Die vorliegende Schutzrechtsanmeldung betrifft ein Wälzgießverfahren zum Herstellen einer Spiralstruktur.

Bei elektrischen Maschinen kommen gewickelte Spulen zum Einsatz. Die Spulen füllen den zur Verfügung stehenden Bauraum nicht ideal aus. Daraus resultiert eine geringere Leistungs- bzw. Drehmomentdichte der elektrischen Maschinen bezogen auf das Gewicht oder den Bauraum. Durch den Einsatz gegossener, umgeformter oder gedruckter Spulen mit veränderlichem Quer schnitt wird ein besserer Füllgrad erreicht und die o.g. Defizite verbessert.

Die Formgebung dieser Spulen ist aufgrund der komplexen dreidimensionalen Geometrie schwierig und erfolgt bislang vornehmlich in Dauerformen oder verlorenen Formen mit oder ohne Kernen. Dies sind in der Regel diskontinu ierliche Verfahren mit aufwändiger Werkzeugtechnik, in denen die Spulen hergestellt werden. Eine typische Geometrie der Spule ist in Bild 1 dargestellt. Diese Spule ist in EP 2 387 135 A2 ausführlich beschrieben.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt darin, in einem industriell anwendbaren Prozess, d. h. schnell, kostengünstig und in hoher Stückzahl, Spiralstrukturen herzustellen, mit denen Spiralen zum Einsatz in elektrischen Maschinen herstellbar sind. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.

Die Patentansprüche beziehen sich u. a. auf ein Wälzgießverfahren zum Herstellen einer Spiralstruktur, insbesondere einer Spiralstruktur zur Verwen dung in elektrischen Maschinen, wobei Schmelze zwischen eine erste sowie eine dazu gegengleich laufende zweite Walze zugeführt wird, wobei die erste Walze erste Zähne sowie die zweite Walze zweite Zähne hat und die ersten und/ oder zweiten Zähne Zahnflanken mit Kavitäten haben zur Aufnahme der zugeführten Schmelze, wobei die Zähne derart gestaltet und ausgerichtet sind, dass beim Drehen der Walzen die Kavität mindestens eines Zahns zumindest zeitweise durch eine Oberfläche eines Zahns der anderen Walze begrenzt wird, so dass die zugeführte Schmelze zwischen den Zähnen unter Abkühlung zu einem Abschnitt, beispielsweise einem Steigungsabschnitt der Spiralstruktur geformt wird.

Der Begriff "Wälzgießen" ist eine Begriffsneubildung und bezeichnet die Formung von Strukturen durch Abwälzen zahnradähnlicher, mit Kavitäten versehener Elemente, wobei Schmelze unter Abkühlung in Kavitäten geformt wird. Dieses Verfahren ist sowohl für Einzel- als auch für Endlosstrukturen einsetzbar.

Unter "Abschnitt der Spiralstruktur" wird ein beliebiger Abschnitt der durch abgekühlte und geformte Schmelze entstehenden Spiralstruktur verstanden.

Unter dem Begriff "Steigungsabschnitt" wird zumindest ein Abschnitt der Spiralstruktur verstanden, der eine Verdrehung und/oder einen Höhenversatz in Richtung der zentralen Achse der entstehenden Spiralstruktur bzw. späte ren Spirale aufweist. Dies kann beispielsweise bei einer Rechteckspiralstruktur (fertige Spirale siehe Abb. 1) eine Anordnung mit verdrehten Windungsschen keln (siehe Abb. 3 oder 4a bis 4m) sein. Die Herstellung einer späteren Spirale erfolgt dann durch nochmalige Verdrehung von Windungsschenkeln zueinan der und anschließendes Komprimieren, beispielsweise gemäß Abb. 5.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Abbildungen erläutert. Es zeigen:

Abb. 1 eine Spulengeometrie,

Abb. 2 eine Werkzeuggeometrie für einen Gießprozess,

Abb. 3 eine Draufsicht sowie Seitansicht einer abgewickelten Spiral struktur,

Abb. 4a

bis 4m Walzen mit darauf liegenden Spiralstrukturen sowie Details einer Wälzgießeinrichtung, und

Abb. 5 Kompression einer Spiralstruktur in Richtung der zentralen

Spiralachse.

Mit dieser Erfindung findet die Formgebung der Spule bzw. einem Spulen Halbzeug oder Vorprodukt direkt aus der Schmelze, mit einem thixotropen Werkstoff oder mit einem Vormaterial in Form eines Drahtes zwischen zwei kontinuierlich drehenden Walzen statt.

