil 1 avoids unwanted folds forming in the middle of the wire layers. The formation of folds is due to the longitudinal stretching of the wire, which is inevitably linked to the desired widening.
  • the method for forming the coil 1 can also be designed in such a way that the pressing forces applied in step C are applied by compression forces that are path-controlled independently of one another, preferably by a force-distributing rocker or axes that are path-controlled independently of one another, and/or a compression force is applied to the outermost turns 3 in each case will.
  • This enables the winding sections to be formed in a timely manner but independently of one another.
  • the compression force can be adjusted depending on the geometry of the respective winding area. An area which, for example, has recesses for the increment 6 of the turns 3 requires less compression force, since the amount of wire layers is smaller in this area.
  • the forming of the coil 1 can also be designed in such a way that the compression paths applied in step C can be of different lengths and freely adjustable by compression devices that are path-controlled independently of one another. Since coils 1 can have different numbers of turns on different sides, the resulting deformation paths can also be designed freely as a result of the division.
  • the method for forming the coil 1 is suitable for the production of coils 1 for any type of electrical machine, preferably high-performance motors, industrial motors or vehicle motors.
  • the slot filling factor can be increased and the size of the electrical machine can be minimized or its power density maximized by a higher number of windings.
  • the process of forming the coil 1 can be performed by a press with a die. In this case, the forming step of the coil 1 can be preceded or followed by further production steps. Existing methods for winding the coil 1 can be retained and thus existing process chains can only be expanded by the present method.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine elektrisch leitende Spule (1) bzw. ein Verfahren zu deren Umformung, umfassend einen Schritt A des Bereitstellens einer Spule (1) aus einem Leitermaterial (2) mit einer Mehrzahl von sich um eine Spulenachse (S) erstreckenden Windungen (3), einem Schritt B des Anordnens wenigstens eines Presselements (5) zwischen den Windungen (3), und einem Schritt C des Umformens der Spule (1) durch Aufbringen einer entlang der Spulenachse (S) wirkenden Presskraft, sodass die Presskraft von Windung (3) zu Windung (3) über das zwischenliegende Presselement (5) übertragen wird und der Leiterquerschnitt (4) der Windungen (3) infolge der Presskraft verändert wird.

Description

Spule mit erhöhtem Nutfüllfaktor und Verfahren zu deren Umformung Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule mit erhöhtem Nutfüllfaktor und ein Verfahren zu deren Umformung. Das Verfahren betrifft das Umformen einer elektrisch leitenden Spule zur Verwendung in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Hochleistungsmotoren, Industriemotoren oder Fahrzeugmotoren.
Spulen sind wichtige Bauelemente der Elektrotechnik. Je nach Klasse und Bauform des Motors weisen die Spulen unterschiedliche Geometrien, Wickelformen und Wndungszahlen auf. Die Form und Anordnung der Leiterdrahtlagen in einer solchen Spule hat großen Anteil auf die Raumnutzung innerhalb der Spule und somit auf die Energiedichte des Motors. Um die Raumnutzung von beispielsweise in Nuten angeordneten Windungen zu erhöhen und somit die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Elektromotoren bei gleicher Baugröße zu steigern, wird angestrebt, den Nutfüllfaktor zu erhöhen. Als Nutfüllfaktor bezeichnet man in der Spulenwickeltechnik das Verhältnis der Summe der Leiterquerschnittsflächen in der Nut zur Nutquerschnittsfläche.
Herkömmlicherweise werden Windungen mit Runddrähten ausgeführt. Spulen mit Runddraht, welcher in Nuten geführt wird, weisen aufgrund der runden Leiterform eine geringe Raumnutzung auf, da sich hierbei durch die unvermeidbaren Zwischenräume aufgrund der runden Gestalt eine relativ schlechte Nutfüllung ergibt. Das Verhältnis der Summe der Leiterquerschnittsflächen in der Nut zur Nutquerschnittsfläche (Nutfüllfaktor) ist dementsprechend gering.
Das Umformen des Kreisquerschnitts zu einem angenäherten Rechteckquerschnitt mit einer an die jeweilige Lage in der Nut angepassten Breite hat sich zu einer zielführenden Lösung zur Erhöhung des Nutfüllfaktors entwickelt. Die Wndungen werden hierbei derart umgeformt, dass sich Kanten des Rechteckquerschnitts aneinander anlegen können und somit Zwischenräume vermieden werden können. Die Umformung geschieht beispielsweise, indem über ein Prägewerkzeug axialer Druck in Richtung der Spulenachse auf die äußersten Wndungen der Spule aufgebracht wird. Hierbei werden die Drahtlagen aneinandergepresst und umgeformt.
