电工线圈及其生产方法和包括至少一个该线圈的电磁体或
电机
技术领域
[0001] 本
发明涉及
电工线圈及其生产方法和包括至少一个该线圈的电磁体或电机。特别地，本发明涉及通过
铸造工艺生产且以组合方法由导电材料与脱模
倒角组成的电工线圈的成形校准。
背景技术
[0002] 到目前为止，线圈经常由
导线(圆形轮廓、矩形轮廓)缠绕，这由于导体形状而导致空间(凹槽填充系数)利用不充分，特别是对于锥形设计线圈。
现有技术中的主要几何限制在于使用不同绕组横截面的有限可能性：即使在最佳利用率的情况下，绕组使用圆形导线也会在各个绕组之间留下无法使用的间隙。导体的必要的绝缘、导线引入和离散分布也限制了填充系数。由于最终实现的凹槽填充系数对于电磁设计只能进行适当估算，并且由于忽略了以后
马达的实际变型而无法计算，马达往往会变得(太)重且(太)大，因为需要更高的
质量(绕组的
铜以及
定子和
转子的钣金
包装)。
[0003] 与使用圆形导线或矩形导线的缠绕线圈相比，由铸造技术生产的线圈由于高几何设计
自由度而使得凹槽填充系数大大增加。此外，铸造线圈的几何形状具有明显改善的
散热性能。
[0004] 从EP 2 387 135 A2知道了一种使用铸造技术生产电工线圈的方法。
[0005] 根据EP 2 387 135 A2，具有齿线圈绕组的永磁同步电机的可实现的
扭矩密度显著地取决于总铜横截面积与凹槽面积的比率，即所谓的凹槽填充系数。以恒定扭矩增加填充系数允许更平坦的定子设计或齿的加宽以减轻磁路。
[0006] 到目前为止，铸造线圈已经通过铸造技术在精密铸造过程中使用脱蜡注射模和脱模生产。通过精致成型理念，保持了尽可能的小的注射工具。然而，这导致设计铸造工具的成本显著增加并且使得该过程容易发生故障。然而，由于生产过程，必须在铸造件上提供绕组之间的间隙以进行脱模。在铸造线圈中，这些导致凹槽填充系数的降低并且对散热产生负面影响。
[0007] 总之，可以说，采用当今生产线圈绕组的常用方法，在各个绕组的凹槽填充方面存在技术和经济限制。70％的凹槽填充系数已经是非常好的值；技术上和经济上的可能限制目前约为75％至80％(来源：Müller，Vogt，Ponick“电机的计算(Berechnung elektrischer Maschinen)”，第168页，第6版，Wiley-VCH，Weinheim，2008”)。此外，脱模所需的绕组之间的间隙和通过铸造工艺生产的线圈的表面质量导致凹槽填充系数的降低和随后绝缘的相当多的问题。
发明内容
[0008] 基于现有技术，本发明的目的是生产和应用电工线圈，以便以可靠和简单、可重复和经济的方式实现增加的凹槽填充系数。
[0009] 本发明的目的通过根据
权利要求1的方法、根据权利要求9的电工线圈和根据权利要求10的电磁体或电机来实现。
[0010] 根据本发明的用于生产根据权利要求1的电工线圈的方法包括以下步骤：
[0011] -步骤A：铸造具有绕线圈轴线延伸的至少一个绕组的电工线圈；
[0012] -步骤B：使线圈成形，从而改变所述至少一个绕组的横截面，使得所述至少一个绕组的所述横截面的面积中心相对于所述线圈轴线在径向方向上至少部分地移位。
[0013] 根据本发明的方法利用成形生产的优点并且实现很少材料损失或没有材料损失。具体而言，在步骤A中通过铸造工艺生产的线圈可以设置有大角度的脱模倒角以便更易于脱模，因为在下游步骤B中可以减少或完全消除脱模倒角，以通过沿着径向方向移动绕组的横截面的面积中心来对线圈进行塑性成形。由此，线圈沿线圈轴线被压缩，并且线圈的绕组被
