EP3554730A1 - Verfahren zur biegeumformung von strangprofilen - Google Patents

Verfahren zur biegeumformung von strangprofilen

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EP3554730A1
EP3554730A1 EP17835609.3A EP17835609A EP3554730A1 EP 3554730 A1 EP3554730 A1 EP 3554730A1 EP 17835609 A EP17835609 A EP 17835609A EP 3554730 A1 EP3554730 A1 EP 3554730A1
Authority
EP
European Patent Office
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profile
cross
sectional shape
bending
section
Prior art date
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EP17835609.3A
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French (fr)
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EP3554730C0 (de
EP3554730B1 (de
Inventor
Markus Werner
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP3554730A1 publication Critical patent/EP3554730A1/de
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Publication of EP3554730C0 publication Critical patent/EP3554730C0/de
Publication of EP3554730B1 publication Critical patent/EP3554730B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D11/00—Bending not restricted to forms of material mentioned in only one of groups B21D5/00, B21D7/00, B21D9/00; Bending not provided for in groups B21D5/00 - B21D9/00; Twisting
    • B21D11/08—Bending by altering the thickness of part of the cross-section of the work

Definitions

  • the present invention relates to a method for bending deformation of extruded profiles, and in particular to a method for producing an electrotechnical coil by bending deformation of extruded profiles according to this method.
  • the technical problem to be solved by the present invention is the change in cross section or deformation during bending of extruded profiles, in particular in edgewise bending of flat profiles with narrow radii.
  • the profiles to be bent are referred to in the context of this invention as extruded profiles.
  • edgewise bending or edgewise winding of extruded profiles changes their profile cross section in a curved profile section adversely, especially at tight bending radii and high ratios of profile width to height.
  • the outer arc is thinned at the bending outside of the extruded profile by the extension, whereas the inner arc is compressed at the bending inner side of the extruded profile and thus thickened.
  • the change in cross section means that in the production of an electrical coil by edgewise bending or winding a flat extruded profile, the stack height of the package - and thus the necessary space - grows.
  • Much more disadvantageous, however, is the loss of large-area contact between adjacent windings for heat dissipation.
  • Another technical problem of the same nature relates to the production of narrow laminated cores made of strip material, as shown schematically in FIG.
  • Q ' cross-sectional shape
  • L rotor
  • the present invention is based on the object to provide a method for bending deformation of extruded profiles while avoiding the disadvantages known from the prior art in order to produce a bend-deformed extruded profile with approximately constant cross-section and minimized stack height as simple and inexpensive.
  • the invention provides the method for bending deformation of extruded profiles according to claim 1, comprising the following steps: Step A: Provision of an extruded profile extending along a profile axis with at least one profile section in which the centroid of the cross-sectional shape is offset with respect to the profile axis.
  • Step B Biegeumformung the at least one profile section, so that the centroid of the cross-sectional shape is displaced in the direction of the profile axis and / or coincides with the profile axis.
  • the inevitable change in cross section of the extruded profile is counteracted by the fact that a complementarily adapted cross-sectional shape is kept in the profile section to be bent.
  • the centroid of the cross-sectional shape of the extruded profile is offset in the profile section to be bent with respect to the profile axis. This means that the area centroid of the cross-sectional shape in the profile section to be bent does not coincide with the profile axis, because the material is arranged unevenly before the bending deformation with respect to the profile axis and is located predominantly in half of the designated bending outside.
  • the extruded profile In the case of bending deformation, the extruded profile is compressed on the inside of the bend (inner bend) and thinned out on the outside of the bend (outer bend) so that the centroid moves in the direction of the inside of the bend. After the bending deformation has taken place, the centroid of the cross-sectional shape of the extruded profile in the profile section ideally coincides with the profile axis of the extruded profile.
  • cross-sectional shape of the extruded profile refers in the context of this invention description to a cross section perpendicular to the profile axis of the extruded profile, unless it is explicitly stated otherwise.
  • extruded profile is intended to cover all profiles which can be processed by the method according to the invention and subjected to bending deformation, ie in particular endless profiles and strip materials, etc.
  • the extruded profile extends along a profile axis and preferably consists of homogeneous material, for example an electroweld. electrically conductive material such as metal, in particular copper, aluminum, iron, silver or an alloy thereof.
  • the extruded profile is preferably produced by extrusion (or extrusion in the case of a plastic extruded profile), for example with a constant cross-section along the profile axis. In preparation for a sequential bending deformation local cross-sectional changes can be made, for example by local material application and / or material removal.
  • the ratio of the dimension of the cross-sectional shape in the bending plane to the dimension of the cross-sectional shape perpendicular to the bending plane is preferably greater than 1 before and / or after the bending deformation, and is preferably at least 2, 3, 4, 5 or more.
  • the profile width (dimension of the cross-sectional shape in the bending plane) before and / or after the bending deformation is greater than the profile height (dimension of the cross-sectional shape perpendicular to the bending plane).
  • the profile axis preferably corresponds to the center of the maximum outer dimensions of the cross-sectional shape or the center of the smallest rectangle, in which the cross-sectional shape of the extruded profile fits.
  • a rectangular cross-sectional shape of the extruded profile in the profile section of the centroid coincides with the profile axis.
  • the centroid with respect to the profile axis is offset in each case in the direction of the wider side of the cross-sectional shape.
  • centroid of the cross-sectional shape of the extruded profile is the geometric center of gravity of this cross-sectional shape. Mathematically, this corresponds to the averaging of all points within the cross-sectional shape.
  • the centroid can be obtained in simple cases by geometric considerations, or generally calculated by means of mathematics through integration. For the description of the bodies, the methods of analytical geometry are used.
  • the designated bending section or the profile section to be bent is that section of the extruded profile in which a bending deformation will take place as intended, before the bending has taken place.
  • the designated Biegeau type is that side of the extruded profile, which describes the outer bend of the bend after the intended bending deformation of the extruded profile, but before the bending deformation is done.
  • the bending outside is remote from the center of curvature of the bending deformation.
  • the designated bending inside is the side of the extruded profile, which describes the inner bend of the bend after the intended bending deformation of the extruded profile, but before the bending deformation is carried out.
  • the bending inner side faces the center of curvature of the bending deformation.
  • the bending plane is the plane in which the profile axis of the extruded profile is after bending deformation.
  • the present invention relates in particular to the bending of an extruded profile in single sheets (edgewise bending) or with a continuous bending radius (edgewise winding) around the side of the extruded profile with a shorter dimension.
  • the dimension / extension of the cross-sectional shape in or along the bending plane is preferably greater than the dimension / extension of the cross-sectional shape perpendicular to the bending plane.
  • the cross-sectional shape of the extruded profile provided in step A in the profile section is tapered, preferably continuous and / or linearly tapered, this cross-sectional shape preferably being symmetrical and / or trapezoidal.
  • Such a cross-sectional shape is comparatively easy to machine, so that after the bending deformation results in a symmetrical and uniform cross-sectional shape of the extruded profile.
  • the ratio of the dimension of this cross-sectional shape in the bending plane to the dimension of this cross-sectional shape increases perpendicular to the bending plane preferably the dimension of this cross-sectional shape remains constant in the bending plane and / or the dimension of this cross-sectional shape is reduced perpendicular to the bending plane, more preferably, the major axis of this cross-sectional shape (ie, the largest dimension of the cross-sectional shape) before and / or after the bending deformation in the bending plane.
  • the cross-sectional shape of the extruded profile in the profile section is changed in step B such that two sides thereof after step B extend exactly or substantially parallel to each other and / or exactly or substantially parallel to the bending plane, this cross-sectional shape after Step B is preferably rectangular and / or symmetrical to the bending plane, wherein preferably before and / or after step B, the dimension of this cross-sectional shape in the bending plane is greater than perpendicular to the bending plane.
  • the extruded profile can be arranged particularly compact in several turns.