Beschreibung des Stands der Technik
Umformverfahren zum Umformen von Leiterquerschnittsflächen in eine Querschnittsform abweichend von einem Kreisquerschnitt sind im Stand der Technik bekannt. Einerseits bestehen Umformverfahren, welche vor dem Wcklungsschritt einer Spule den Spulendraht in einem Umformungsschritt in einen Spulendraht mit rechteckigem Draht- Querschnitt überführen und der umgeformte Spulendraht zur Herstellung der Spule anschließend gewickelt wird. Andererseits wird durch Aufbringen eines Pressdrucks in axialer Richtung der Spulenlängsachse auf die Spule in der bereits gewickelten Spulenendform eine Verdichtung der Windungen in einer Nut erzielt.
Ein Umformverfahren für elektrisch leitende Spulen ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 102 60 313 A1 bekannt. Das Patentdokument zeigt ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz elektrischer Maschinen durch einen höheren Nutfüllfaktor. Zu diesem Zweck werden Schlitze mit runden Litzendrähten gefüllt, deren Querschnitte verformt werden können. Dabei passen sie sich an beliebige geformte Schlitze an, wodurch es möglich wird, hohe Nutfüllfaktoren zu erzielen. Die Litzendrähte können mit geeigneten
Verdichtungswerkzeugen in die Schlitze gedrückt werden. Der Nutfüllfaktor kann auch dadurch erhöht werden, dass die Litzendrähte eine Anzahl unterschiedlicher Querschnitte und Geometrien aufweisen.
Oben beschriebene Fixierungsanordnung bringt allerdings auch einige Nachteile mit sich: Die Formänderung der Drahtlagen bei direktem Kontakt führt zu Gratbildung und nicht unkontrollierbaren Deformationen der Drahtlagen durch die Scherkräfte bei der Verformung der Leiterquerschnitte der Drahtlagen. Dies führt zu inhomogener Verteilung der
Leitungsbahnen und Unregelmäßigkeiten im Stromfluss durch die Spule.
Ein weiteres Umform verfahren für elektrisch leitende Spulen ist aus dem
Patentdokument DE 199 05 747 bekannt. Darin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Spule mit einem rechteckigen Draht beschrieben. Erst wird ein Runddraht durch eine Zuführvorrichtung bereitgestellt und durch eine Walze in einen rechteckigen Draht mit einem rechteckigen Querschnitt umgeformt, um anschließend den rechteckigen Draht mittels eines Wcklungsformmotors auf eine Wcklungsform aufzuwickeln, um eine Spule mit einem rechteckigen Draht zu erzeugen.
Hierbei treten die Nachteile auf, dass es durch den nachgeschalteten
Wcklungsprozess zu nicht zufriedenstellender Maßhaltigkeit der Wndungen kommt und sich durch die Umformung der rechteckigen Drahtlagen Falten bilden können. Zudem ist ein derartiger Umformprozess aufgrund der Vielzahl an Bearbeitungsschritten fehleranfällig und nicht wirtschaftlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu lösen und ein zuverlässiges, schnelles und simples Umformverfahren bereitzustellen, welches hohe Stückzahlen zu wirtschaftlichen Kosten liefert.
Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung ein Umformverfahren nach Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umformung einer elektrisch leitenden Spule umfasst einen Schritt A des Bereitstellens einer Spule aus einem Leitermaterial mit einer Mehrzahl von sich um eine Spulenachse erstreckenden Windungen, einen Schritt B des Anordnens wenigstens eines Presselements zwischen den Wndungen und einen Schritt C des Umformens der Spule durch Aufbringen einer entlang der Spulenachse wirkenden Presskraft, sodass die Presskraft von Wndung zu Wndung über das zwischenliegende Presselement übertragen wird und der Leiterquerschnitt der Wndungen infolge der Presskraft verändert wird.
Hierdurch ergibt sich der vorteilhafte Effekt, dass durch den Einsatz von Presselementen, diezwischen den Drahtlagen eingelegt werden, der direkte Kontakt zwischen den Drahtlagen vermieden wird, wenn ein Pressdruck in axialer Richtung der Spulenlängsachse auf die Spule ausgeübt wird. Durch ein derartiges kontrolliertes Umformen kommt es nicht zu unkontrollierten Verformungen der Drahtlagen, da diese nun alle in Kontakt zu einem Presselement sind. In Folge dessen können sich Abweichungen in der Geometrie einer Wcklung nicht mehr ungehindert auf die Folgende übertragen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Spule in Schritt A aus Runddraht gewickelt wird, und vorzugsweise in eine zylindrische, konische, trapezoidale oder pyramidale Form. Dies hat zur Folge, dass herkömmliche Spulen mit bekanntem runden Leiterquerschnitt verwendet werden können. Die zylindrische, konische trapezoidale oder pyramidale Form der Spule bietet die Möglichkeit der formgerechten Anpassung an herkömmliche Bauarten von elektrische Maschinen. Ein Runddraht kann im Gegensatz zu einem Rechteckdraht in jede Richtung gleich gut gebogen werden. Durch Verwendung eines Runddrahts kann die Gefahr der Faltenbildung, d.h. der Aufdickung an der inneren Faser der Windung oder Ausdünnung an der äußeren Faser der Windung, oder gar Risse bei größerem Breite zu Höhe Verhältnis der Wndung infolge des Drahtbiegens weitgehend eliminiert werden.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn das Presselement in Schritt B zwischen ebenen Wndungsabschnitten der Wndungen angeordnet wird, die sich vorzugsweise jeweils in einer senkrecht zur Spulenachse ausgerichteten Ebene erstrecken. Dadurch kann das Presselement leicht zwischen den Drahtlagen eingeschoben werden und nach der Umformung eine zur Spulenachse senkrecht stehende Geometrie der umgeformten Drahtlagen gewährleisten. Die Presskraft wirkt in axialer Richtung und idealerweise auf alle umzuformenden Wndungsabschnitte gleichmäßig sowie gleichzeitig. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Verformung der umzuformenden Leiterquerschnitte. Dies wird durch die entsprechende Spulengeometrie nach dieser Ausführung begünstigt. Bevorzugt erstreckt sich zudem jeder ebene Wndungsabschnitt bei Projektion auf eine senkrecht zur Spulenachse ausgerichtete Ebene über mindestens 50%, bevorzugt mindestens 75% des Umfangs der jeweiligen Windung. In anderen Worten ist es also möglich, lediglich Teilbereiche des gesamten Windungsumfangs umzuformen. Dies erhöht die Gestaltungsfreiheiten des Presselements und erleichtert die Handhabung dessen.