挤压在一起，使得线圈材料在径向方向上移位，并且绕组的横截面的面积中心相对于线圈轴线沿着径向方向至少部分地移位。面积中心的移位也可以部分地沿轴向方向。大角度的脱模倒角简化了从铸模中的移除。当使用诸如
压铸的经济的大规模生产工艺时，应提供至少1.5°的脱模倒角，对于短脱模路径，倒角也可以更小。优选地，在成形工艺中使线圈进入最终轮廓(校准)。这伴随着初级成形工艺链的简化，例如通过省略制备、生产和加工步骤进行铸造。此外，表面质量可以随后通过成形工艺进行调整，这降低了对于铸造过程的质量要求并提高了过程的稳健性。
[0014] 本发明的有利发展是
从属权利要求的主题。
[0015] 如果步骤A包括以下子步骤中的至少一个，则可以是有利的：
[0016] -步骤A1：提供优选可重复使用的阴模，优选地通过将阳模嵌入诸如砂或金属材料的嵌入介质中，其中，所述阳模特别优选在嵌入介质中的印模后再次移除或作为脱模保留在所述嵌入介质中。阴模的可重复使用性降低了时间和成本方面的生产努
力。
[0017] -步骤A2：特别优选在精密铸造、
离心铸造、
真空铸造或低压铸造中，优选在所述阴模承受
负压时和/或处于保护气体氛围时，优选通过重力和/或压力
支撑，将所述线圈材料浇铸到所述阴模中。由于这些措施，可以减少或甚至完全防止在浇铸的线圈材料中包含孔隙或颗粒。
[0018] -步骤A3：在所述阴模中
固化浇铸的线圈材料。优选地，通过所述阴模和包含在其中的所述线圈材料的(被动)冷却来进行固化。
[0019] -步骤A4：从所述阴模中取出所述线圈。为此目的，优选地，所述阴模由多个部件制成并且可以打开。
[0020] -步骤A5：清洁所述线圈。在该步骤中，可以去除现有嵌入介质的残留物。
[0021] -步骤A6：对所述线圈进行软
退火。该措施可以方便下游步骤B中的线圈的成形和可能的校准。
[0022] -步骤A7：使所述线圈的至少一个绕组电绝缘，优选地，通过将线圈浸入绝缘
清漆中(例如，在CVD或PVD工艺中)或者通过用绝缘层涂覆或
覆盖所述线圈。由于该步骤，线圈的各个绕组彼此电分离。
[0023] 优选地，子步骤的顺序如所示，但是也可以以任何方式改变，只要该改变了子步骤顺序的方法在技术上可行。
[0024] 但是，如果步骤B包括以下子步骤中的至少一个，则它也可能是有用的：
[0025] -步骤B1：提供多部件式成形工具，其在复合状态下形成用于容纳所述线圈的腔室，其中优选地，所述腔室与所述线圈的内轮廓和/或外轮廓匹配，其中优选地，(锥形和/或
旋转对称的)冲头形成所述成形工具的上部和/或(锥形和/或旋转对称的)冲模形成所述成形工具的下部。
[0026] -步骤B2：将所述线圈布置在所述成形工具中，优选地以这种方式：使得所述线圈在内侧径向地和/或在外侧径向地抵靠所述成形工具，其中优选地，所述线圈在内侧径向地抵靠所述冲头和/或在外侧径向地抵靠所述冲模。
[0027] -步骤B3：使多部件式成形工具的至少两个部分沿着所述线圈轴线相对于彼此移动，同时减小所述腔室的体积，其中优选地，所述冲头沿着所述线圈轴线进入所述冲模。
[0028] -步骤B4：通过沿着所述线圈轴线压缩所述线圈来成形所述线圈，其中优选地，所述线圈的所述绕组在内侧径向地彼此挤压，使得所述线圈材料相对于所述线圈轴线在所述径向方向上向外移位，优选以这样的方式：减小或消除所述绕组之间的间隙。
[0029] -步骤B5：优选地在步骤B4期间改变至少一个绕组的所述横截面，使得相对于未
