用于生产螺旋结构的辊式成型方法与流程

本申请涉及一种用于生产螺旋结构的辊式铸造方法。

背景技术：

缠绕的线圈被用于电机中。线圈无法理想地填充可用的安装空间。这导致相对于重量或安装空间电机的功率或转矩密度较低。通过使用截面可变的铸造的、成形的或印刷的线圈可以实现更好的填充度，并且改善上述缺点。

由于复杂的三维几何形状，很难对这些线圈进行成形，并且直到现在，这些线圈的成形主要是在具有或不具有芯的永久模或消失模中进行的。这些通常是不连续的方法，其关于生产线圈的工具在技术上是复杂的。

线圈的典型几何形状如图1所示。此线圈在ep2387135a2中进行详细描述。

技术实现要素：

本发明的目的是以工业上可应用过程，即快速、经济和大量地生产螺旋结构，该过程可以用于生产在电机中使用的螺旋件。该目的通过权利要求的主题来实现。

权利要求尤其涉及一种用于生产螺旋结构、特别是在电机中使用的螺旋结构的辊式铸造方法，其中，熔体被供应在第一辊与第二辊之间，该第二辊与该第一辊相反地运转，其中，该第一辊具有第一齿，并且该第二辊具有第二齿，所述第一齿和/或所述第二齿具有齿侧面，这些齿侧面具有用于接纳所供应的熔体的空腔，其中，这些齿被设计和定向为使得当这些辊正旋转时，至少一个齿的空腔至少暂时地由另一辊的齿的表面界定，使得当所供应的熔体冷却成该螺旋结构的一部分、例如螺距部分时，所供应的熔体在这些齿之间成形。

术语“辊式铸造”是新术语并且表示通过在设置有空腔的齿轮状元件上滚动而对结构进行成形，其中，随着熔体在空腔中冷却而使熔体成形。此方法可以用于单独结构和循环结构。

术语“螺旋结构的部分”应理解为是指由冷却并成形的熔体产生的螺旋结构的任何部分。

术语“螺距部分”应理解为是指螺旋结构的至少一部分，该部分在所得到的螺旋结构或稍后的螺旋件的中心轴线方向上具有扭曲和/或高度偏移。这例如在矩形螺旋结构(成品螺旋件，参见图1)的情况下可以是具有匝的扭曲腿的布置(参见图3或图4a至图4m)。稍后的螺旋件然后通过使匝的腿再次相对彼此扭曲且然后压缩它们，例如根据图5来产生。

附图说明

本发明将基于多个附图来进行说明。在附图中：

图1示出了线圈几何形状，

图2示出了用于铸造过程的工具几何形状，

图3示出了缠绕的螺旋结构的平面图和侧视图，

图4a至图4m示出了螺旋结构位于其中的辊以及还有辊式铸造系统的细节，以及

图5示出了螺旋结构在螺旋件中心轴线方向上的压缩。

具体实施方式

对于本发明，线圈或线圈半成品或初级产品直接由熔体成形，具有触变性材料或具有处于两个连续旋转的辊之间的金属丝形式的初级材料。

为了实现具有短循环时间的连续生产过程，在两个辊上开发了工具几何形状，如以申请人名义的并行专利申请中所描述的。辊彼此沿相反的方向运转，使得它们在每个接触点处或在其接触线上形成成型空腔。由于两个辊的连续旋转，因此完整成形的线圈通过连续旋转产生作为在接触线中的模空腔。

辊的轮廓在此彼此协调，使得熔体可以从上方进入成形模空腔并且沿途通过连续旋转运动而被运送。设置辊和熔体的温度以及辊的冷却，使得熔体在连续旋转期间最迟在空腔再次向下打开时硬化。

因此，在连续过程中，辊对每旋转一圈就因此会产生一个或多个成形的线圈。

根据线圈几何形状，一个或多个线圈被定位在辊的圆周上。在此有利的是，保持辊直径尽可能大以便减小曲率。如果辊的周长大于成形的线圈的长度，则两个或更多个线圈因此被定位在辊周围。这一点通过如下方式实现，即在两个辊完整转一圈之后，第一空腔几何形状再次有效。

此外，多个辊对可以直接相邻地布置以提高生产率。

为了产生这种几何形状，在辊式铸造方法或辊式成型方法(关于辊式成型方法，也参见以同一申请人的名义同一日期提交的专利申请，名称为“rollermoldingmethodforproducingaspiralstructure...[用于生产螺旋结构的辊式成型方法……]”，其内容在此被完全并入本专利申请中)中，几何形状或螺旋结构首先被生产并且在z高度方向上拉开并且在每匝中被旋转90度。关于角度，交替地更大或更小的角度也是可能的。这将产生所成形的几何形状。