Es kann hilfreich sein, wenn in Schritt C die Presskraft auf ein auf der äußersten Windung angeordnetes Presselement aufgebracht wird, wobei vorzugsweise die Presskraft erhöht wird, bis die Presselemente sich untereinander kontaktieren. Dadurch vereinfacht sich die Handhabung des Umformvorgangs, da keine weiteren Zwischenelemente benötigt werden. Durch das Kontaktieren der Presselemente durch Erhöhung der Presskraft, kann eine Presshöhe der Windungen vorgegeben werden und garantiert werden, dass die Abmessung der umgeformten Windungen zwischen den Presselementen eine vorgegebene Größe einnehmen. Dadurch kann eine kontrollierte und wiederholgenaue Umformung der umzuformenden Windungsabschnitte erfolgen.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, dass in Schritt C unterschiedliche Windungsabschnitte derselben Windungen zeitgleich oder zeitlich versetzt zueinander umgeformt werden, vorzugsweise unter Verwendung von unterschiedlichen Presskräften und/oder Presselementen. Somit ist eine Aufteilung der Umformung der Windungen sowohl zeitlich als auch örtlich möglich. Dies erhöht wiederum die Gestaltungsfreiheiten des Umformungsprozesses und begünstigt eine gleichmäßige Umformung der Windungen.
Es kann nützlich sein, wenn in Schritt C zuerst ein erster Teilbereich der Spule mit axial übereinanderliegenden Windungsabschnitten umgeformt wird und nach zwischenzeitlicher Aufhebung der Presskraft und ggf. nach Austausch der Presselemente ein zweiter Teilbereich der Spule mit axial übereinanderliegenden Windungsabschnitten umgeformt wird. Durch das zeitlich versetzte Umformen von verschiedenen Windungsabschnitten kann eine Faltenbildung vermieden werden.
Es kann praktisch sein, wenn in Schritt C eine Verformung des Leiterquerschnitts entlang und/oder quer zur Spulenachse durch das Presselement begrenzt wird. Somit kann eine Geometrie der Windungen vorgegeben werden und garantiert werden, dass die Abmessung der umgeformten Windungen zwischen den Presselementen eine vorgegebene Größe einnehmen. Zudem wird verhindert, dass das Material der Drahtlagen bei der Umformung unkontrolliert zu den Seiten der Windungen verdrängt wird.
Es kann sich als sinnvoll erweisen, wenn die in Schritt C aufgebrachten Presskräfte durch unabhängig voneinander weggesteuerte Kompressionskräfte, vorzugsweise durch eine kraftverteilende Wippe oder unabhängig voneinander weggesteuerte Achsen aufgebracht werden und/oder eine Kompressionskraft jeweils auf die äußersten Windungen aufgebracht wird, wobei bevorzugt zusätzlich zu den Presselementen Basis- und/oder Deckelelemente jeweils auf den äußersten Windungen angeordnet werden. Somit kann bei zeitversetztem Umformen ein Zwischenschritt des Umbauens der Umformvorrichtung vermieden werden, was Zeit spart. Durch die Basis- und/oder Deckelelemente können jeweils auf den äußersten Windungen ungewollte Quetschungen und Verformungen vermieden werden und auch die Außenseiten der äußersten Windungen durch die Basis- und/oder Deckelelemente definiert werden.