  • the cross-sectional shape of the extruded profile provided in step A is produced in the profile section by material application and / or material removal, preferably starting from an extruded profile with a constant cross-sectional shape along its profile axis.
  • extruded profiles can be produced, which are suitable in particular for edgewise bending, whereby windings with alternately curved and straight profile sections can be represented by the bending deformation, wherein, for example, alternating single arcs and straight profile sections follow one another by 90 °.
  • the profile section is arranged between two adjoining neighboring sections along the profile axis, wherein the cross-sectional shape of the extruded profile in the profile section in step B is aligned exactly or substantially to the cross-sectional shape of the extruded profile in the adjacent adjacent sections, wherein the cross-sectional shape of Extruded profile in the adjoining the profile section adjacent sections before and / or after step B is preferably rectangular. Also this feature favors the production of extruded profiles for edgewise bending to produce windings with alternately curved and straight profile sections.
  • the offset of the centroid of the cross-sectional shape with respect to the profile axis in the course along the profile axis between adjacent to the profile section adjacent sections over the entire profile section or at least a portion of the profile section is uniform, Offset preferably increases from one of the adjacent adjacent sections and decreases toward the other of the adjacent adjacent sections.
  • Offset preferably increases from one of the adjacent adjacent sections and decreases toward the other of the adjacent adjacent sections.
  • the extruded profile provided in step A is preferably produced by extrusion with a cross-sectional shape which is mirror-symmetrical with respect to two mutually perpendicular planes, preferably in the form of two mirror-symmetric trapezoids along their shorter or longer parallel sides
  • the extrusion profile is preferably subsequently separated along a plane of symmetry in order to have the cross-sectional shape specified in step A in at least one profile section.
  • the bending radius of the bending deformation in step B in the profile section is in the range of 0 to 500%, preferably 0 to 200%, preferably 0 to 100% of the dimension of the cross-sectional shape in the bending plane. With such bending radii, the advantageous effects of the claimed invention are particularly advantageous.
  • step B it can also be helpful if the bending deformation of the extruded profile carried out in step B takes place in the profile section by rolling.
  • rolling particularly uniform cross-sectional shapes can be achieved over the bending area.
  • step B it can prove to be practical if the profile axis of the extruded profile before step B forms a straight line and / or after step B a winding with at least one turn.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing an electrotechnical coil with bending deformation of an electrically conductive extruded profile according to the method according to one of the preceding embodiments, so that the extruded profile preferably has a long of the profile axis uniform cross-sectional shape and / or uniform along the profile axis bending radius or alternately straight and curved sections, wherein the turns of the extruded profile preferably contact surface substantially perpendicular to the bending plane.
  • the bending angle of bending deformation in step B per bend is n bends per turn 3607n, ie 90 ° for four turns per turn, 60 ° for six turns per turn, etc.
  • Figure 1 shows schematically the change of a rectangular cross-section of a conventional extruded profile due to the bend forming in edgewise bending and winding according to the prior art, and the resulting reduction of the surface contact of the individual turns and the theoretical increase of the stack per turn by changing the height of the cross section before ( H) and after ( ⁇ ') the bend multiplied by the number of turns, wherein the cross section (Q) of the conventional extruded profile before bending deformation is shown in outline in dashed line and the cross section (Q') of the conventional extruded profile the bending deformation is shown in a continuous line and hatched.
  • FIG. 2 shows the stacking fault that actually occurs during the joining of the winding of the conventional extruded profile with bent cross-section (Q ') according to the prior art from FIG. 1 onto a rotor (L).
  • Figure 3 shows schematically a straight extruded profile (1) according to the prior art with rectangular cross section, comprising a profile section (1 b) and two along the profile axis adjacent adjacent sections (1 a, 1 c), in plan view from above, i. perpendicular to a designated bending plane.
  • FIG. 4 schematically shows a plan view of a curved profile (1 ') according to the prior art having rectangular cross sections in the straight neighboring sections (1 a, 1 c) and deformed, trapezoidal cross section (Q', Q ") in the section section (1 b), wherein the cross-sectional shape in the profile section (1 b) differs depending on the bending without (Q ') and with superimposed tensile stress (Q') and the resulting neutral fibers (3a, 3b).
  • FIG. 4 schematically shows a plan view of a curved profile (1 ') according to the prior art having rectangular cross sections in the straight neighboring sections (1 a, 1 c) and deformed, trapezoidal cross section (Q', Q ") in the section section (1 b), wherein the cross-sectional shape in the profile section (1 b) differs depending on the bending without (Q ') and with superimposed tensile stress (Q') and the resulting neutral fibers (3a, 3b).
  • FIG. 5 shows in view (a) a perspective and schematic illustration of a straight section of an extruded profile (1) with a profile section (2) between two adjacent sections (3) adjacent to the profile axis, wherein the cross-sectional shape of the extruded profile (1) in the profile section (FIG.
  • FIG. 6 shows schematically process chains for producing multiple extruded profiles
  • Forming tapes (P2a, P2b) by rolling strips (Pi a), columns (P3a, P3b) of the multi-strand profiles or forming tapes to single-strand profiles or molding bands and subsequent upright winding / bending (P4).
  • FIG. 7 shows a plan view (a), a front view (b) and a sectional view (c) of a straight extruded profile (1) with a profile section (2) between two adjoining adjacent sections (3) along the profile axis (A), the cross-sectional shape of Extruded profile (1) in the profile section (2) is trapezoidal and continuously tapers from the designated bending outside (BA) to the designated bending inside (Bl).
  • the inventive method for bending deformation of extruded profiles 1 is carried out essentially in two steps, namely:
  • Step A Provision of an extruded profile 1 extending along a profile axis A with at least one profile section 2, in which the centroid F2 of the cross-sectional shape Q2 is offset with respect to the profile axis A.
  • Step B Biegeumformung the at least one profile section 2 ', so that the centroid F2' of the cross-sectional shape Q2 'is displaced in the direction of the profile axis A and coincides with the profile axis A.
  • the inevitable change in cross section of the extruded profile 1 in the profile section 2 due to the bending deformation in step B of the method is counteracted by the fact that already in step A, a complementarily adapted cross-sectional shape is maintained.
  • the cross-sectional adaptation is correspondingly local, with a continuous bending deformation (edgewise winding), in particular with a constant bending radius, provided along the entire extruded profile 1.
  • a corresponding material thickening is made, which is changed during bending so that after bending as in the adjacent neighboring sections 3 and between the bends, the desired ideal rectangular cross-sectional shape Q2 'is present.
  • both the profile section 2 locally adapted extruded profile 1 and the curved extruded profile 1 are shown schematically.
  • the profile section 2 is arranged between two neighboring sections 3 adjacent to the profile axis A, wherein the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 in the profile section 2 is exactly or substantially matched to the cross-sectional shape Q3 of the extruded profile 1 in the adjoining neighboring sections 3 by bending deformation becomes.
  • Figure 7 shows an extruded profile 1 with a corresponding cross-sectional adaptation in the profile section 2 in different views (a), (b) and (c).
  • the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 in the profile section 2 is trapezoidal and symmetrical to the designated bending plane B, so that it is continuously and linearly tapered starting from the designated bending outside BA to the designated bending inner side Bl.
  • the major axis of the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 in the profile section 2, ie the largest dimension of the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1, runs in the bending plane B.
  • the centroid F2 of the cross-sectional shape Q2 in the designated profile section 2 with respect to the profile axis A to the designated bending outside BA added.
  • the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 in the profile section 2 is not uniform along the profile axis A.
  • the profile section 2 is arranged between two neighboring sections 3 adjacent to the profile axis A.
  • an oblique wedge section 2b the offset of the centroid F2 of the cross-sectional shape Q2 with respect to the profile axis A in the course along the profile axis A increases from one of the adjoining adjacent sections 3, remains constant in a wedge-shaped central section 2a and increases in a further oblique wedge section 2b the other of the adjacent neighboring sections 3 again.
