通过压缩螺旋线生产螺旋体的方法
阅读说明：本技术 通过压缩螺旋线生产螺旋体的方法 (Method for producing spiral bodies by compressing spiral lines ) 是由 M·布塞 F-J·沃斯特曼 于 2020-02-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于生产由导电材料制成的螺旋形主体,尤其是电子线圈的方法。首先,将材料卷绕在铸造模具中的芯轴(1)上,以形成具有多个绕组(9,10)的线圈(3,3’),然后沿线圈的轴向(8)向线圈施加压力,该压力导致在线圈的轴向(8)上,各绕组(9,10)横截面的变形和压缩。通过压缩线圈,具有电子线圈的例如电机,可以实现空间的最佳利用。(The invention relates to a method for producing a spiral-shaped body made of an electrically conductive material, in particular an electrical coil. First, a material is wound on a mandrel (1) in a casting mold to form a coil (3, 3') having a plurality of windings (9, 10), and then a pressure is applied to the coil in an axial direction (8) of the coil, the pressure causing deformation and compression of a cross section of each winding (9, 10) in the axial direction (8) of the coil. By means of the compression coil, for example an electric motor with an electric coil, an optimum utilization of space can be achieved.)
技术领域
本发明涉及机械工程领域，当通过金属铸造的方式生产螺旋线时，可特别有利地用于铸造
技术领域
。背景技术
螺旋金属体在电气工程和机械中，可以被用于许多不同的用途，例如弹簧或线圈。到目前为止，通过卷绕股线形的金属体(例如金属丝)制成的绕制线圈主要用于电机。这种制造技术通常不能最优地填满可用的安装空间。尤其是当此类线圈不具有圆柱形时，在卷绕过程中，生产过程通常需要额外的手动操作。
为了提高填充程度，并且增加包含此类绕组/线圈的电机的功率或扭矩密度，已经描述了通过金属铸造工艺生产此类螺旋体。这使得这种螺旋线的横截面和外部形状的配置具有很高的自由度。具体而言，例如，各个匝的横截面也可以自由配置。通过优化空间利用和散热，可以同时优化电功率和散热效率。然而，通过铸造的方式生产螺旋线和电子线圈，在制造过程中存在其他缺点。
发明内容
在现有技术的背景下，本发明的目的是创建一种用于生产螺旋体，尤其是电子线圈的方法，该方法能够通过生产的产品实现最佳的空间利用，同时使制造的复杂性最小化。
根据本发明，该目的通过权利要求1的特征实现。从属权利要求2至8描述了用于产生螺旋体的方法的可能的实现方式。本发明还涉及具有权利要求9的特征的装置，以及此类装置的可能的实施例。
因此，本发明涉及一种用导电材料制造螺旋体，特别是线圈的方法，其中，首先将呈股线形的材料卷绕在芯轴上，以形成具有多个匝的螺旋线，然后在施加压力之前，将所述芯轴和所述螺旋线放入模具中，固定连接到所述芯轴的基板通过成型锁定连接方式，特别是锁销，连接至所述模具，然后在其轴向上，对所述螺旋线施加压力，导致所述螺旋线的轴向上各匝的横截面变形和压缩。
原则上，在成型电子线圈时，最初可以使用卷绕螺旋线的常规方法。此后，通过对螺旋线施加轴向压力使螺旋线的材料变形，从而使单个或所有匝的横截面变形。通过这种方式，在螺旋线的纵向方向上实现更紧密的匝数填充，并且螺旋线的空间需求保持减少，同时保持匝数不变。同时，各匝的横截面能够沿径向扩展。由此，由螺旋线形成的电子线圈变得更加高效而且节省空间。此外，螺旋线匝间的热传导的改善可提高整体导热性能，从而能够散热。