Es kann aber auch von Nutzen sein, wenn das Presselement wenigstens eines der folgenden Merkmale aufweist. Das Presselement umfasst einen vorzugsweise plattenförmigen Grundkörper. Dies dient der einfachen und kostengünstigen Gestaltung der Pressplatten. Das Presselement kann auch verschiedene austauschbare Distanzstücke umfassen, wobei jeweils wenigstens eines der Distanzstücke austauschbar mit dem Grundkörper koppelbar ist, wobei durch Austausch des Distanzstücks ein unterschiedlicher axialer Abstand zwischen benachbarten Presselementen einstellbar ist. Das Presselement ist vorzugsweise aus Kunststoff und/oder Metall hergestellt. Derartige Materialien sind kostengünstig verfügbar und leicht formbar. Zudem ist das Presselement vorzugsweise aus einem härteren Material als das Leitermaterial hergestellt. So ist das Presselement vorzugsweise auch hinreichend formbeständig, sodass sich bei Kontakt zwischen dem Presselement und den umzuformenden Windungen unter Einwirkung der Presskraft ausschließlich die Windungen verformen und nicht das Presselement. Dadurch ist dasselbe Presselement widerverwendbar und in mehreren Pressvorgängen nutzbar. Durch die austauschbaren Distanzstücke kann der gewünschte Mindestabstand zwischen zwei Windungen bzw. die axiale Presshöhe der Windung variabel einstellbar definiert werden. Das Presselement kann auch dazu ausgebildet sein, um eine Verformung des Leiterquerschnitts wenigstens einer der Windungen entlang der Spulenachse und/oder quer zur Spulenachse zumindest abschnittsweise zu begrenzen. Somit kann ein Grad der Verformung des Leiterquerschnitts eines Windungsabschnitts definiert werden. Das Presselement kann auch eine Aufnahme für einen umzuformenden Windungsabschnitt umfassen, wobei die Aufnahme vorzugsweise rinnenförmig ausgebildet ist oder durch einzelne Führungselemente gebildet wird. Somit kann bei Aufbringung der Presskraft eine Verschiebung der Drahtlagen durch das Presselement vermieden werden und die Drahtlagen an einer vordefinierten Position gehalten werden. Das Presselement kann auch eine Form für einen umzuformenden Windungsabschnitt bilden, wobei die Form vorzugsweise der Negativform eines bestimmungsgemäß umgeformten Windungsabschnitts entspricht. Durch die Form kann die Außenform der umgeformten Drahtlagen eindeutig definiert werden und komplexere Formen können vorgegeben werden. Das Presselement kann zudem eine Aussparung umfassen, um einen Stufensprung als Übergang zwischen benachbarten Windungen zu gewährleisten. Somit können bereits geformte Spulen und deren Stufensprünge leicht umfasst werden, um während des Umformschritts keinen Einfluss auf die bereits vorgegebene Geometrie der gesamten Spule zu nehmen. Außerdem kann das Presselement mindestens ein vorzugsweise austauschbares Führungselement umfassen, vorzugsweise einen Stift oder eine Nut, zur Bildung einer Form, um die umzuformende Windung gegen horizontale Verschiebung und Verkippung zu sichern. Somit ist das Presselement während des Umformschritts gesichert und kann die Drahtlagen adäquat umformen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu angewendet werden, um eine Spule für eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Hochleistungsmotor, Industriemotor oder Fahrzeugmotor herzustellen. Somit kann durch den erhöhten Nutfüllfaktor der umgeformten Spulen eine kompaktere Bauweise bzw. eine höhere Leistungsdichte der elektrischen Maschine erreicht werden.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Spule mit einer Mehrzahl an Wndungen mit einem kreisförmigen Leiterquerschnitt.
Fig. 2A eine Längsansicht einer Anordnung aus einer Spule und Presselementen während eines Umformprozesses.
Fig. 2B eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A der Anordnung aus Fig. 2A in Querrichtung der Spule während eines Umformprozesses.
Fig. 3A eine Längsansicht einer Spule mit auf einem ersten Teilabschnitt der Spule angeordneten Presselementen vor dem Umformprozess.
Fig. 3B eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 3A vor dem Umform prozess.
Fig. 4A eine Längsansicht einer Spule mit auf einem ersten Teilabschnitt der Spule angeordneten Presselementen nach dem Umformprozess.
Fig. 4B eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 4A nach dem Umform prozess.
Fig. 5A eine Längsansicht einer Spule mit auf einem zweiten Teilabschnitt der Spule angeordneten Presselementen vor dem Umformprozess. Fig. 5B eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 3A vor dem Umformprozess.
Fig. 6A eine Längsansicht einer Spule mit auf einem zweiten Teilabschnitt der Spule angeordneten Presselementen nach dem Umformprozess.
Fig. 6B eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 6A nach dem Umformprozess.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Spule 1 , welche in Schritt A des erfindungsgemäßen Umformverfahrens bereitgestellt wird. Die Spule 1 umfasst eine Mehrzahl von aus Leitermaterial 2 gewundenen Windungen 3, die sich um eine Spulenachse S erstrecken. Das Leitermaterial 2 weist vorzugsweise einen runden Leiterquerschnitt 4 auf, kann aber auch vieleckig oder oval ausgeprägt sein. Die Windungen 3 sind punktsymmetrisch um die Spulenachse S gewunden und weisen eine rechteckförmige Grundfläche mit einer Längsseite L1 und einer Breitseite B1 auf. Die Windungen 3 können auch trapezförmig ausgebildet sein.