变形的状态所述横截面的上侧和/或下侧与垂直相交于所述线圈轴线的平面围成的角度变化和/或减小至少1°、1.5°、2°、2.5°、3°、4°或5°。
[0030] -步骤B6：切断所述线圈的浇口。
[0031] -步骤B7：优选通过压印形成至少一个用于所述线圈的电
接触的连接区域。
[0032] -步骤B8：将所述线圈校准到最终轮廓，其中优选地，所述成形工具相对于所述线圈轴线在内侧径向地和/或在外侧径向地和/或在上和/或下轴向端部校准线圈，其中特别优选地，所述冲头在内侧径向地和/或在上轴向端部校准所述线圈，和/或所述冲模在外侧径向地和/或在下轴向端部校准所述线圈。
[0033] -步骤B9：使所述线圈的至少一个绕组电绝缘，优选地通过将所述线圈浸入绝缘清漆中(例如，在CVD或PVD工艺中)或通过用绝缘层涂覆或覆盖线圈。
[0034] 优选地，子步骤的顺序如所示，但是也可以以任何期望的方式改变，只要具有改变了子步骤顺序的方法在技术上是可行的。
[0035] 根据步骤B1至B9建议的可选措施可有助于线圈的成形和校准，同时消除线圈材料的表面不规则性和
压实。
[0036] 当在步骤A中铸造的所述线圈的所述至少一个绕组的横截面相对于所述线圈轴线在径向方向上向内或向外逐渐变细时是有用的，其中优选地，在步骤A中铸造的所述线圈的所述至少一个绕组的横截面为多边形和/或圆锥形和/或梯形，优选为等腰多边形和/或圆锥形和/或梯形。通过这种设计，可以提供脱模倒角，同时额外促进步骤B中的后续成形。
[0037] 当在步骤A中铸造的所述线圈的所述至少一个绕组的横截面的上侧和/或下侧与垂直相交于所述线圈轴线的平面围成的角度至少为1°、1.5°、2°、2.5°、3°、4°或5°时，可能证明是有利的。这种脱模倒角促进了诸如压铸的经济的大规模生产过程的使用。
[0038] 然而，如果在步骤A之后和/或在步骤B之后获得的所述线圈的内轮廓和/或外轮廓对应于圆柱体、长方体、截头圆锥或截头金字塔的侧表面，也可以是实用的。具有这种内轮廓和/或外轮廓的线圈可以以特别有利的方式与电磁体和电机，特别是相应定子槽中的旋转
电流同步电机一起使用。
[0039] 当所述电工线圈在步骤B中成形以便占据具有相同内轮廓和外轮廓的主体的体积的至少95％时，这可能是有用的。在该变型中，当线圈用于电机领域时，可以实现高扭矩密度。
[0040] 当在步骤B中，所述至少一个绕组的横截面的面积中心相对于所述线圈轴线沿着所述径向方向向内或向外移位时，这可能是有利的。线圈材料的这种位移有利地用于减少或消除脱模倒角，并因此增加凹槽填充系数或线圈可实现的扭矩密度。
[0041] 本发明的另一方面涉及一种根据前述变型之一的方法生产的电工线圈。
[0042] 本发明的另一方面涉及一种电磁体或电机，优选地同步电机，优选地旋转电流同步电机，其具有根据前述变型的至少一个线圈。
[0043] 本发明的进一步有利发展遵循权利要求、
附图和
说明书中公开的特征的任何组合。
[0044] 术语和定义
[0045] 电工线圈
[0046] 在本发明的上下文中，线圈被理解为电气工程的部件：因此根据本发明的线圈适用于电气工程中的任何应用，例如电机构造，尤其是在
电动机和发电机的构造中。根据本发明的线圈在下文中也称为电工线圈。
[0047] 这种线圈是电气工程中最重要的元件之一。它们在
电路和机电应用中具有广泛的功能。在电气工程领域，线圈是马达的基本功能部件。根据马达的类别和设计，线圈具有不同的几何形状、绕组形状和绕组数量。
[0048] 优选地，线圈的至少一个绕组的半径和/或