  • the surfaces of the wedge portions 2b and the center portion 2a are preferably in planes meeting at an imaginary point.
  • This imaginary point preferably corresponds to the later bending / bending center.
  • the described cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 in the profile section 2, which is suitable in particular for (edgewise) bending of individual sheets alternately with straight adjacent sections 3, can be produced, for example, by applying material to the designated bending exterior BA and / or material removal at the designated bending inner side B1, for example, starting from an extruded profile 1 with a respect to the profile axis A constant cross-sectional shape.
  • the area of the cross-sectional shape Q2, Q2 'of the extruded profile 1 in the profile section 2, 2' decreases in the bending deformation, wherein the dimension of the cross-sectional shape Q2, Q2 'of the extruded profile 1 in the bending plane B between Biegeau type #1 and Biegeinnenseite Bl remains constant, while the dimension of the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 is reduced perpendicular to the bending plane B.
  • the cross-sectional shape Q2 'of the extruded profile 1 in the profile section 2' from trapezoidal to rectangular changed so that the upper and lower sides of the cross-sectional shape Q2 'after the bending deformation exactly parallel to each other and possibly exactly parallel to the bending plane B extend.
  • the cross-sectional shape Q2 'of the extruded profile 1 in the profile section 2 is adapted to the cross-sectional shape Q3 of the extruded profile 1 in the adjoining neighboring sections 3, so that the cross-sectional shape Q2', Q3 of the extruded profile 1 after the bending deformation both in the profile section 2 and adjacent sections 3 adjacent thereto is rectangular and the main axis of the cross-sectional shape Q2 of the extruded profile 1 in the profile section 2 in the bending plane B runs.
  • the bending center or the bending / bending center is in the present case very close to the bending inside ⁇ , wherein the bending radius in the profile section 2 'is comparatively small and in the range of 50% to about 100% of the dimension of the cross-sectional shape Q2' in the bending plane B is located.
  • the centroid F2 of the cross-sectional shape Q2 is displaced by the amount AFS in the direction of the profile axis A, so that the centroid F2 'of the transformed cross-sectional shape Q2' - as well as the centroid F3 of the cross-sectional shape Q3 in the adjacent sections 3 - after step B ideally coincides with the profile axis A.
  • the extruded profile 1 comprises after step B a curved in the bending plane B profile section 2 'between two straight neighboring sections 3.
  • the bent-formed extruded profile V comprises a plurality of curved profile sections 2', each extending between two adjacent neighboring sections 3.
  • An exemplary coil made according to the method of the invention comprises a plurality of turns each having e.g. four 90 ° bent profile sections 2 ', which alternate with straight neighboring sections 3, wherein the turns of the extruded profile 1 along the winding axis, i. perpendicular to the bending plane, contact surface.
  • the extruded profile 1 can be produced entirely by extrusion with a constant cross-sectional shape along the profile axis A, as will be explained below with reference to FIG. Since trapezoidal cross-sections in the extrusion process usually can not be easily produced, a double or multiple profile P2a, P2b is preferably generated from a rectangular profile Pi a, which has a cross-sectional shape corresponding to two mirror-symmetrical trapezoids along their shorter (P2a) or longer parallel sides (P2b) are interconnected.
  • This double or multiple Subject profile P2a, P2b is subsequently separated along a plane of symmetry into two individual profiles P3a, P3b in order to have the cross-sectional shape specified in step A.
  • the profile P4 of an edgewise winding after bending deformation ideally has a uniform cross-sectional shape along the profile axis and a uniform bending radius along the profile axis, so that the turns of the extruded profile 1 can contact each other in the winding direction or perpendicular to the bending plane.
  • the solution for the production of forming tapes for edgewise wrapping is thus to roll a single profile P3a, P3b after separation of a double or even multiple profile P2a, P2b generated from an initially rectangular extruded profile Pi a to produce the profile P4 of a vertical winding while avoiding curvature ,
  • the material structure in the bend can be analyzed and thus it can be proven with which method this area is manufactured. If a bent round wire P1 b, as shown for example in Figure 6, brought by pressing in the desired cross section P2c, the orientation of the grains is different, as if the extruded profile 1 is produced directly with a cross section in which the centroid F2 of the cross-sectional shape Q2 in the profile section 2 with respect to the profile axis A to the designated bending outside BA is offset.
  • Main fields of application of the invention are electrical machines (generators, motors, transformers) and components (coils, chokes). Furthermore, the invention can be used advantageously wherever flat profiles must be bent around tight radii and the usual change in the cross-section leads to disadvantages.
  • Such an application field is, for example, the winding of laminated cores of electrical machines from tapes of Electroblech. Due to the customary change of the cross-section, this becomes trapezoidal and is thus unsuitable for stacking and likewise for caking of the layers by means of thin layers. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Bending Of Plates, Rods, And Pipes (AREA)

Abstract

Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen (1), und insbesondere ein Verfahren zum Hochkantbiegen bzw. -wickeln vorwiegend flacher Profile mit angepassten Querschnitten. Um ein biegeverformtes Strangprofil (1) mit näherungsweise konstantem Querschnitt und minimierter Stapelhöhe möglichst einfach und kostengünstig herzustellen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen (1) die folgenden Schritte: - Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse (A) erstreckenden Strangprofils (1) mit wenigstens einem Profilabschnitt (2), in welchem der Flächenschwerpunkt (F2) der Querschnittsform (Q2) bezüglich der Profilachse (A) versetzt ist. - Schritt B: Biegeumformung des wenigstens einen Profilabschnitts (2'), sodass der Flächenschwerpunkt (F2') der Querschnittsform (Q2') in Richtung der Profilachse (A) verlagert wird und/oder mit der Profilachse (A) zusammenfällt.

Description

Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule durch Biegeumformung von Strangprofilen nach diesem Verfahren.
Das durch die vorliegende Erfindung zu lösende, technische Problem ist die Querschnittsänderung bzw. -deformation beim Biegen von Strangprofilen, insbesondere beim Hochkantbiegen von Flachprofilen mit engen Radien. Dies betrifft das Hochkantbiegen von Einzelbögen zwischen abschnittsweisen geraden Profilabschnitten wie auch das kontinuierliche Biegen, hier Hochkantwickeln genannt, von Endlosprofilen. Die zu biegenden Profile werden im Rahmen dieser Erfindung als Strangprofile bezeichnet.
Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen, wie Generatoren, Elektromotoren, und anderer Leistungskomponenten, wie Transformatoren und Drosseln, werden zunehmend Spulen aus Runddraht durch Spulen aus Rechteckdraht bzw. aus Drähten mit angepass- ten Querschnitten ersetzt. Hierdurch lässt sich der Füllfaktor von paketierten Runddrähten von ca. 55% auf eine Größenordnung von 90% erhöhen. Zusätzlich wird der Zwischenraum, der sonst mit Luft gefüllt ist, vermieden. Dadurch wird die Wärmeableitung erhöht, was eine bessere Entwärmung der Leistungsabschnitte der Spulen zur Folge hat und zur Steigerung der Performance genutzt werden kann.
Beim Hochkantbiegen bzw. Hochkantwickeln von Strangprofilen ändert sich deren Profilquerschnitt in einem gebogenen Profilabschnitt nachteilig, insbesondere bei engen Biegeradien und hohen Verhältnissen von Profilbreite zu -höhe. Im Allgemeinen wird dabei der Außenbogen an der Biegeaußenseite des Strangprofils durch die Streckung ausgedünnt, wohingegen der Innenbogen an der Biegeinnenseite des Strangprofils gestaucht wird und somit aufdickt. Die Querschnittsänderung führt dazu, dass bei der Herstellung einer elektrotechnischen Spule durch Hochkantbiegen oder -wickeln eines flachen Strangprofils die Stapelhöhe des Paketes - und damit der notwendige Bauraum - wächst. Wesentlich nachteiliger ist aber der Verlust des großflächigen Kontakts zwischen benachbarten Windungen zur Wärmeabfuhr. In Figur 1 sind die Änderungen der Querschnittsform und der Stapelhöhe je Windung des Strangprofils durch Ansichten vor (Q, H) und nach (Q', H') der Biegeverformung dargestellt, wobei der Flächenkontakt zwischen den Einzelwindungen auf einen Linienkontakt am Innenbogen verringert ist.