Fig. 1 zeigt auch ein Achsensystem aus einer X-Richtung, einer Y- Richtung und einer Z-Richtung. Hierbei zeigt die Längsseite der Spule L1 in die Y-Richtung, die Breitseite der Spule B1 in die X-Richtung und die Spulenachse S in die Z-Richtung. Die Windungen 3 verlaufen vorzugsweise abschnittsweise eben und parallel zueinander. Die Spule 1 weist pro Windung einen Stufensprung 6 auf. Mit Stufensprung 6 ist der Übergang von einer Windung 3 auf die nächsthöhere bzw. nächstniedrigere Windung 3 gemeint, welche die Spulenform erzeugen.
Die Spule 1, welche in Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt wird, ist nicht auf die in Fig. 1 dargestellte Form begrenzt, sondern kann z.B. auch eine zylindrische, konische, trapezoidale oder pyramidale Form annehmen. Die Spule 1 kann insbesondere auch eine trapezförmige oder kreisförmige Grundfläche aufweisen. Entlang der Spulenachse S kann die Spule 1 kegelförmig oder pyramidal(-stumpfförmig) aufgebaut sein. Ebenso kann der Leiterquerschnitt 4 des Leitermaterials entlang einer Windung 3 nichtrunde und abschnittsweise unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. In Fig. 1 befindet sich der Stufensprung 6 an einer der beiden Breitseite der Spule B1. Der Stufensprung 6 kann aber auch auf einer der Längsseite der Spule L1 oder in einer der Ecken der Windungen 3 angeordnet sein. Bei Projektion auf eine senkrecht zur Spulenachse S ausgerichtete Ebene können sich Windungen 3 vollständig überdecken. Eine Windung 3, insbesondere die unterste und oberste Wndung 3 kann sich von den weiteren Wndungen unterscheiden.
In Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also zunächst die oben genannte Spule 1 aus einem Leitermaterial 2 mit einer Mehrzahl von um die Spulenachse S erstreckenden Windungen 3 bereitgestellt.
In Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sodann wenigstens ein Presselement 5 zwischen den Wndungen 3 angeordnet.
Fig. 2A zeigt eine Längsansicht einer Anordnung aus der Spule 1 und Presselementen 5 nach Schritt B. Fig. 2A zeigt Presselemente 5, welche zwischen den Wndungen 3 angeordnet sind. Als Presselemente 5 werden vorzugsweise Platten 5 verwendet. Je eine Platte 5 wird zwischen zwei benachbarten Windungen 3 angeordnet, vorzugsweise derart, dass alle Platten 5 parallel und senkrecht zur Spulenachse S ausgerichtet sind.
Die Presselemente 5 werden zwischen den vorzugsweise ebenen und parallel angeordneten Wndungsabschnitten der Windungen 3 angeordnet und können in der X-Y- Ebene über zumindest eine Seite der Spule 1 herausragen. Jedes Presselement 5 umfasst vorzugsweise eine Aussparung (nicht dargestellt) auf, um einen Stufensprung 6 als Übergang zwischen benachbarten Wndungen 3 aufzunehmen.
Jedes Presselement 5 kann verschiedene austauschbare Distanzstücke (nicht dargestellt) umfassen. Jeweils eines der Distanzstücke ist austauschbar mit dem Grundkörper 5a koppelbar. Durch Austausch des Distanzstücks kann ein unterschiedlicher axialer Mindestabstand zwischen benachbarten Presselementen 5 eingestellt werden. Jedes Presselement 5 ist ausgebildet, um eine Verformung des umzuformenden Leiterquerschnitts 4 der Wndungen 3 entlang der Spulenachse S und quer zur Spulenachse S zu begrenzen. Dazu umfasst jedes Presselement 5 beispielsweise eine rinnenförmig Aufnahme für einen umzuformenden Windungsabschnitt. Alternativ dazu kann die Aufnahme durch einzelne ggf. austauschbare Führungselemente gebildet werden. Diese Aufnahme kann die umzuformende Wndung 3 gegen horizontale Verschiebung und Verkippung sichern und zugleich eine Negativform eines bestimmungsgemäß umgeformten Wndungsabschnitts bilden. Dabei kann sowohl die Oberseite, als auch die Unterseite eines Presselements 3 mit einer Negativform ausgestattet sein. Die benötigten Presselemente 3 weisen einen einfachen und ggf. identischen Aufbau auf und sind damit kostengünstig. Auch eine Variation der Spulengeometrie der Spule 1 lässt sich durch die oben genannten Ausführungen ohne größeren Aufwand mit dem gleichen Presselement 5 umsetzen. Das Umformverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen dritten Verfahrensschritt C des Umformens der Spule 1 durch Verpressen der Windungen 3 mit den zwischenliegenden Presselementen 5 entlang der Spulenachse S unter Veränderung des Leiterquerschnitts 4 der Windungen 3. Eine in Fig. 2A durch einen Pfeil dargestellte Kompressionskraft F zur Umformung wird vorzugsweise in Richtung parallel zur Spulenachse S von oben auf die Spule 1 jeweils auf die äußersten Windungen 3 aufgebracht. Bevorzugt werden zusätzlich zu den Presselementen 5 Basis- und/oder Deckelelemente 5a jeweils auf den äußersten Windungen 3 angeordnet. In dem in Fig. 2A gezeigten Beispiel wird lediglich eine Deckelplatte 5a verwendet und die Spule 1 an der Unterseite gegen einen Boden gepresst und daran umgeformt. Die Kompressionskraft F wird vorzugsweise durch eine Presse mit einem Gesenk aufgebracht, in der die Spule 1 umgeformt wird.