a)具有产生的轮廓的、类似于齿轮的两个辊沿相反的方向旋转。这样，由于辊靠着彼此滚动，它们在连续过程中闭合和打开辊之间的模空腔的轮廓，并且将线圈材料引入辊之间，从而在模空腔中产生所需的几何形状，并且在相对侧再次从辊之间退出，类似于图3。空腔在匝之间可以是不同的，或也“在齿之间”是不同的，以便允许所得到的匝的截面可变。

b)辊的取向和所得到的轴线在空间上的布置原则上是自由的。

c)图3中以两个视图(从上方看的平面图、从下方看的侧视图)所示的螺旋结构可以通过使各个腿扭曲和/或通过沿中心稍后的螺旋件轴线的方向压缩而成形为矩形螺旋件。

示例从上方供应材料：

利用重力，从上方供应液体熔体、触变性材料或固体材料。

在液体材料的情况下，则要么供应量应当被计量以使得供应的熔体量与通过辊之间的模空腔排出的量相匹配，要么应当稍多一些。如果使用稍多一些的量，多余材料会在辊的侧面上用尽/流下并且被捕获。在惰性气体下供应熔体是有利的。

替代精确计量的熔体量，可以在辊上方布置熔体储存器，该熔体储存器由辊向下界定并且在侧面由耐温壁界定。

在此设置辊的旋转速度，使得成形的线圈几何形状在下侧以固态存在。为了帮助冷却或散热，可以对辊进行温度控制。此外，利用该布置，可以在辊对下方布置具有用于淬火的水的浴、用于使表面淬火和钝化或绝缘的氧化液体、或者具有用于直接涂覆的低熔点金属或塑料的熔浴。

当供应触变性材料或固体材料时，该材料借助于供应装置，例如与惰性气体焊接设备中的金属丝供应类似，作为半成品从上方被供应。为了预热材料，在供应装置的端部与辊之间施加电压。在此，电流强度和供应装置与辊之间的停留时间决定了由电阻引起的初级材料的温度。

该材料也可以从侧面或从下方被供应。特别地在自下而上供应的情况下，与常规的低压模具铸造相似，可以通过低压经气体施加熔体，或者通过彼此对应的熔体腔室来施加熔体。

图4a至图4l示出了要铸造的螺旋结构的示例性实施例。为了更好地理解或简化介绍，在图4a至图4i的每一个中仅示出了一个在其上形成螺旋结构的辊。未示出反向辊。同样地，所示的螺旋结构(在平面图中看起来呈迂回曲折形式)以其完全铸造的最终状态被示出，因为它是通过两个相反旋转的辊的成形在齿侧面之间的空腔中和沿相反方向旋转的辊的相应空腔的成形来成形的。还应当强调的是，示出了整个成品的螺旋结构，即，出于提高清晰度的原因，此处未示出熔体的液态(关于这一点参见图4m)。在图4a至图4i中，可以看出根据图3的、尽管缠绕在辊的圆周上的结构是如何产生的。

附加地，图4j、图4k和图4l示出了示出两个辊靠着彼此滚动的布置。示出了一种用于生产螺旋结构、特别是在电机中使用的螺旋结构的辊式铸造方法，其中，熔体(在此示出)被引导在第一辊与第二辊之间，该第二辊与该第一辊相反地运转(在图4k或图4l中，分别示出上辊和下辊)，其中，第一辊具有第一齿(例如图4l中的上辊)，并且第二辊具有第二齿(图4l中的下辊)，所述第一齿和/或第二齿具有齿侧面，这些齿侧面具有用于接纳供应的熔体的空腔，其中，这些齿被设计和定向为使得当这些辊正旋转时，至少一个齿的空腔至少暂时地由另一辊的齿的表面界定，使得当所供应的熔体冷却成螺旋结构的一部分时，所供应的熔体在这些齿之间成型。在此，产生图4a至图4k中所示的螺旋结构。

图4m示意性地示出了在辊布置上方的供应装置(由第一辊和第二辊形成)，其中第一辊具有第一齿，并且第二辊具有第二齿，所述第一齿和/或第二齿具有齿侧面，这些齿侧面具有用于接纳供应的熔体的空腔。供应的熔体通过辊上方所示的供给装置被给送，并且螺旋结构(也参见图3)通过将熔体引导到相对辊的齿侧面的空腔中而形成，且然后可以通过沿稍后的螺旋件中心轴线的方向压缩而被进一步加工成螺旋件、例如矩形螺旋件。

c)原则上，可以考虑使用所有导电材料，特别是铝、铜及其合金，所有金属材料，但是也可以使用混合材料，比如导电塑料复合材料。

d)通过将合适的脱模剂喷射到旋转辊上的成形空腔的区域中，一方面可以简化被拉伸的线圈从轧制区域退出时的脱模。另一方面，脱模剂可以例如在线圈匝的表面上具有氧化作用，这增强了匝之间的电绝缘(阳极化作用)，同时可以对随后的用于线圈绝缘的涂覆具有支持作用。