Ein weiteres technisches Problem gleicher Natur betrifft die Fertigung von schmalen Blechpaketen aus Bandmaterial, wie schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Durch einfaches Wickeln oder Krümmen dünnt der Außenbogen aus und es treten Abweichungen von der ideal rechteckigen Querschnittsform auf. Beim Stapeln solcher Einzelwindungen mit abweichender Querschnittsform (Q') und Fügen auf einen Läufer (L) verschieben sich diese, bzw. können nicht wie gewünscht angeordnet werden.
Bisher wurde die Änderung des Querschnitts bei gewundenen Blechpaketen in Kauf genommen bzw. gezielt eingestellt, wie aus DE 1 037 574 B, DE 270 52 06 A1 , DE 103 58 693 A1 , US 2,845,555 A und US 3,708,706 A ersichtlich ist. Ähnliches gilt ebenfalls für Formspulen aus Leitermaterial.
Bei gewickelten Spulen wird in der Regel ebenso die Änderung des Querschnitts beim Hochkantbiegen in Kauf genommen. Zur Stabilisierung der Eckenbereiche werden mitunter Stützscheiben, wie in EP 2 301 050 B1 , eingesetzt. Dadurch wird ein Ausbeulen verhindert und auch die Aufdickung am Innenbogen verringert. Dennoch ändert sich der Flachleiterquerschnitt lokal von ideal rechteckig zu trapezförmig.
Durch Pressen des Bereiches mit Querschnittsänderungen lässt sich die Überhöhung am Innenbogen platt drücken, so dass der Nachteil der Erhöhung der Stapelung vermieden wird. Dies ist aber aufwendig und führt zu inhomogenen Querschnitten entlang des Strangprofils.
Ein weiterer Ansatz zur Vermeidung der Überhöhung am Innenbogen besteht in der Überlagerung des Hochkantbiegens mit axialen Zugspannungen, wie in Figuren 3 und 4 anhand eines Strangprofils (1 ) mit verschiedenen Abschnitten (1 a, 1 b, 1 c) schematisch dargestellt ist. Durch ein mit axialen Zugspannungen überlagertes Hochkantbiegen (in Abschnitt 1 b) gelingt es, die neutrale Biegefaser aus der mittigen Lage (NF') zum Innenbogen hin zu verlagern (NF"), sodass die Aufdickung des Innenbogens in der biegeverformten Querschnittsform (Q') im Vergleich zu dem reinen Hochkantbiegen (Q") reduziert werden kann. Jedoch dünnt der Außenbogen umso stärker aus. Hierdurch vermeidet man die Vergrößerung der Stapelhöhe. Der geringe Flächenkontakt zur Wärmeabfuhr bleibt aufgrund der veränderten und von der idealen Rechteckform abweichenden Querschnittsform (Q'; Q") aber als kritischer Nachteil bestehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Biegeverformung von Strangprofilen unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bereitzustellen, um ein biegeverformtes Strangprofil mit näherungsweise konstantem Querschnitt und minimierter Stapelhöhe möglichst einfach und kostengünstig herzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung das Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen nach Anspruch 1 bereit, welches die folgenden Schritte umfasst: Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse erstreckenden Strangprofils mit wenigstens einem Profilabschnitt, in welchem der Flächenschwerpunkt der Querschnittsform bezüglich der Profilachse versetzt ist.
Schritt B: Biegeumformung des wenigstens einen Profilabschnitts, sodass der Flächenschwerpunkt der Querschnittsform in Richtung der Profilachse verlagert wird und/oder mit der Profilachse zusammenfällt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der unvermeidlichen Querschnittsänderung des Strangprofils dadurch entgegengewirkt, dass eine komplementär angepasste Querschnittsform in dem zu biegenden Profilabschnitt vorgehalten wird.
Erfindungsgemäß ist der Flächenschwerpunkt der Querschnittsform des Strangprofils in dem zu biegenden Profilabschnitt bezüglich der Profilachse versetzt. Das bedeutet, dass der Flächenschwerpunkt der Querschnittsform in dem zu biegenden Profilabschnitt nicht mit der Profilachse zusammenfällt, weil das Material vor der Biegeumformung bezüglich der Profilachse ungleichmäßig angeordnet ist und sich überwiegend in der Hälfte der designierten Biegeaußenseite befindet.
Bei der Biegeverformung wird das Strangprofil an der Biegeinnenseite (Innenbogen) gestaucht und an der Biegeaußenseite (Außenbogen) ausgedünnt, sodass der Flächenschwerpunkt in Richtung der Biegeinnenseite wandert. Nach der erfolgten Biegeverformung fällt der Flächenschwerpunkt der Querschnittsform des Strangprofils im Profilabschnitt im Idealfall mit der Profilachse des Strangprofils zusammen.
Begriffe und Definitionen
Querschnittsform
Die Querschnittsform des Strangprofils bezieht sich im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung auf einen Querschnitt senkrecht zur Profilachse des Strangprofils, sofern es nicht explizit anders angegeben ist.
Strangprofil, Flachprofil, Profilachse
Der Begriff Strangprofil soll alle Profile erfassen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden können und einer Biegeumformung unterzogen werden können, also insbesondere Endlosprofile und Bandmaterialien, etc.. Das Strangprofil erstreckt sich entlang einer Profilachse und besteht vorzugsweise aus homogenem Material, beispielsweise einem elekt- risch leitenden Werkstoff wie Metall, insbesondere Kupfer, Aluminium, Eisen, Silber oder einer Legierung daraus. Das Strangprofil wird vorzugsweise durch Strangpressen (oder Extrusion im Falle eines Strangprofils aus Kunststoff) hergestellt, bspw. mit einem entlang der Profilachse konstanten Querschnitt. In Vorbereitung einer sequenziellen Biegeumformung können lokale Querschnittsänderungen vorgenommen werden, beispielsweise durch lokalen Materialauftrag und/oder Materialabtrag.
Das Verhältnis der Abmessung der Querschnittsform in der Biegeebene zu der Abmessung der Querschnittsform senkrecht zu der Biegeebene ist vor und/oder nach der Biegeverformung vorzugsweise größer als 1 und beträgt bevorzugt wenigstens 2, 3, 4, 5 oder mehr.
Bei einem Flachprofil ist die Profilbreite (Abmessung der Querschnittsform in der Biegeebene) vor und/oder nach der Biegeverformung größer als die Profilhöhe (Abmessung der Querschnittsform senkrecht zur Biegeebene).
Die Profilachse entspricht vorzugsweise dem Mittelpunkt der maximalen Außenabmessungen der Querschnittsform bzw. dem Mittelpunkt des kleinsten Rechtecks, in welches die Querschnittsform des Strangprofils hineinpasst. Bei einer rechteckigen Querschnittsform des Strangprofils im Profilabschnitt fällt der Flächenschwerpunkt mit der Profilachse zusammen. Bei einer dreieckigen oder trapezförmigen Querschnittsform des Strangprofils im Profilabschnitt ist der Flächenschwerpunkt bezüglich der Profilachse jeweils in Richtung der breiteren Seite der Querschnittsform versetzt.
Flächenschwerpunkt
Der Flächenschwerpunkt der Querschnittsform des Strangprofils ist der geometrische Schwerpunkt dieser Querschnittsform. Mathematisch entspricht dies der Mittelung aller Punkte innerhalb der Querschnittsform. Den Flächenschwerpunkt kann man in einfachen Fällen durch geometrische Überlegungen erhalten, oder allgemein mit Mitteln der Mathematik durch Integration berechnen. Zur Beschreibung der Körper werden die Methoden der analytischen Geometrie verwendet.