Fig. 2B zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A der Anordnung aus Fig. 2A in Querrichtung der Spule während eines Umformprozesses. Der Leiterquerschnitt 4 der Windungen 3 wird durch die Kompressionskraft F mithilfe der Presselemente 5 verändert und weist nach dem Umformungsprozess einen veränderten Leiterquerschnitt 4‘ auf. Hier hat der veränderte Leiterquerschnitt 4‘ einen nahezu rechteckigen (Racetrack-förmigen) Leiterquerschnitt 4‘. Um eine vollständige Umformung der Drahtlagen zu erreichen, wird in Schritt C die Presskraft auf ein auf der äußersten Windung 3 angeordnetes Presselement 5 aufgebracht, wobei die Presskraft erhöht wird, bis die Presselemente 5 sich untereinander kontaktieren. Der Mindestabstand der Presselemente 5 kann vorab durch verschiedene austauschbare Distanzstücke (nicht dargestellt) eingestellt werden.
Durch die Umformung in Schritt C wird die Kontaktfläche jeder Windung 3 zu einem damit in Kontakt stehenden Presselement 5 vergrößert. Zugleich werden der Abstand zweier benachbarter Windungen 3 sowie der Abstand zweier benachbarter Presselemente 5 entlang der Spulenachse S verringert. Die Abmessung des Leiterquerschnitts 4 jeder Windung 3 entlang der Spulenachse S wird kleiner und die Abmessung des Leiterquerschnitts 4 jeder Windung 3 in einer senkrecht zur Spulenachse S ausgerichteten Ebene wird größer. Dabei kann die Querschnittsfläche der Windung 3 unverändert bleiben und ist vorzugsweise entlang der gesamten Spule 1 konstant.
Der Umformprozess kann einstufig oder mehrstufig erfolgen. Ein mehrstufiger Umformprozess wird nachstehend beschrieben.
Fig. 3A zeigt eine Längsansicht der Spule 1 mit in einem ersten Teilabschnitt L1a der Spule 1 angeordneten Presselementen 5 vor dem Umformprozess. Die Presselemente 5 erstrecken sich nur im ersten Teilabschnitt L1a, während der andere Teilabschnitt L1b der Spule 1 kein Presselement 5 aufweist. Fig. 3B zeigt eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule 1 entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 3A vor dem U for prozess. In Fig. 3A und 3B ist erkennbar, dass sich die Presselemente 5 über die gesamte Breitseite B1 , aber nur über etwa die halbe Längsseite L1 der Spule 1 erstrecken.
Fig. 4A zeigt eine Längsansicht der Spule 1 mit in einem ersten Teilabschnitt L1a der Spule 1 angeordneten Presselementen 5 nach der Umformung. Durch eine Presskraft Fa wird der runde Leiterquerschnitt 4 im ersten Teilabschnitt L1a umgeformt. Der Teilabschnitt L1a erstreckt sich auf der Längsseite der Spule L1 bis zur Spulenachse S, kann sich aber ebenfalls über einen kürzeren oder längeren Abschnitt erstrecken. Fig. 4B zeigt eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule 1 entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 4A nach bzw. der Umformung. Hier ist der Leiterquerschnitt 4 in einen nahezu rechteckigen (Racetrack-förmigen) Leiterquerschnitt 4‘ umgeformt. Der verbleibende Abschnitt der Windungen 3 bleibt vorerst unverändert und behält den runden Leiterquerschnitt 4.
Analog zu Fig. 3A und 3B zeigen die Fig. 5A und 5B eine Längsansicht der Spule 1 mit in einem zweiten Teilabschnitt L1b der Spule 1 angeordneten Presselementen 5 vor der Umformung und eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule 1 entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 5A. Die Presselemente 5 erstrecken sich nur über den zweiten Teilabschnitt L1b, während der Rest der Längsseite der Spule L1 nicht mit einem Presselement 5 beaufschlagt wird. Das Presselement 5 kann dabei, wie in Fig. 5A gezeigt ist, über den zweiten Teilabschnitt L1b hinweg erstrecken und teilweise in den bereits umgeformten ersten Teilabschnitt L1a hineinragen. In Fig. 5B ist erkennbar, dass sich die Presselemente 5 über die gesamte Breitenseite der Spule B1 erstrecken.