Um einen kontinuierlichen Herstellungsprozess mit kurzen Zykluszeiten zu realisieren, wird die Werkzeuggeometrie, wie sie in parallelen Patentanmel dungen der Anmelderin beschrieben ist, auf zwei Walzen abgewickelt. Die Walzen laufen gegeneinander, so dass sie in ihrem Kontaktpunkt bzw. ihrer Kontaktlinie jeweils einen Formhohlraum bilden. Durch die kontinuierliche Drehung beider Walzen wird so eine vollständig abgewickelte Spule als Formhohlraum bei fortlaufender Drehung in der Kontaktlinie erzeugt.

Die Kontur der Walzen ist dabei so aufeinander angepasst, dass von oben Schmelze in den sich bildenden Formhohlraum eintreten kann und durch die fortlaufende Drehbewegung mittransportiert wird. Die Temperatur von Walzen und Schmelze, sowie die Kühlung der Walzen ist dabei so abgestimmt, dass die Schmelze bei der fortlaufenden Umdrehung spätestens erstarrt ist, wenn die Kavität sich wieder nach unten öffnet.

In dem fortlaufenden Prozess wird damit bei jeder Umdrehung des Walzen paares eine oder mehrere abgewickelte Spulen erzeugt.

Je nach Spulengeometrie werden eine oder mehrere Spulen am Umfang der Walzen positioniert. Dabei ist es vorteilhaft den Walzendurchmesser mög lichst groß zu halten, um die Krümmung zu reduzieren. Wird dabei der Um fang der Walze größer als die Länge der abgewickelten Spule, so werden zwei oder mehrere Spulen um die Walze herum positioniert. Das erfolgt in der Art, dass nach einer vollständigen Umdrehung beider Walzen wieder die erste Kavität-Geometrie zum Eingriff kommt.

Weiterhin können zur Steigerung der Produktivität mehrere Walzenpaare direkt nebeneinander angeordnet werden.

Zum Erzeugen dieser Geometrie wird im Wälzgießverfahren oder Wälzform verfahren (zum Wälzformverfahren siehe auch die am selben Tage eingereich te Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel "Wälzformverfahren zum Herstellen einer Spiralstruktur ...", deren Inhalt hiermit voll umfänglich in die vorliegende Patentanmeldung übernommen wird) zunächst eine Geomet rie bzw. eine Spiralstruktur hergestellt, die in z-Höhenrichtung auseinanderge zogen und in jeder Windung um 90 Grad gedreht ist. Hinsichtlich des Winkels ist ebenso eine wechselweise größerer und kleinerer Winkel möglich. Damit entsteht die abgewickelte Geometrie. a) Die beiden Walzen mit der eingebrachten Kontur, ähnlich einem Zahnrad drehen in entgegengesetzten Richtungen. Dabei schließen und öffnen sie durch das Abrollen der Walzen aufeinander die Konturen des Formhohlraums zwischen den Walzen in einem kontinuierlichen Prozess und das Spulenmaterial wird zwischen die Walzen gegeben, in dem Formhohlraum in die gewünschte Geometrie gebracht und kommt aus der gegenüberliegen den Seite wieder zwischen den Walzen analog zu Abbildung 3 heraus. Die Kavitäten können Windung zu Windung oder auch "von Zahn zu Zahn" unter schiedlich sein, um veränderliche Querschnitte der entstehenden Windungen zu ermöglichen. b) Die Orientierung der Walzen und die resultierende Anordnung der Achsen im Raum sind grundsätzlich frei. c) Die in Abb. 3 in zwei Ansichten (oben Draufsicht, unten Seitansicht) gezeigte Spiralstruktur kann durch Verwindung einzelner Schenkel und/oder durch eine Kompression in Richtung der zentralen späteren Spiralachse zu einer Rechteckspirale geformt werden.

Beispiel: Zuführung des Materials von oben:

Unter Ausnutzung der Schwerkraft wird von oben flüssige Schmelze, thixo tropes Material oder festes Material zugeführt.

Bei flüssigem Material ist entweder die Mengenzufuhr so zu dosieren, die zugeführte Schmelzemenge mit der durch den Formhohlraum zwischen den Walzen abgeführten übereinstimmt oder etwas grösser ist. Bei einer gering fügig größeren Menge läuft überschüssige Material an den Seiten der Walzen heraus/herunter und wird aufgefangen. Vorteilhaft ist, wenn die Zuführung der Schmelze unter Schutzgas erfolgt.

Alternativ zur genau dosierten Schmelzemenge kann oberhalb der Walzen ein Schmelzereservoir angeordnet sein, das nach unten durch die Walzen und an den Seiten durch eine temperaturbeständige Wandung begrenzt ist.