Designierter Biegeabschnitt bzw. zu biegender Profilabschnitt
Der designierte Biegeabschnitt bzw. der zu biegende Profilabschnitt ist derjenige Abschnitt des Strangprofils, in dem bestimmungsgemäß eine Biegeverformung erfolgen wird, bevor die Biegung erfolgt ist. Die designierte Biegeaußenseite ist diejenige Seite des Strangprofils, die nach der bestimmungsgemäßen Biegeverformung des Strangprofils den Außenbogen der Biegung beschreibt, jedoch bevor die Biegeverformung erfolgt ist. Die Biegeaußenseite ist von dem Krümmungsmittelpunkt der Biegeverformung abgewandt.
Die designierte Biegeinnenseite ist diejenige Seite des Strangprofils, die nach der bestimmungsgemäßen Biegeverformung des Strangprofils den Innenbogen der Biegung beschreibt, jedoch bevor die Biegeverformung erfolgt ist. Die Biegeinnenseite ist dem Krümmungsmittelpunkt der Biegeverformung zugewandt.
Die Biegeebene ist die Ebene, in welcher die Profilachse des Strangprofils nach erfolgter Biegeverformung liegt.
Hochkantbiegung, Hochkantwicklung
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Biegung eines Strangprofils in Einzelbögen (Hochkantbiegung) oder mit kontinuierlichem Biegeradius (Hochkantwicklung) um die Seite des Strangprofils mit kürzerer Abmessung. Die Abmessung/Erstreckung der Querschnittsform in bzw. entlang der Biegeebene ist vorzugsweise größer als die Abmessung/Erstreckung der Querschnittsform senkrecht zur Biegeebene.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche
Es kann von Vorteil sein, wenn die Querschnittsform des in Schritt A bereitgestellten Strangprofils in dem Profilabschnitt verjüngt ist, vorzugsweise stetig und/oder linear verjüngt ist, wobei diese Querschnittsform bevorzugt symmetrisch ist und/oder trapezförmig ist. Eine derartige Querschnittsform ist vergleichsweise einfach zu bearbeiten, sodass sich nach der Biegeumformung eine symmetrische und gleichmäßige Querschnittsform des Strangprofils ergibt.
Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn die Fläche der Querschnittsform des Strangprofils in dem Profilabschnitt in Schritt B verringert wird, wobei vorzugsweise das Verhältnis der Abmessung dieser Querschnittsform in der Biegeebene zur Abmessung dieser Querschnittsform senkrecht zu der Biegeebene ansteigt, wobei bevorzugt die Abmessung dieser Querschnittsform in der Biegeebene konstant bleibt und/oder die Abmessung dieser Querschnittsform senkrecht zu der Biegeebene verringert wird, wobei besonders bevorzugt die Hauptachse dieser Querschnittsform (d.h. die größte Abmessung der Querschnittsform) vor und/oder nach der Biegeumformung in der Biegeebene verläuft. Dadurch können insbesondere beim Hochkantwickeln und -biegen von Endlosprofilen eine besonders geringe Stapelhöhe und ein hoher Nutfüllfaktor erreicht werden. Es kann nützlich sein, wenn die Querschnittsform des Strangprofils in dem Profilabschnitt in Schritt B derart verändert wird, dass sich zwei Seiten davon nach Schritt B exakt oder im Wesentlichen parallel zueinander und/oder exakt oder im Wesentlichen parallel zur Biegeebene erstrecken, wobei diese Querschnittsform nach Schritt B vorzugsweise rechteckig ist und/oder symmetrisch zur Biegeebene ist, wobei bevorzugt vor und/oder nach Schritt B die Abmessung dieser Querschnittsform in der Biegeebene größer ist als senkrecht zur Biegeebene. In dieser Ausführung lässt sich das Strangprofil in mehreren Windungen besonders kompakt anordnen.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die Querschnittsform des in Schritt A bereitgestellten Strangprofils in dem Profilabschnitt durch Materialauftrag und/oder Materialabtrag hergestellt wird, vorzugsweise ausgehend von einem Strangprofil mit einer entlang seiner Profilachse konstanten Querschnittsform. Dadurch lassen sich Strangprofile herstellen, die insbesondere für das Hochkantbiegen geeignet sind, wobei sich durch die Biegeverformung Wicklungen mit abwechselnd gebogenen und geraden Profilabschnitten darstellen lassen, wobei beispielsweise abwechselnd um 90° gebogene Einzelbögen und geraden Profilabschnitte aufeinander folgen.
Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn der Profilabschnitt zwischen zwei entlang der Profilachse benachbarten Nachbarabschnitten angeordnet ist, wobei die Querschnittsform des Strangprofils im Profilabschnitt in Schritt B exakt oder im Wesentlichen an die Querschnittsform des Strangprofils in den angrenzenden Nachbarabschnitten angeglichen wird, wobei die Querschnittsform des Strangprofils in den an den Profilabschnitt angrenzenden Nachbarabschnitten vor und/oder nach Schritt B vorzugsweise rechteckig ist. Auch dieses Merkmal begünstigt die Herstellung von Strangprofilen für das Hochkantbiegen zur Erzeugung von Wicklungen mit abwechselnd gebogenen und geraden Profilabschnitten.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei dem in Schritt A bereitgestellten Strangprofil der Versatz des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform bezüglich der Profilachse im Verlauf entlang der Profilachse zwischen den an den Profilabschnitt angrenzenden Nachbarabschnitten über den gesamten Profilabschnitt oder wenigstens einen Teil des Profilabschnitts einheitlich ist, wobei der Versatz vorzugsweise ausgehend von einem der angrenzenden Nachbarabschnitte zunimmt und hinführend zu dem anderen der angrenzenden Nachbarabschnitte abnimmt. Insbesondere bei der Herstellung von Einzelbögen zwischen zwei geraden Profilabschnitten ist die durch Biegeverformung verursachte Querschnittsänderung des Strangprofils nicht über den gesamten Profilabschnitt einheitlich. Die Querschnittsänderung ist am Scheitelpunkt der Biegung am größten und an den Randbereichen des Profilabschnitts, jeweils angrenzend an den benachbarten Nachbarabschnitt, am kleinsten. Durch den angepassten Versatz des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform des Strangprofils im Profilabschnitt, bei welchem der Ver- satz ausgehend von einem der angrenzenden Nachbarabschnitte zunimmt und hinführend zu dem anderen der angrenzenden Nachbarabschnitte abnimmt, kann über den gesamten Profilabschnitt nach der Biegeverformung eine weitgehend einheitliche Querschnittsform erzeugt werden.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn das in Schritt A bereitgestellte Strangprofil vorzugsweise im Strangpressverfahren mit einer Querschnittsform hergestellt wird, welche spiegelsymmetrisch bezüglich zweier senkrecht aufeinander stehender Ebenen ist, vorzugsweise in der Form zweier spiegelsymmetrischer Trapeze, die entlang ihrer kürzeren oder längeren parallelen Seiten miteinander verbunden sind, wobei das Strangprofil bevorzugt nachträglich entlang einer Symmetrieebene getrennt wird, um in wenigstens einem Profilabschnitt die in Schritt A spezifizierte Querschnittsform aufzuweisen. Dieses Merkmal erleichtert die Herstellung trapezförmiger Strangprofile. Verbunden mit dem Hochkantwickeln besteht ein technisches Problem in der Herstellung von Profilen (Bändern) mit schlanken trapezförmigen Querschnitten durch Walzverfahren. Erfindungsgemäß wird das gelöst, indem die Einzelprofile als Doppel- oder Mehrfachprofile, insbesondere als Doppel- oder Mehrfachtrapezprofile, gefertigt und nachträglich getrennt werden.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn der Biegeradius der Biegeumformung in Schritt B im Profilabschnitt im Bereich von 0 bis 500%, vorzugsweise 0 bis 200%, bevorzugt 0 bis 100% der Abmessung der Querschnittsform in der Biegeebene beträgt. Bei derartigen Biegeradien kommen die vorteilhaften Wirkungen der beanspruchten Erfindung besonders vorteilhaft zur Geltung.