Analog zu Fig. 4A und 4B zeigen die Fig. 6A und 6B eine Längsansicht der Spule 1 mit in einem zweiten Teilabschnitt L1b der Spule 1 angeordneten Presselementen 5 nach der Umformung und eine Schnittansicht in Querrichtung der Spule 1 entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 6A. Durch eine Presskraft Fb wurde der runde Leiterquerschnitt 4 im ersten Teilabschnitt L1b umgeformt.
Die in den Fig. 3A bis 6B gezeigten Umformungsschritte der unterschiedlichen Wndungsabschnitte L1a, L1b derselben Wndungen 3 finden zeitlich versetzt statt, ggf. unter Verwendung von unterschiedlichen Presskräften und/oder Presselementen 5. In diesem mehrstufigen Umformprozess wird in Schritt C also zuerst ein erster Teilbereich der Spule 1 mit axial übereinanderliegenden Wndungsabschnitten L1a umgeformt und nach zwischenzeitlicher Aufhebung der Presskraft sowie nach Austausch oder Verschiebung der Presselemente 5 ein zweiter Teilbereich der Spule 1 mit axial übereinanderliegenden Wndungsabschnitten L1b umgeformt. Die Aufteilung des Umformvorgangs auf die beiden Windungsabschnitte L1a, L1b der Spule 1 vermeidet eine unerwünschte Faltenbildung in der Mitte der Drahtlagen. Die Faltenbildung ist in der Längsdehnung des Drahtes begründet, welche zwangsläufig mit der gewünschten Verbreiterung verknüpft ist.
Das Verfahren zur Umformung der Spule 1 kann auch so gestaltet sein, dass die in Schritt C aufgebrachten Presskräfte durch unabhängig voneinander weggesteuerte Kompressionskräfte, vorzugsweise durch eine kraftverteilende Wippe oder unabhängig voneinander weggesteuerte Achsen aufgebracht werden und/oder eine Kompressionskraft jeweils auf die äußersten Windungen 3 aufgebracht wird. Dies ermöglicht ein zeitnahes aber unabhängig voneinander durchgeführtes Umformen der Windungsabschnitte. Zudem kann die Kompressionskraft abhängig von der Geometrie des jeweiligen Windungsbereichs angepasst werden. Ein Bereich, der beispielsweise Aussparungen für den Stufensprung 6 der Windungen 3 aufweist, benötigt weniger Kompressionskraft, da die Menge an Drahtlagen in diesem Bereich geringer ist. Außerdem kann die Umformung der Spule 1 auch so gestaltet sein, dass die in Schritt C aufgebrachten Presswege durch unabhängig voneinander weggesteuerte Kompressionsvorrichtungen unterschiedlich lang und frei einstellbar sein können. Da Spulen 1 auf verschiedenen Seiten unterschiedliche Anzahlen von Windungen aufweisen können, können somit durch die Aufteilung auch die resultierenden Umformwege frei gestaltet werden.
Das Verfahren zur Umformung der Spule 1 eignet sich für die Herstellung von Spulen 1 für jede Art von elektrischer Maschine, vorzugsweise Hochleistungsmotoren, Industriemotoren oder Fahrzeugmotoren. Durch die Umformung des Leiterquerschnitts 4 der Windungen 3 in der Spule 1 kann der Nutfüllfaktor erhöht werden und die Baugröße der elektrischen Maschine minimiert bzw. deren Leistungsdichte durch eine höhere Anzahl an Windungen maximiert werden.
Das Verfahren zur Umformung der Spule 1 kann durch eine Presse mit einem Gesenk durchgeführt werden. Hierbei können dem Umformungsschritt der Spule 1 weitere Herstellungsschritte vor- oder nachgeschaltet werden. Bereits bestehende Verfahren zur Wicklung der Spule 1 können beibehalten und damit vorhandene Prozessketten lediglich durch das vorliegende Verfahren erweitert werden.
Die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden. Bezugszeichenliste
1 Spule
2 Leitermaterial
3 Windung
4 Leiterquerschnitt
4‘ veränderten Leiterquerschnitt
5 Presselement
6 Stufensprung
S Spulenachse
L1 Längsseite der Spule
L1 a Erster T eilabschnitt der Längsseite der Spule
L1 b Zweiter T eilabschnitt der Längsseite der Spule
B1 Breitenseite der Spule
F Kompressionskraft

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Umformung einer elektrisch leitenden Spule (1), umfassend:
Schritt A: Bereitstellen einer Spule (1) aus einem Leitermaterial (2) mit einer Mehrzahl von sich um eine Spulenachse (S) erstreckenden Windungen (3).
