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