Es kann aber auch hilfreich sein, wenn die in Schritt B ausgeführte Biegeumformung des Strangprofils im Profilabschnitt durch Walzen erfolgt. Durch Walzen lassen sich über den Biegebereich besonders einheitliche Querschnittsformen erzielen.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn die Profilachse des Strangprofils vor Schritt B eine Gerade und/oder nach Schritt B eine Wicklung mit wenigstens einer Windung bildet.
Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn der Profilabschnitt in Schritt B über die kürzeste Seite seiner Querschnittsform gebogen wird. Bei der sog. Hochkantbiegung/-wicklung kommen die vorteilhaften Wirkungen der beanspruchten Erfindung besonders deutlich zum Vorschein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule unter Biegeverformung eines elektrisch leitenden Strangprofils nach dem Verfahren gemäß einer der vorangehenden Ausführungen, sodass das Strangprofil vorzugsweise eine ent- lang der Profilachse einheitliche Querschnittsform und/oder einen entlang der Profilachse einheitlichen Biegeradius oder abwechselnd gerade und gebogene Abschnitte aufweist, wobei sich die Windungen des Strangprofils bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Biegeebene flächig kontaktieren. Im Falle abwechselnd gerader und gebogener Abschnitte beträgt der Biegewinkel der Biegeumformung in Schritt B pro Biegung bei n Biegungen pro Windung 3607n, d.h. 90° bei vier Biegungen pro Windung, 60° bei sechs Biegungen pro Windung, usw.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen und Figuren offenbarten Merkmale mit Merkmalen aus der Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch die Änderung eines rechteckigen Querschnittes eines herkömmlichen Strangprofils aufgrund der Biegeumformung beim Hochkantbiegen und -wickeln gemäß STAND DER TECHNIK, und die damit verursachte Verringerung des Flächenkontakts der Einzelwindungen sowie die theoretische Erhöhung des Stapels pro Windung durch Änderung der Höhe des Querschnittes vor (H) und nach (Η') der Biegung, die sich mit der Anzahl der Windungen multipliziert, wobei der Querschnitt (Q) des herkömmlichen Strangprofils vor der Biegeumformung im Umriss in gestrichelter Linie dargestellt ist und der Querschnitt (Q') des herkömmlichen Strangprofils nach der Biegeumformung in durchgehender Linie und schraffiert dargestellt ist.
Figur 2 zeigt den real auftretenden Stapelfehler beim Fügen der Wicklung des herkömmlichen Strangprofils mit biegeverformten Querschnitt (Q') gemäß STAND DER TECHNIK aus Fig. 1 auf einen Läufer (L).
Figur 3 zeigt schematisch ein gerades Strangprofil (1 ) gemäß STAND DER TECHNIK mit rechteckigem Querschnitt, umfassend einen Profilabschnitt (1 b) und zwei entlang der Profilachse angrenzende Nachbarabschnitte (1 a, 1 c), in der Draufsicht von oben, d.h. senkrecht zu einer designierten Biegeebene.
Figur 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein gebogenes Profil (1 ') gemäß STAND DER TECHNIK mit rechteckigen Querschnitten in den geraden Nachbarabschnitten (1 a, 1 c) und deformiertem, trapezförmigen Querschnitt (Q', Q") im dazwischen liegenden Profilabschnitt (1 b), wobei sich die Querschnittsform im Profilabschnitt (1 b) je nach Biegung ohne (Q') und mit überlagerter Zugspannung (Q') und den daraus resultierenden neutralen Fasern (3a, 3b) unterscheidet. Figur 5 zeigt in Ansicht (a) eine perspektivische und schematische Darstellung eines geraden Abschnitts eines Strangprofils (1 ) mit einem Profilabschnitt (2) zwischen zwei entlang der Profilachse benachbarten Nachbarabschnitten (3), wobei die Querschnittsform des Strangprofils (1 ) in dem Profilabschnitt (2) trapezförmig ist und sich von der designierten Biegeaußenseite (BA) zur designierten Biegeinnenseite (Bl) kontinuierlich und stetig verjüngt; und in Ansicht (b) eine perspektivische und schematische Darstellung eines um 90° gebogenen Abschnitts eines Strangprofils (1 ) mit durchgehend einheitlichem Rechteckquerschnitt nach Biegeverformung in dem Profilabschnitt (2), wobei die Biegeebene die Hauptachse der Querschnittsform des Strangprofils (1 ) vor und nach der Biegung einschließt, wobei die Querschnittsform des Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2) nach der erfolgten Biegung an die Querschnittsform des Strangprofils (1 ) in den benachbarten Nachbarabschnitten (3) angeglichen und ebenfalls rechteckig ist.
Figur 6 zeigt schematisch Prozessketten zur Herstellung von Mehrfach-Strangprofilen bzw.
Formbändern (P2a, P2b) durch Walzen von Bändern (Pi a), Spalten (P3a, P3b) der Mehrfach-Strangprofile bzw. Formbänder zu Einzel-Strangprofilen bzw. Formbänden und anschließenden Hochkantwickeln/-biegen (P4). Alternativ lassen sich auch einzelne Formbänder (P2c) durch Drahtziehen aus rundem Querschnitt (P1 b) realisieren.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht (a), eine Vorderansicht (b) und eine Schnittansicht (c) eines geraden Strangprofils (1 ) mit einem Profilabschnitt (2) zwischen zwei entlang der Profilachse (A) benachbarten Nachbarabschnitten (3), wobei die Querschnittsform des Strangprofils (1 ) in dem Profilabschnitt (2) trapezförmig ist und sich von der designierten Biegeaußenseite (BA) zur designierten Biegeinnenseite (Bl) kontinuierlich und stetig verjüngt.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen 1 erfolgt im Wesentlichen in zwei Schritten, nämlich:
Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse A erstreckenden Strangprofils 1 mit wenigstens einem Profilabschnitt 2, in welchem der Flächenschwerpunkt F2 der Querschnittsform Q2 bezüglich der Profilachse A versetzt ist. Schritt B: Biegeumformung des wenigstens einen Profilabschnitts 2', sodass der Flächenschwerpunkt F2' der Querschnittsform Q2' in Richtung der Profilachse A verlagert wird und mit der Profilachse A zusammenfällt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der unvermeidlichen Querschnittsänderung des Strangprofils 1 im Profilabschnitt 2 aufgrund der Biegeumformung in Schritt B des Verfahrens dadurch entgegengewirkt, dass bereits in Schritt A eine komplementär angepasste Querschnittsform vorgehalten wird.
Bei einer sequenziellen Biegeumformung (Hochkantbiegung) ist die Querschnittsanpassung entsprechend lokal, bei einer kontinuierlichen Biegeumformung (Hochkantwicklung), insbesondere mit konstantem Biegeradius, entlang des gesamten Strangprofils 1 vorzusehen. In dem Profilabschnitt 2 wird eine entsprechende Materialaufdickung vorgenommen, die beim Biegen so verändert wird, dass nach dem Biegen wie in den benachbarten Nachbarabschnitten 3 bzw. zwischen den Biegungen die gewünschte ideal rechteckige Querschnittsform Q2' vorliegt.
Im Folgenden werden die bevorzugten Anwendungsfälle der beanspruchten Erfindung, nämlich Hochkantbiegen und Hochkantwickeln, im Einzelnen betrachtet:
Hochkantbiegen
In Figur 5 sind sowohl das in dem Profilabschnitt 2 lokal angepasste Strangprofil 1 als auch das daraus gebogene Strangprofil 1 schematisch dargestellt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist der Profilabschnitt 2 zwischen zwei entlang der Profilachse A benachbarten Nachbarabschnitten 3 angeordnet, wobei die Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 in dem Profilabschnitt 2 durch Biegeumformung exakt oder im Wesentlichen an die Querschnittsform Q3 des Strangprofils 1 in den angrenzenden Nachbarabschnitten 3 angeglichen wird.