在该方法的一个实施例中，可以在螺旋线上连续施加多次轴向压力，特别是以脉冲型撞击的形式。这样，可以在多阶段变形过程中进行压缩，以便在许多情况下，可以在没有材料裂纹或可能的结构变化的情况下实现充分的变形。压力的脉冲式增加，例如通过撞击的方式，其优点是可以短暂而动态地产生高压，而无需提供静态产生或承受相应力的装置。
另一实施例中，螺旋线上的压力在多个阶段中增加，其中，特别是每当压力增加后，压力再次暂时性地降低，。由于螺旋线的材料在多个阶段中变形，在有限的结构变化范围内，螺旋线上的这种多级压力增加也可以产生有利的结果。
为了对螺旋线成型，可以在施加压力之前，将芯轴和螺旋线放置在围绕螺旋线的模具中，并限制螺旋线向外的径向扩展。在施加轴向压力期间，螺旋线的径向扩展受到模具的限制。作为模具的结果，可以定义螺旋线的外部目标形状，这可以通过施加足够的轴向压力来实现。特别是，通过施加压力，螺旋线可以被轴向压缩在芯轴上，位于芯轴和模具之间，直到它填满芯轴和模具之间的空间。为此，芯轴和模具彼此同轴布置，尤其是彼此连接。
模具可包括圆柱形或截头体形空腔，以便螺旋线在压缩后同样具有圆柱形或截头体形的外轮廓。这种螺旋线，例如，可用作旋转电机中的电子线圈，其中可用于单独绕组的安装空间同样具有截头体的形状。
芯轴和模具都可以由稳定的金属制成，尤其是钢制成。
有利地，在芯轴被引入模具之前，将螺旋线卷绕到芯轴上，如此，有利的设计可以提供可连接的独立的芯轴和模具。芯轴和模具可在模具的径向最窄区域内彼此连接。
该方法的另一个实施例中，螺旋线上的压力，或压力脉冲的强度的选择方式应使得，在绕组至少有一个匝的情况下，螺旋线在轴向上的高度至少降低10％，特别是，至少20％。
在螺旋线的轴向压缩过程中，在模具径向扩展最大的区域，各匝在轴向上可以被最大程度的压缩。在该区域中，单个匝的径向宽度和螺旋线在纵向上的高度的比值最大，且大于模具的径向较窄区域。例如，螺旋线的压缩方式可以使得卷绕股线的横截面的径向宽度与高度之比达到2:1，特别是甚至5:1。
在该方法的另一个实施例中，在缠绕过程之前或之后，为股线形材料提供电绝缘和/或浸渍外层。可以提供在股线形材料变形期间也变形的层作为绝缘外层，使得外层在变形期间保持闭合。特别是易变形的塑料材料适用于此目的。也可提供氧化物层作为外层，例如，其是在螺旋线变形后，在出现裂纹的位置与空气接触时新形成的，并对螺旋线的匝进行电绝缘。
在该方法的一个实施例中，在螺旋线被压缩后，所述股线形材料具有，特别是电绝缘和/或浸渍外层。这可以被实现，例如，通过螺旋线是有弹性的，因此，在匝的压缩和变形后，螺旋线本身在压缩力降低后在轴向上弹性膨胀到一定程度，因此，螺旋线的各个匝彼此之间建立了一定距离，因此可以进行涂层。随后，可通过浸入螺旋线或喷涂等方式涂覆涂层。还可以通过浇铸的方式将螺旋线的匝之间的中空空间填充绝缘材料，从而使螺旋线的各个匝彼此之间电绝缘。为此，可选择绝缘材料，如此，毛细管作用可以导致或支持液体材料被吸入螺旋线的中间空间。铸造可采用真空铸造的形式进行。为此，芯轴基板和模具之间的连接可设计为真空密封。对于涂层过程，螺旋线也可以在施加力的同时在纵向上临时弹性膨胀。
本发明的另一个有利实施例中，相应地，螺旋线压缩后，通过浇筑填充材料进行密封，其完全填充螺旋线的匝之间的中间空间。
除了上述类型的方法外，本发明还涉及用于执行该方法的装置，该装置包括模具、用于将模具连接到用于卷绕螺旋线的芯轴的连接装置，以及包括柱塞的压力装置，该压力装置尤其包括用于容纳芯轴的凹槽。
此外，还可以提供模具，该模具包括用于容纳压缩后的螺旋线的锥形腔体。
附图说明
下文将基于附图示出和描述本发明。在附图中：
图1示出了可以卷绕线圈的芯轴；
图2示出了包括卷绕于其上的线圈的芯轴；
图3示出了位于模具中的包括卷绕于其上的线圈的芯轴；
图4示出了带有模具和压力工具的芯轴；
图5示出了另一用于卷绕线圈的芯轴；
图6示出了一种股线形材料构成的，包括绝缘层的卷绕于芯轴上的线圈；