Die Drehgeschwindigkeit der Walzen ist dabei so abgestimmt, das auf der unteren Seite die abgewickelte Spulengeometrie im festen Zustand heraus tritt. Zur Unterstützung der Kühlung bzw. Wärmeabfuhr können die Walzen temperiert werden. Weiterhin kann bei dieser Anordnung unterhalb des Walzenpaares direkt ein Bad mit Wasser zum Abschrecken, einer Oxidieren den Flüssigkeit zum Abschrecken und passivieren oder isolieren der Ober fläche oder ein Schmelzebad mit einem niedrigschmelzenden Metall oder Kunststoff für eine direkte Beschichtung. Bei Zufuhr von thixotropem oder festem Material wird das Material von oben mithilfe einer Zuführeinrichtung als Halbzeug zugeführt, z. B. analog zu der Drahtzuführung in einem Schutzgasschweißgerät. Zur Vorwärmung des Materials wird zwischen dem Ende der Zuführeinrichtung und den Walzen eine Spannung angelegt. Stromstärke und Verweildauer zwischen Zuführein richtung und Walze bestimmen dabei die durch den elektrischen Wiederstand resultierende Temperatur des Vormaterials.

Ebenso kann das Material von der Seite oder von unten zugeführt werden. Speziell bei einer Zuführung von unten nach oben kann die Schmelze mittels Niederdruck, aufgebracht durch Gas, analog zum konventionellen Nieder druckguss oder durch miteinander korrespondierende Schmelzekammern realisiert werden.

Abb. 4a bis 41 zeigen beispielhafte Ausführungsformen der zu gießenden Spiralstrukturen. Im Interesse der besseren Verständlichkeit bzw. der einfa cheren Darstellung wird hierbei in Abbildungen 4a bis 4i jeweils nur eine Walze mit einer darauf zu formenden Spiralstruktur gezeigt. Die entgegenste hende Walze wird nicht gezeigt. Gleichwohl ist die dargestellte Spiralstruktur (die in der Draufsicht mäanderförmig erscheint) in ihrem vollständig gegosse nen Endzustand gezeigt, wie sie durch Formung der beiden gegeneinander laufenden Walzen in der zwischen den Zahnflanken und der entsprechenden Kavität der sich gegeneinander drehenden Walzen geformt wird. Hervorzuhe ben ist auch, dass die gesamte fertige Spiralstruktur gezeigt ist, d.h. aus Gründen der besseren Darstellbarkeit wird der flüssige Zustand der Schmelze hier nicht gezeigt (siehe hierzu Abb. 4m). In Abbildung 4a bis 4i ist zu sehen, wie eine Struktur gemäß Abb. 3, allerdings auf dem Umfang einer Walze gewickelt, entsteht.

Ergänzend hierzu zeigen Abb. 4j, 4k sowie 41 Anordnungen, bei denen die beiden sich gegeneinander abrollenden Walzen gezeigt sind. Gezeigt ist dort ein Walzgießverfahren zum Herstellen der Spiralstruktur, insbesondere zur Verwendung in elektrischen Maschinen, wobei Schmelze (hier dargestellt) zwischen eine erste sowie eine dazu gegengleich laufende zweite Walze geführt wird (in Abb. 4k bzw. 41 ist jeweils eine obere und eine untere Walze gezeigt), wobei die erste Walze erste Zähne (beispielsweise die obere Walze in Abb. 41) sowie die zweite Walze zweite Zähne hat (untere Walze in Abb. 41) und die ersten und/oder zweiten Zähne Zahnflanken mit Kavitäten haben zur Aufnahme von zugeführter Schmelze, wobei die Zähne derart gestaltet und ausgerichtet sind, dass beim Drehen der Walzen die Kavität mindestens eines Zahns zumindest zweitweise durch eine Oberfläche eines Zahn der anderen Walze begrenzt wird, sodass die zugeführte Schmelze zwischen den Zähnen unter Abkühlung zu einem Abschnitt der Spiralstruktur geformt wird. Hierbei ergibt sich die in Abb. 4a bis Abb. 4k gezeigte Spiralstruktur.