Figur 7 zeigt ein Strangprofil 1 mit einer entsprechenden Querschnittsanpassung in dem Profilabschnitt 2 in verschiedenen Ansichten (a), (b) und (c).
Wie insbesondere in Fig. 7(c) anschaulich dargestellt ist, ist die Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 in dem Profilabschnitt 2 trapezförmig und symmetrisch zur designierten Biegeebene B, sodass sie ausgehend von der designierten Biegeaußenseite BA zur designierten Biegeinnenseite Bl stetig und linear verjüngt ist. Die Hauptachse der Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 in dem Profilabschnitt 2, d.h. die größte Abmessung der Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 , verläuft in der Biegeebene B. Dadurch ist der Flächenschwerpunkt F2 der Querschnittsform Q2 im designierten Profilabschnitt 2 bezüglich der Profilachse A zur designierten Biegeaußenseite BA versetzt. Wie in Figur 7(a) und (b) dargestellt ist, ist die Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 in dem Profilabschnitt 2 im Verlauf entlang der Profilachse A nicht einheitlich. Der Profilabschnitt 2 ist zwischen zwei entlang der Profilachse A benachbarten Nachbarabschnitten 3 angeordnet. In einem schrägen Keilabschnitt 2b nimmt der Versatz des Flächenschwerpunkts F2 der Querschnittsform Q2 bezüglich der Profilachse A im Verlauf entlang der Profilachse A ausgehend von einem der angrenzenden Nachbarabschnitte 3 zu, bleibt in einem keilförmigen Mittelabschnitt 2a konstant und nimmt in einem weiteren schrägen Keilabschnitt 2b hinführend zu dem anderen der angrenzenden Nachbarabschnitte 3 wieder ab. Die Oberflächen der Keilabschnitte 2b und des Mittelabschnitts 2a liegen vorzugsweise in Ebenen, die sich in einem imaginären Punkt treffen. Dieser imaginäre Punkt entspricht bevorzugt dem späteren Biege- /Krümmungsmittelpunkt. Die beschriebene Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 im Profilabschnitt 2, die sich insbesondere zur (Hochkant-)Biegung von Einzelbögen abwechselnd mit geraden Nachbarabschnitten 3 eignet, kann beispielsweise durch Materialauftrag an der designierten Biegeaußenseite BA und/oder Materialabtrag an der designierten Biegeinnenseite Bl hergestellt werden, beispielsweise ausgehend von einem Strangprofil 1 mit einer bezüglich der Profilachse A konstanten Querschnittsform.
Wie durch die Strichlinie in Fig. 7(c) angedeutet ist, verringert sich die Fläche der Querschnittsform Q2, Q2' des Strangprofils 1 im Profilabschnitt 2, 2' bei der Biegeumformung, wobei die Abmessung der Querschnittsform Q2, Q2' des Strangprofils 1 in der Biegeebene B zwischen Biegeaußenseite BA und Biegeinnenseite Bl konstant bleibt, während sich die Abmessung der Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 senkrecht zur Biegeebene B verringert.
Durch die Biegeumformung, z.B. durch Walzen, wird die Querschnittsform Q2' des Strangprofils 1 im Profilabschnitt 2' von trapezförmig zu rechteckig verändert, sodass sich die Ober- und Unterseiten der Querschnittsform Q2' nach der Biegeumformung exakt parallel zueinander und ggf. exakt parallel zur Biegeebene B erstrecken. Dabei wird die Querschnittsform Q2' des Strangprofils 1 im Profilabschnitt 2 an die Querschnittsform Q3 des Strangprofils 1 in den angrenzenden Nachbarabschnitten 3 angeglichen, sodass die Querschnittsform Q2', Q3 des Strangprofils 1 nach der Biegeumformung sowohl im Profilabschnitt 2 als auch den daran angrenzenden Nachbarabschnitten 3 rechteckig ist und die Hauptachse der Querschnittsform Q2 des Strangprofils 1 im Profilabschnitt 2 in der Biegeebene B verläuft. Das Biegezentrum bzw. der Biege-/Krümmungsmittelpunkt liegt im vorliegenden Fall sehr dicht an der Biegeinnenseite ΒΓ, wobei der Biegeradius im Profilabschnitt 2' vergleichsweise klein ist und im Bereich von 50% bis ca. 100% der Abmessung der Querschnittsform Q2' in der Biegeebene B liegt. Bei der Biegeumformung in Schritt B wird der Flächenschwerpunkt F2 der Querschnittsform Q2 um den Betrag AFS in Richtung der Profilachse A verlagert, sodass der Flächenschwerpunkt F2' der umgeformten Querschnittsform Q2' - ebenso wie der Flächenschwerpunkt F3 der Querschnittsform Q3 in den Nachbarabschnitten 3 - nach Schritt B idealerweise mit der Profilachse A zusammenfällt.
Während die Profilachse A des Strangprofils 1 vor Schritt B eine Gerade bildet, umfasst das Strangprofil 1 nach Schritt B einen in der Biegeebene B gebogenen Profilabschnitt 2' zwischen zwei geraden Nachbarabschnitten 3. Bei einer Hochkantbiegung umfasst das biegeverformte Strangprofil V mehrere gebogene Profilabschnitte 2', die sich jeweils zwischen zwei benachbarten Nachbarabschnitten 3 erstrecken. Eine beispielhafte Spule, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, umfasst mehrere Windungen mit jeweils z.B. vier um 90° gebogenen Profilabschnitten 2', die sich mit geraden Nachbarabschnitten 3 abwechseln, wobei sich die Windungen des Strangprofils 1 entlang der Wicklungsachse, d.h. senkrecht zur Biegeebene, flächig kontaktieren. Zur Realisierung der lokalen bzw. kontinuierlichen Materialanhäufung, die zu einem Versatz des Flächenschwerpunkts der Querschnittsform Q2 im Profilabschnitt 2 zur designierten Biegeaußenseite BA führt, lassen sich verschiedene Verfahren einsetzen:
Urformen
- Gießen
Stranggießen mit sequentiellen Materialanhäufungen Strangpressen mit unterschiedlichen Querschnitten (aktive Matrize) generative Verfahren (SLM, selective laser melting, Sintern) Umformen Schmieden
- freies Anstauchen
- Anstauchen im Gesenk Drahtziehen (mit aktiver Matrize)
- Trennen, Abtragen
Fräsen (Trennen mit definierter Schneide) Schleifen (Trennen mit Undefinierter Schneide) - Ätzen (Trennen durch chemische und oder elektrische Wirkung). Das Biegen selbst kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Zum Beispiel durch: Rotationszugbiegen
Rotationszugbiegen mit überlagerter axialer Zugspannung
Rotationszugbiegen mit überlagerter Pressung durch flache Backen
Rotationszugbiegen mit überlagerter Pressung durch pendelnde Walzen (Axialgesenkwalzen)
Flachwalzen der Materialanhäufung.
Der wichtigste Vorteil beim Hochkantbiegen von elektrisch leitfähigen Strangprofilen für Formspulen ist die Erreichung des gewünschten ideal rechteckigen Querschnitts und des damit verbundenen hohen Füllgrads sowie des großflächigen Kontakts zur verbesserten Wärmeabfuhr zwischen den Einzelwindungen und der äußeren Umgebung. Mit dem Füllgrad und der verbesserten Wärmeabfuhr erhöht sich die realisierbare Leistungsdichte, und der Materialeinsatz für gleiche Performance wird minimiert.