图7示出了一种位于模具中的芯轴上，包括绝缘层的绕制线圈；
图8示出了一种带有芯轴的模具，一种线圈和一种压力工具；
图9示出了一种压缩后，位于模具中的不具有绝缘层的线圈；
图10示出了一种压缩后，位于模具中的具有绝缘层的线圈；
图11示出了一种在模具中被压缩的不具有绝缘层的线圈；和
图12示出了一种在模具中被压缩的具有绝缘层的线圈。
具体实施方式
图1示出了可以具有圆柱形设计的芯轴1，例如，就是说其具有圆形横截面。然而，芯轴1也可以具有椭圆形或多边形横截面或不同形状的横截面。
图2示出了以基板形式连接到连接装置2的芯轴1。股线形材料的螺旋线3缠绕在芯轴1上。例如，股线形材料可以是具有圆形横截面的金属丝。例如，金属可以是铝、铝合金、铜或铜合金。金属丝也可以具有椭圆形或不同形状的横截面。基板2用作连接元件，包括从其突出的元件2a、2b，其与模具4的锁销相配合。
图3示出了包括在基板2上的卷绕螺旋线3的芯轴1，其中锥形模具4通过锁销连接至基板2，因此也连接至芯轴1。锥形模具4同心环绕芯轴1。单层卷绕形式的螺旋线3位于模具4和圆柱形芯轴1之间的锥形腔体中。
图4显示了位于模具4上方的压力装置的柱塞5，其驱动机构未详细显示。例如，驱动机构可以是液压的。箭头6、7表示将柱塞5引入模具4的方向。柱塞5在布置的纵向方向(由轴8表示)上挤压螺旋线3。柱塞5的压力增加到一定程度，以使螺旋线3的各匝9，10被压缩，从而使各匝的横截面变形。
图5和图6示出了包括芯轴1和基板2的配置，其中，股线形的金属体3'以螺旋线的形式卷绕在芯轴1上，并且股线形的金属体由包括覆盖层12的金属丝11组成。覆盖层通常是绝缘的，例如，可设计为氧化层或聚合物层，或一般而言，设计为塑料层。
图7以与图3类似的方式示出了模具4中由绝缘金属丝制成的螺旋线3'。
图8以与图4类似的方式示出了一种配置，包括一个模具4、一个卷绕螺旋线3'的芯轴1和一个用于沿箭头6、7方向轴向压缩螺旋线3'的柱塞5。螺旋线由一个具有覆盖层的股线形金属体构成。
图9显示了第一次压缩过程后模具4中的螺旋线3。显然，股线形金属体/金属丝的多个或所有的匝在横截面的形状发生变形。由于轴向压缩，各匝在布置的纵向上变的扁平。因为，由于空腔的圆锥形状，在模具4的径向上有或多或少的空间可被各匝利用，取决于沿纵向轴线的位置，各匝可以或多或少的变平。图9中朝向底部最远的螺旋线的匝被压平得程度最小，而最上面的匝具有最扁平的形状，因为这些匝能够在布置的径向上扩展得最多。
图10示出了与图9的情况类似的情况，然而，是基于包括覆盖层并已被压缩的金属丝。
螺旋线3，3'可以通过增加柱塞5作用的压缩力，或通过重复的撞击式压缩进行进一步地压缩。通过这种方式，螺旋线3，3'的各匝之间的中间空间可以进一步减小，由此螺旋线填充的空间可以得到改善。基于构成螺旋线的股线形主体所用材料的延展性，中间空间基本上可以减少到零。
图11和12分别显示了一种螺旋线，其中，图11示出了了由无覆盖层的股线形主体制成的螺旋线，而图12示出了由具有覆盖层的股线形主体制成的螺旋线。在这两种情况下，螺旋线都已被压缩，以便完全填满各匝之间的中间空间。螺旋线的径向外轮廓现在对应于模具4的内轮廓，而螺旋线的内圆柱轮廓对应于芯轴1的外表面。例如，在这种形式下，螺旋线现在可以安装到电机中。在安装之前，将第一层或额外的覆盖层涂覆于螺旋线各匝的表面，或对螺旋线在压缩过程中受损的覆盖层进行退火(例如通过热处理)，可能是有用或必要的。
在图11所示的螺旋线的情况中，在移除柱塞后，由于反弹力，螺旋线的各匝之间可能出现中间空间，该中间空间可以利用覆盖层材料进行填充。通过将螺旋线浸入绝缘材料(例如树脂)中，各匝之间可以彼此绝缘。如果螺旋线各匝之间的中间空间不足，螺旋线也可在涂覆覆盖层期间弹性膨胀，直到覆盖层通过干燥和/或固化/聚合而固化。
一种具有如图11和12所示的形状的螺旋线，其可以，例如，被放置在电机中层叠的叠片的齿上。如果此类齿在电机的圆周上以星形方式分布，则齿之间的中间空间同样具有锥形形状，其可以由图示形状的锥形螺旋线被最佳地填充。
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