Abb. 4m zeigt schematisch eine oberhalb einer Walzenanordnung (gebildet von erster Walze sowie zweiter Walze, wobei die erste Walze erste Zähne sowie die zweite Walze zweite Zähne hat und die ersten und/oder zweiten Zähne Zahnflanken mit Kavitäten haben zur Aufnahme von zugeführter Schmelze. Die zugeführte Schmelze wird über die oberhalb der Walzen gezeigte Zuführeinrichtung zugeleitet, durch das Zuleiten der Schmelze in Kavitäten der Zahnflanken der sich gegenüberstehenden Walzen wird eine Spiralstruktur (siehe auch Abb. 3) geformt, die dann zu einer Spirale, bei spielsweise einer Rechteckspirale weiter verarbeitbar ist durch Komprimieren in Richtung der späteren zentralen Spiralachse. c) Als Materialien kommen grundsätzlich alle elektrisch leitfähigen Materialien in Betracht, insbesondere Aluminium, Kupfer und ihre Legierun gen, alle metallischen Werkstoffe, aber auch hybride Materialien wie elekt risch leitfähige Kunststoff-Komposite. d) Durch Aufsprühen eines geeigneten Trennmittels auf die rotierenden Walzen im Bereich der formgebenden Kavitäten kann einerseits die

Entformung der gestreckten Spule beim Austritt aus dem Abwälzbereich vereinfacht werden. Andererseits kann das Trennmittel z.B. eine oxidierende Wirkung auf die Oberfläche der Spulenwindungen haben, was die elektrische Isolation der Windungen untereinander verstärkt (Effekt des Eloxierens) und gleichzeitig eine unterstützende Wirkung für die spätere Beschichtung zur Isolation der Spule darstellen kann. e) Zur elektrischen Isolation der Spule kann eine Beschichtung aufge bracht werden. Dies kann durch ein nachgeschaltetes Walzenpaar mit identi scher Kontur in die die gestreckte Spule erneut eingezogen wird. In die Kavitäten dieses zweiten Walzenpaares wird zuvor kontinuierlich das Isolati onsmaterial eingebracht, dass beim Durchlauf der gestreckten Spule ähnlich einem Walzplattierverfahren auf die Windungen ggfs, bei erhöhter Tempera tur aufgebracht wird. Dies kann alternativ zu den bekannten Beschichtungs verfahren der Spule erfolgen. f) Die Walzen können je nach zu verarbeitendem Material aus Werkzeug stahl, bei zu verarbeitenden Kunststoffen oder anderen weichen und niedrig temperierten Materialien aus Aluminium, Keramik oder Kombinationen daraus bestehen. Weiterhin kann die formgebende Kontur als auswechselba rer Einsatz gestaltet werden, so dass bei Verschleiß ein einfacher Austausch erfolgen kann, oder die gleichen Grundwalzen für verschiedene Geometrien und Materialien eingesetzt werden können. g) Nach der Herstellung der abgewickelten Geometrie wird diese Pro zessschritte wie Entgraten, Polieren, Reinigen, Schleifen, Beschichtungsver fahren zugeführt. Hierbei erweist sich die Geometrie durch die bessere Zugänglichkeit aufgrund der vorverformten Spule als positiv. Für ein notwen diges Handling des Halbzeuges können im Walzprozess Positionier-, Fixier-, Handlinghilfen etc. mit in der Walzenkontur vorgesehen werden, die je nach Bedarf entfernt oder zur Weiterverarbeitung genutzt werden können. Der zweite entscheidende Vorteil dieser Geometrievariante ist der einfache Umformprozess nach dem Gießen durch Einschieben eines Führungsstabes in die Seele der Windung und direktem Umformen der Windungen aufeinander. Dies wird durch das Einfädeln auf einen Dorn mit Schulter erreicht, so wie in Abb. 5 dargestellt. Mithilfe dieser Konstruktion wird die Spule in den Einbau zustand zurück verformt bzw. gebracht. Hierbei können Umformprozess und Kalibrierung kombiniert werden. Zur Erläuterung: Der Führungsstab ist am Anfang dünn (zur Vereinfachung des Einfädelns, wird zur druckaufbringenden Auflagefläche hin dicker und entspricht der Endkontur des Innenraums der Windung). Vorteilhafterweise hat die Endkontur des Innenraums mindestens die gleiche Höhe wie die zu erzielende Gesamtspule, (siehe Abb. 5) h) Die konturgebende Geometrie der Walzen kann als Einsatz gestaltet sein, der aufgrund von Verschleiß, Beschädigung, Geometriewechsel, etc. einfach ausgetauscht werden kann. Dabei kann der Einsatz je nach zu verar beitendem Material aus Stahl, Aluminium, anderen metallischen Werkstoffen, Keramik oder Kunz töff gefertigt sein. Für die Herstellung der Einsätze können konventionelle Verfahren zum Einsatz kommen. Ebenso kann der Einsatz als Rohkörper in gestreckter/ebener Lage gefertigt werden und anschließend auf den Umfang des Wälzkörpers als Einsatzträger umgeformt werden. Bei den keramischen Einsätzen oder Kunststoffeinsätzen kann hierbei eine Master kontur in ebener Geometrie hergestellt, auf das notwendige Bogenmaß umgeformt und anschließend in einem Rapid-Prototyping-Verfahren, zum Beispiel im Vakuumguss für die Herstellung der Einsätze genutzt werden.