节距和/或横截面形状和/或横截面面积在线圈的轴向端部之间的至少中间部分上或者在整个线圈上是恒定的。绕组的数量可任意选择。
[0049] 优选地，线圈由可浇铸的导电材料制成，例如
铝、
银、铜或
合金。
[0050] 优选地，线圈是直的、凸的、凹的、圆锥的、旋转对称的或非旋转对称的。
[0051] 例如根据EP 2 387 135 A2中描述的方法生产电工线圈，特别是根据EP 2 387 135 A2的权利要求1至6中任一项所述的方法生产，或者是EP 2 387 135 A2中描述的电工线圈，特别是根据EP 2 387 135 A2的权利要求7至12中任一项所述的电工线圈。
[0052] 成形
[0053] 除非明确提及其他内容，否则术语“成形”应理解为塑性成形。
[0054] 校准
[0055] 除非明确提及其他内容，否则术语“校准”是指最终轮廓中线圈的形状。优选地，校准步骤包括在一个工艺步骤中压实铸造和固化的线圈材料和/或平滑表面不规则性和/或分离浇口。
[0056] 线圈轴线
[0057] 优选地，线圈轴线是线圈的纵向轴线或者优选地线圈的至少一个绕组解绕所围绕的轴线并且优选是直线。
[0058] 横截面
[0059] 优选地，除非另外明确说明，否则表示至少一个绕组的横截面的截面图是在包围线圈轴线的平面中。
[0060] 面积中心
[0061] 挤压
型材的横截面形状的面积中心是该横截面形状的几何
重心。在数学上，这对应于横截面形状内的所有点的平均。在简单的情况下，面积中心可以通过几何考虑获得，或者通常通过使用数学方法的积分来计算。分析几何的方法用于描述物体。
[0062] 绕组轴线
[0063] 优选地，绕组轴线对应于至少一个绕组的横截面的最大外部尺寸的中心或最小矩形的中心，至少一个绕组的横截面与该中心配合。在矩形横截面形状的情况下，面积中心与绕组轴线重合。在三角形或梯形横截面的情况下，面积中心每次在横截面的较宽侧的方向上从绕组轴线开始偏移。(假想的)绕组轴线围绕(假想的)线圈轴线螺旋缠绕。
[0064] 脱模倒角
[0065] 出于生产原因，在铸造件上具有脱模倒角是有利的。脱模倒角的类型和尺寸取决于所选的铸造工艺。在铸造线圈中，这些导致凹槽填充系数的降低并且对散热产生负面影响。脱模倒角对应于在步骤A中铸造线圈的绕组的横截面的上侧和/或下侧与垂直相交于线圈轴线的平面围成的角度。
附图说明
[0066] 图1示出了具有四个绕组和恒定节距的铸造和固化的电工线圈的示意性剖视图，绕组的横截面在径向方向上相对于线圈轴线向外逐渐变窄并且呈等腰梯形的形式。
[0067] 图2示出了两件式
冲压模具的示意图，其具有作为上部的旋转对称冲头和作为下部的旋转对称冲模。
[0068] 图3示出了成形前的状态下布置在冲压模具中并且通过冲压模具在内侧径向地且在外侧径向地支撑的电工线圈的示意图，为了表示目的，忽略线圈的节距。
[0069] 图4示出了在成形后的状态下布置在冲压模具中并且在内侧径向地且在外侧径向地支撑的电工线圈的示意图，绕组的横截面设计成大体矩形并且为了表示目的忽略线圈的节距。
[0070] 图5示出了由成形线圈引起的绕组横截面开始从等腰线梯形(连续轮廓线)的形状到矩形形状(虚线轮廓线)的变化以及绕组的横截面的面积中心在径向方向上相对于线圈轴线向外的相关位移的示意图。
具体实施方式
[0071] 下面使用附图详细描述本发明的优选
实施例。本领域技术人员理解，结合实施例描述的特征不必为了实现所要求保护的发明而作为整体实现，而是也可以在其他配置中彼此独立地实现。特别地，可以省略实施例中描述的一些特征或者可以添加其他特征。