e)可以施加涂层以使线圈电绝缘。这个涂层可以通过具有相同轮廓的下游辊对来执行，拉伸的线圈被再一次拉入该下游辊对中。首先，将绝缘材料连续地引入到此第二辊对中的空腔中，以使得当拉伸的线圈通过时，类似于轧制包覆过程，绝缘材料可能在高温下被施加到匝。这可以替代已知的线圈涂覆过程而发生。

f)取决于待加工的材料，辊可以由工具钢组成，或者在塑料是待被加工、或者其他柔软或低温材料的情况下，辊可以由铝、陶瓷或它们的组合组成。此外，成形轮廓可以被实施为可更换的嵌件，使得在持续磨损的情况下，可以简单地更换嵌件，或者可以将相同的基础辊用于不同的几何形状和材料。

g)在生产缠绕的几何形状后，将其供应至过程步骤，比如去毛刺、抛光、清洁、研磨、涂覆。在这种情况下，由于考虑预成形的线圈而改善可及性，因此已经证明几何形状是有利的。为了对半成品进行必要的处理，可以在轧制过程中在辊轮廓中设置定位、固定和处理辅助工具等，并可以根据需要被移除或用于进一步加工。这种几何形状变型的第二关键优点是在铸造后通过将导向杆插入绕组中心并引导绕组靠着彼此成形来进行简单的成形过程。这是通过将线圈穿入具有肩部的心轴上来实现的，如图5所示。在这种设计的帮助下，线圈变形或成为组装好的状态。成形过程和校准可以在此组合。解释如下：导向杆在开始时是细的(以简化穿入，并且朝着压力施加接触面变粗并与匝的内部相对应)。理想地，内部的最终轮廓具有与要实现的整个线圈至少相同的高度。(参见图5)

h)辊的赋予轮廓的几何形状可以被形成为嵌件，考虑到磨损、损坏、几何形状变化等，可以容易地对该嵌件进行更换。这里，嵌件可以由钢、铝、其他金属材料、陶瓷或塑料制成，这取决于要加工的材料。可以使用常规方法来生产嵌件。嵌件也可以被制造成拉伸/平面层中的坯件，然后在辊体的圆周上被成形为嵌件支撑件。在陶瓷嵌件或塑料嵌件的情况下，主轮廓可以以平面几何形状生产，被成形为必要的弧度，然后用于快速原型方法中，例如真空铸造中以用于生产嵌件。在此，通过用于无摩擦啮合的成形有利地直接实现轮廓的必要变形。在这种方法中，也可以生产塑料或蜡成型产品，通过精密铸造来铸造这些产品以获得金属嵌件。

本发明的优点在于减少制造费用，并且提供了一种适合于连续制造的经济替代方案以替代先前已知的用于电线圈的成形方法。

在成形期间，分别使稍后的螺旋的、平行延伸的腿成形，即两个纵向侧或两个端侧(角头侧)。如果这些相对侧或腿不完全平行，这通过相应的角度调整来补偿，使得获得180度的角度总和。由于成形的绕组头和<＝90°旋转的组合，或者交替地，匝的较大和较小旋转，实现以下优点：

·产量极高的连续生产过程。

·由于对绕组头的修改进行了组合式和可变调整，并且线圈同时旋转了<＝90°，因此工具构思可用于任何类型的滑入式线圈。

·无需在匝处的相关点处画斜边(可以提供平行侧面的和非平行侧面的匝)，因此不会减少制造过程中产生的槽填充系数

·预成形的线圈可以仅通过在组装好的状态下借助心轴被推到一起而被成形(因此，不需要复杂的过程)

·心轴的几何形状可以使得通过成形对最终几何形状实施校准。(细的旋拧区域在心轴长度上朝向施力肩部远至线圈内部的最终几何形状变厚。线圈内部的最终轮廓理想情况下应具有至少与要实现的线圈几何形状具有相同的长度。)

·过程步骤适用于自动化(对于大规模生产是重要的)

·通过使用赋予轮廓的嵌件，更换时间相距甚远，并且工具成本和投资成本较低。

·通过使用多个相邻布置的辊对，可容易扩展。

·方法/制造变型可以被转移到其他几何形状，例如异形金属丝。

由于本发明，可以从熔融触变性或固态大规模地使用诸如al和cu或al和cu合金等材料来生产线圈，因此可以显著提高批量生产中的生产率、设计自由度和经济可行性。此外，利用所描述的方法，可以使要通过铸造加工的其他材料成为螺旋形几何形状。

此外，可以产生外形上具有不同匝数、匝厚度和匝宽度的不同螺旋；设计变型成为可能。通过本发明，实现了对例如用作电机中的线圈的螺旋的经济性生产的显著贡献，并且提供了一种与现有技术相比具有更高功率密度和更高效率的电机的新制造方法。通过使用创新构思来生产线圈或用于线圈的模型或用于几何形状易成形工具的线圈的消失模，使用于大规模生产的稳健且可自动化的制造过程成为可能。