Dabei wird vorteilhafterweise durch die Umformung direkt die notwendige Verformung der Kontur für ein reibungsloses Ineinandergreifen erzielt. Ebenso können bei diesem Vorgehen Kunststoff- oder Wachsformlinge hergestellt werden, die zur Erzielung von metallischen Einsätzen im Feinguss abgegossen werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht in der Reduzierung des Fertigungsaufwan des und stellt eine kostengünstige und serientaugliche Alternative zu bisher bekannten Formgebungsverfahren für elektrische Spulen dar.

Bei der Formung werden jeweils die parallel verlaufenden Schenkel der späteren Spirale geformt, das heißt die beiden Längsseiten oder die beiden Stirnseiten (Winkelkopfseiten). Sollten diese sich gegenüberliegenden Seiten bzw. Schenkel nicht genau parallel sein, wird dies durch entsprechende Winkelanpassungen ausgeglichen, sodass sich eine Winkelsumme von 180 Grad ergibt. Durch die Kombination von umgeformten Wickelkopf und <= 90° Verdrehung, bzw. wechselseitig einer größeren und einer kleineren Verdre hung der Windung werden folgende Vorteile erhalten: ^'

• Kontinuierlicher Herstellungsprozess mit extrem hoher Ausbringung.

• Durch die kombinierte und variable Anpassung der Modifikation des Wickelkopfes und bei gleichzeitiger Verdrehung der Spule <=90° kann das Werkzeugkonzept für jegliche Art von Steckspulen eingesetzt wer den. • Keine Ausformschrägen an relevanten Stellen an den Windungen erforderlich (parallelflankige und nicht parallelflankige Windungen rea lisierbar), dadurch keine fertigungsbedingte Verringerung des Nutfüll faktors

• Vorverformte Spule kann durch einfaches Zusammenschieben mit Hilfe eine Dorns in den Einbauzustand umgeformt werden (somit ist kein komplexer Prozess notwendig)

• Dorngeometrie kann dabei so gestaltet sein, dass mit dem Umformen direkt eine Kalibrierung in die Endgeometrie umgesetzt wird. (Ein dünner Einfädelbereich wird über die Dornlänge hin zur kraftauf- bringenden Schulter dicker bis hin zur Endgeometrie des Spuleninnen- raums. Endkontur des Spuleninnenraums sollte dabei idealerweise mindestens die gleiche Länge wie die zu erzielende Spulengeometrie haben.)

• Prozessschritte sind automatisierbar (wichtig für Großserie)

• Durch Verwendung von konturgebenden Einsätzen sind die Wechsel zeiten gering, die Werkzeugkosten und Investitionskosten gering.

• Einfach skalierbar durch den Einsatz mehrerer Walzenpaare nebenei nander.

• Verfahren/Fertigungsvariante lässt sich auf andere Geometrien

übertragen, z. B. profilierte Drähte.

Durch die Erfindung wird es möglich, Spulen mit Werkstoffen wie AI und Cu oder AI- und Cu-Legierungen aus dem schmelzflüssigen thixotropen oder festen Zustand in Großserien herzustellen und damit die Produktivität, Gestaltungsfreiheit und Wirtschaftlichkeit im Serieneinsatz deutlich zu erhö hen. Weiterhin lassen sich mit der beschriebenen Vorgehensweise andere gießtechnisch zu verarbeitende Materialien in eine wendelförmige Geometrie bringen.

Weiterhin lassen sich unterschiedliche Wendeln mit verschiedenen Win dungszahlen, Windungsdicken und Windungsbreiten in einer Außenform hersteilen, es wird eine Variantengestaltung ermöglicht. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein wesentlicher Beitrag zur wirtschaftlichen Herstellung von Wendeln, z.B. für die Anwendung als Spule in elektrischen Maschinen geleis tet und neue Fertigungsverfahren für E-Maschinen mit gegenüber dem Stand der Technik höherer Leistungsdichte und höherem Wirkungsgrad erschlossen. Durch Einsatz des innovativen Konzeptes zur Herstellung der Spulen oder Modellen für Spulen oder verloren Formen für Spulen geometrisch einfach geformten Werkzeugen werden robuste und automatisierbare Fertigungs- prozesse für Großserien ermöglicht.