[0072] 在步骤A中准备铸造线圈1时，例如使用CAD设计电工线圈1的最终几何形状。根据具体应用，确定线圈绕组的数量、半径、节距、横截面形状和横截面面积，并且根据可用的安装空间在安装状态下限定线圈几何形状。不言而喻，线圈绕组的数量、半径、节距、横截面形状和横截面积可以随意改变，只要这与所要求的教导不矛盾即可。所描述的实施例涉及一种用于生产电工线圈1的方法，该电工线圈1具有围绕线圈轴线A延伸的四个绕组。
[0073] 在最终几何形状的
基础上，电工线圈1的铸造几何形状利用在步骤B中执行的成形过程的模拟反转并且考虑到脱模倒角和材料收缩来进行设计。线圈1的绕组之间的距离由可行的成形度、技术铸造要求和绝缘应用的类型限定。
[0074] 在生产过程的步骤A1中，提供可重复使用的阴模。为此目的，将阳模嵌入诸如沙子或金属材料或散装材料的嵌入介质中，在将其印记留在嵌入介质中之后将阳模再次移走或者在嵌入介质中作为脱模保留。
[0075] 在步骤A2中将线圈材料浇铸到阴模中是例如在保护气体氛围下通过重力且优选通过压力进行的，同时阴模可能承受负压。根据本发明的线圈1尤其可以在精密铸造、离心铸造、真空铸造或低压铸造中生产。
[0076] 在阴模中固化浇铸的线圈材料之后(步骤A3)，将固化和冷却的线圈1从阴模中取出(步骤A4)，除去嵌入介质的任何残留物并清洁(步骤A5)，如果有必要，软退火以为步骤B中的后续成形做准备(步骤A6)。
[0077] 可选地，线圈1的绕组的电绝缘(步骤A7)可以在线圈1在步骤B中成形之前或之后进行，并且例如通过将线圈1例如在CVD或PVD工艺中浸入绝缘漆或通过用绝缘层涂覆或覆盖线圈1来实现。
[0078] 图1中示出了以步骤A1至A7/A8的顺序在铸造工艺中生产的示例性电工线圈1的示意性剖视图。此处所示的剖视图沿着线圈轴线A或在包含线圈轴线A的平面中延伸。在图1所示的视图中，线圈1包括圆柱形内外轮廓和总共四个具有恒定横截面形状的绕组，其中，在符合技术铸造的可能性的情况下，绕组沿着线圈轴线A的彼此之间的节距或距离减小到最小。每个绕组的横截面Q相对于线圈轴线A在径向方向上向外逐渐变细，并且是等腰梯形的形式，其平行的底边平行于线圈轴线A而对齐且其内部角度在相同的平行底边上分别具有相同的尺寸。
[0079] 图5以连续轮廓线示出了在步骤B中进行成形工艺之前线圈1的绕组的横截面形状Q。例如，在步骤A中铸造的线圈1的绕组的横截面Q的上侧和下侧与垂直相交于线圈轴线A的平面E围成的角度α例如为1.5°并且对应于绕组的脱模倒角。相对于限定与绕组的横截面Q所配合的最小矩形的中心的绕组轴线，绕组的未变形横截面Q的面积中心FS在线圈轴线A的方向上径向向内偏移。
[0080] 在步骤B中执行的成形以这种方式改变线圈1的绕组的横截面Q’，该方式使得改变的横截面Q’的面积中心FS’相对于未改变的横截面Q的面积中心FS在径向方向上相对于线圈轴线A移位。
[0081] 在步骤B1中，为此目的提供了图2中示意性示出的两件式成形工具2、3，其具有作为上部的旋转对称的冲头2和作为下部的旋转对称的冲模3。冲头2和冲模3在组装状态下形成与线圈1的内轮廓和外轮廓匹配的腔室以用于容纳线圈1。
[0082] 当线圈1布置在成形工具2、3的腔室中时(步骤B2)，冲头2径向地位于内侧，并且冲模3径向地位于线圈1的外侧。在图3中示意性地示出了这种情况。