Schritt B: Anordnen wenigstens eines Presselements (5) zwischen den Windungen (3).
Schritt C: Umformen der Spule (1) durch Aufbringen einer entlang der Spulenachse (S) wirkenden Presskraft, sodass die Presskraft von Windung (3) zu Windung (3) über das zwischenliegende Presselement (5) übertragen wird und der Leiterquerschnitt (4) der Windungen (3) infolge der Presskraft verändert wird.
2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) in Schritt A aus Runddraht gewickelt wird, vorzugsweise in eine zylindrische konische, trapezoidale oder zylindrische Form.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presselement (5) in Schritt B zwischen ebenen Windungsabschnitten (L1a, L1b) der Windungen (3) angeordnet wird, die sich vorzugsweise jeweils in einer senkrecht zur Spulenachse (S) ausgerichteten Ebene erstrecken, wobei sich bevorzugt jeder ebene Windungsabschnitt (L1a, L1b) bei Projektion auf eine senkrecht zur Spulenachse (S) ausgerichtete Ebene über mindestens 50%, bevorzugt mindestens 75% des Umfangs der jeweiligen Windung (3) erstreckt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt C die Presskraft auf ein auf der äußersten Windung (3) angeordnetes Presselement (5) aufgebracht wird, wobei vorzugsweise die Presskraft erhöht wird, bis die Presselemente (5) sich untereinander kontaktieren.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt C unterschiedliche Windungsabschnitte (L1a, L1b) derselben Windungen (3) zeitgleich oder zeitlich versetzt zueinander umgeformt werden, vorzugsweise unter Verwendung von unterschiedlichen Presskräften und/oder Presselementen (5).
6. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt C zuerst ein erster Teilbereich der Spule (1) mit axial übereinanderliegenden Windungsabschnitten (L1a) umgeformt wird und nach zwischenzeitlicher Aufhebung der Presskraft und ggf. nach Austausch der Presselemente (5) ein zweiter Teilbereich der Spule (1) mit axial übereinanderliegenden Windungsabschnitten (L1b) umgeformt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt C eine Verformung des Leiterquerschnitts (4) entlang und/oder quer zur Spulenachse (S) durch das Presselement (5) begrenzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt C aufgebrachten Presskräfte durch unabhängig voneinander weggesteuerte Kompressionskräfte, vorzugsweise durch eine kraftverteilende Wppe oder unabhängig voneinander weggesteuerte Achsen aufgebracht werden und/oder eine Kompressionskraft jeweils auf die äußersten Windungen (3) aufgebracht wird, wobei bevorzugt zusätzlich zu den Presselementen (5) Basis- und/oder Deckelelemente (5c) jeweils auf den äußersten Windungen (3) angeordnet werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presselement (5) wenigstens eines der folgenden Merkmale aufweist: a. Das Presselement (5) umfasst einen vorzugsweise plattenförmigen Grundkörper (5a). b. Das Presselement (5) umfasst verschiedene austauschbare Distanzstücke (5b), wobei jeweils wenigstens eines der Distanzstücke (5b) austauschbar mit dem Grundkörper (5a) koppelbar ist, wobei durch Austausch des Distanzstücks (5b) ein unterschiedlicher axialer Abstand zwischen benachbarten Presselementen (5) einstellbar ist. c. Das Presselement (5) ist aus Kunststoff und/oder Metall hergestellt. d. Das Presselement (5) besteht aus einem härteren Material als das Leitermaterial. e. Das Presselement (5) ist ausgebildet, um eine Verformung des Leiterquerschnitts (4) wenigstens einer der Windungen (3) entlang der Spulenachse (S) und/oder quer zur Spulenachse (S) zumindest abschnittsweise zu begrenzen. f. Das Presselement (5) umfasst eine Aufnahme für einen umzuformenden Wndungsabschnitt, wobei die Aufnahme vorzugsweise rinnenförmig ausgebildet ist oder durch einzelne Führungselemente gebildet wird. g. Das Presselement (5) bildet eine Form für einen umzuformenden Windungsabschnitt, wobei die Form vorzugsweise der Negativform eines bestimmungsgemäß umgeformten Windungsabschnitts entspricht. h. Das Presselement (5) umfasst eine Aussparung (7), um einen Stufensprung (8) als Übergang zwischen benachbarten Windungen (3) zu gewährleisten. i. Das Presselement (5) umfasst mindestens ein vorzugsweise austauschbares Führungselement, vorzugsweise ein Stift oder eine Nut, zur Bildung einer Form, um die umzuformende Windung (3) gegen horizontale Verschiebung und Verkippung zu sichern.
10. Elektrische Maschine, vorzugsweise Hochleistungsmotor, Industriemotor oder Fahrzeugmotor umfassend eine Spule (1), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
PCT/EP2022/069257 2021-07-09 2022-07-11 Spule mit erhöhtem nutfüllfaktor und verfahren zu deren umformung WO2023281115A1 (de)

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