[0083] 从图3所示的示意性状态开始，冲头2在步骤B3中沿着线圈轴线A移动，从而减小腔室的体积，并进入冲模3。
[0084] 在步骤B4和B5中通过沿线圈轴线A压缩线圈1执行线圈1的塑性成形。冲头2从上方浸入冲模3中并使线圈1的绕组的锥形区域变平。线圈1的绕组在内侧径向开始相互挤压，使得线圈材料相对于线圈轴线A在径向方向R上向外移位，直到绕组之间的间隙减小或消除为止。在成形过程中，绕组的横截面Q、Q’被改变，使得与未变形状态相比横截面Q、Q’的上侧和下侧分别与垂直相交于线圈轴线A的平面E包围的角度α减小到0°或减少1.5°。绕组的横截面Q、Q’的这种变化导致横截面Q、Q’的面积中心FS、FS’相对于线圈轴线A在径向方向R上移位。成形后的面积中心FS’的RFS’半径大于成形前的面积中心的RFS半径。步骤B之后的线圈1的绕组的变形后横截面Q’在图5中以虚线示出。在步骤B中执行的成形以这样的方式压缩线圈1，该方式使得其占据具有相同内轮廓和外轮廓的主体的体积的至少95％。
[0085] 在成形过程中，例如，线圈1的浇口可以在步骤B6中被切断和/或用于线圈1的电接触的连接区域例如可以通过在步骤B7中的压印来形成。
[0086] 在步骤B8中，例如，线圈1通过冲头2校准到最终轮廓，在内侧径向地形成线圈1并且在上轴向端部形成最终轮廓，而冲模3在外侧径向上形成线圈1并且在下轴向端部形成最终轮廓。在校准期间，表面不规则性被平滑。
[0087] 如果之前尚未执行，则在步骤B9中执行线圈1的绕组的电绝缘。
[0088] 本发明的效果和优点可总结如下：
[0089] 最重要的优点是生产设备使用率低的情况下制造成形线圈的经济效率。此外，还有以下优点：
[0090] -由于可以使用相当大的脱模倒角，在预制件的技术铸造生产过程中可以使用可重复使用的工具
[0091] -由于连续生产顺序，这导致最大生产率
[0092] -改善表面质量以进行后续涂覆
[0093] -降低铸造线圈中的残余孔隙率
[0094] -增加凹槽填充系数
[0095] -进一步改善散热路径
[0096] -与在最终轮廓中铸造线圈相比，减小了最小可能的绕组厚度
[0097] -狭窄的几何公差的设置
[0099] -与诸如切断浇口系统的其他工艺步骤相结合
[0100] -与用于电接触的连接区域的压印/成形工艺相结合
[0101] 本发明还适用于不需要随后绝缘步骤的涂覆材料。
[0102] 预制件通过初步成形制成。通过在绕组横截面上使用
研磨样品(破坏性材料测试)，可以证明线圈或其预制件是否已通过成形而制成。
[0103] 可以基于铸造结构中的独特且始终存在的
缺陷(孔隙、
氧化物、可能还有表面上的淬火结构)来建立预制件的技术铸造生产的证据。
[0104] 本发明的应用领域涉及批量生产的用于电动机的线圈。由于电
驱动器和发电机的销量稳步增长，并且不同行业的渗透率不断提高，因此包括
汽车工程、机械工程、
船舶、航空以及消费领域的所有领域。
[0105] 附图标记清单
[0106] 1 线圈
[0107] 2 冲头
[0108] 3 冲模
[0109] α 横截面的上/下侧与垂直于线圈轴线的平面之间的角度
[0110] A 线圈轴线
[0111] E 垂直于线圈轴线的平面
[0112] FS 面积中心(成形前)
[0113] FS’ 面积中心(成形后)
[0114] Q 绕组的横截面(成形前)
[0115] Q’ 绕组的横截面(成形后)
[0116] R 径向方向
[0117] RFS 面积中心的半径(成形前)
[0118] RFS’ 面积中心的半径(成形后)