Je nach Kombination der Verfahren zur Herstellung der Materialanhäufung und der Realisierung der Biegung kann dies flexibel erfolgen. Vorteil hierbei ist, dass so unterschiedlich große Spulen mit verschiedenen Windungszahlen gefertigt werden können. Es wird je Leiterquerschnitt und Biegeradius nur ein Satz an Gesenk-, Form- und Klemmbacken benötigt, und damit kann eine große Bandbreite an Spulen gefertigt werden. Prototypen und kleine Stückzahlen lassen sich so wirtschaftlich produzieren.
Hochkantwickeln
Für Hochkantwicklungen kann das Strangprofil 1 gänzlich im Strangpressverfahren mit einer entlang der Profilachse A konstanten Querschnittsform hergestellt werden, wie nachstehend mit Bezug auf Figur 6 erläutert wird. Da sich trapezförmige Querschnitte im Strangpressverfahren in der Regel nicht einfach herstellen lassen, wird vorzugsweise aus einem Rechteckprofil Pi a zunächst ein Doppel- oder Mehrfachprofil P2a, P2b erzeugt, welches eine Querschnittsform entsprechend zweier spiegelsymmetrischer Trapeze aufweist, die entlang ihrer kürzeren (P2a) oder längeren parallelen Seiten (P2b) miteinander verbunden sind. Dieses Doppel- oder Mehr- fachprofil P2a, P2b wird nachträglich entlang einer Symmetrieebene in zwei Einzelprofile P3a, P3b getrennt wird, um die in Schritt A spezifizierte Querschnittsform aufzuweisen. Das Profil P4 einer Hochkantwicklung weist nach der Biegeumformung idealerweise eine entlang der Profilachse einheitliche Querschnittsform und einen entlang der Profilachse einheitlichen Biegeradius auf, sodass sich die Windungen des Strangprofils 1 im Wicklungsrichtung bzw. senkrecht zur Biegeebene flächig kontaktieren können. Der Lösungsansatz zur Herstellung von Formbändern zum Hochkantwickeln besteht also darin, ein Einzelprofil P3a, P3b nach Trennung eines aus einem zunächst rechteckigen Strangprofil Pi a erzeugten doppelten oder geradzahligen Mehrfachprofils P2a, P2b zu walzen, um unter Vermeidung von Krümmung das Profil P4 einer Hochkantwicklung zu erzeugen.
Der wichtigste Vorteil beim Hochkantwickeln von Blechbändern zu runden Blechpaketen ist die erreichbare Materialeinsparung. Gegenüber dem Stanzen von Einzelringen aus Blechstreifen, wo nur wenige einzelne Prozente des eingesetzten Materials genutzt werden, lässt sich beim Hochkantwickeln das Bandmaterial nahezu vollständig nutzen. Materialausnutzungsgrade von über 90% sind erreichbar.
Mittels geringen apparativen Aufwands lässt sich das Materialgefüge in der Biegung analysieren und so nachweisen, mit welchen Verfahren dieser Bereich gefertigt wird. Wird ein gebogener Runddraht P1 b, wie beispielsweise in Figur 6 dargestellt, durch Pressen in den gewünschten Querschnitt P2c gebracht, ist die Orientierung der Körner eine andere, als wenn das Strangprofil 1 direkt mit einem Querschnitt erzeugt wird, bei welchem der Flächenschwerpunkt F2 der Querschnittsform Q2 im Profilabschnitt 2 bezüglich der Profilachse A zur designierten Biegeaußenseite BA versetzt ist.
Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind elektrische Maschinen (Generatoren, Motoren, Transformatoren) und Komponenten (Spulen, Drosseln). Weiterhin lässt sich die Erfindung überall dort vorteilhaft anwenden, wo flache Profile um enge Radien gebogen werden müssen und die übliche Änderung des Querschnitts zu Nachteilen führt. Ein solches Anwendungsfeld ist beispielsweise das Wickeln von Blechpaketen elektrischer Maschinen aus Bändern von Elekt- roblech. Durch die üblicherweise Änderung des Querschnitts wird dieser trapezförmig und ist damit für eine Stapelung ungeeignet und ebenso für ein Verbacken der Lagen mittels dünner Schichten. Bezugszeichenliste
1 Strangprofil (vor Biegeumformung im Profilabschnitt)
1 a-c Abschnitte des Strangprofils (vor Biegeumformung) - STAND DER TECHNIK
V Strangprofil (nach Biegeumformung im Profilabschnitt)
2 Profilabschnitt (vor Biegeumformung)
2' Profilabschnitt (nach Biegeumformung)
3 Nachbarabschnitt
A Profilachse
B Biegeebene
BA Biegeaußenseite (vor Biegeumformung)
BA Biegeaußenseite (nach Biegeumformung)
Bl Biegeinnenseite (vor Biegeumformung)
ΒΓ Biegeinnenseite (nach Biegeumformung)
F2 Flächenschwerpunkt (vor Biegeumformung)
F2' Flächenschwerpunkt (nach Biegeumformung)
H Höhe Einzelwindung (vor Biegeumformung) - STAND DER TECHNIK
H' Höhe Einzelwindung (nach Biegeumformung) - STAND DER TECHNIK
L Läufer - STAND DER TECHNIK
NF'," Neutrale Faser (Biegung mit/ohne überlagerte Zugspannung)- STAND DER TECHNIK
Q Querschnittsform Einzelwindung (vor Biegeumformung) - STAND DER TECHNIK
Q'," Querschnittsform Einzelwindung (nach Biegeumformung) - STAND DER TECHNIK
Q2 Querschnittsform im Profilabschnitt (vor Biegeumformung)
Q2' Querschnittsform im Profilabschnitt (nach Biegeumformung)
Q3 Querschnittsform im Nachbarabschnitt

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Biegeumformung von Strangprofilen (1 ), umfassend die Schritte: a. Schritt A: Bereitstellen eines sich entlang einer Profilachse (A) erstreckenden Strangprofils (1 ) mit wenigstens einem Profilabschnitt (2), in welchem der Flächenschwerpunkt (F2) der Querschnittsform (Q2) bezüglich der Profilachse (A) versetzt ist. b. Schritt B: Biegeumformung des wenigstens einen Profilabschnitts (2'), sodass der Flächenschwerpunkt (F2') der Querschnittsform (Q2') in Richtung der Profilachse (A) verlagert wird und/oder mit der Profilachse (A) zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform (Q2) des in Schritt A bereitgestellten Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2) verjüngt ist, vorzugsweise stetig und/oder linear verjüngt ist, wobei diese Querschnittsform (Q2) besonders bevorzugt symmetrisch ist und/oder trapezförmig ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Querschnittsform (Q2, Q2') des Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2, 2') in Schritt B verringert wird, wobei vorzugsweise das Verhältnis der Abmessung dieser Querschnittsform (Q2, Q2') in der Biegeebene (B) zur Abmessung dieser Querschnittsform (Q2, Q2') senkrecht zu der Biegeebene (B) ansteigt, wobei bevorzugt die Abmessung dieser Querschnittsform (Q2, Q2') in der Biegeebene (B) konstant bleibt und/oder die Abmessung dieser Querschnittsform (Q2) senkrecht zu der Biegeebene (B) verringert wird, wobei besonders bevorzugt die Hauptachse dieser Querschnittsform (Q2) vor und/oder nach der Biegeumformung in der Biegeebene (B) verläuft.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform (Q2') des Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2, 2') in Schritt B derart verändert wird, dass sich zwei Seiten davon nach Schritt B exakt oder im Wesentlichen parallel zueinander und/oder exakt oder im Wesentlichen parallel zur Biegeebene (B) erstrecken, wobei diese Querschnittsform (Q2') nach Schritt B vorzugsweise rechteckig ist und/oder symmetrisch zur Biegeebene (B) ist, wobei bevorzugt vor und/oder nach Schritt B die Abmessung dieser Querschnittsform (Q2, Q2') in der Biegeebene (B) größer ist als die Abmessung senkrecht zur Biegeebene (B).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform (Q2) des Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2) durch Materialauf- 2 trag und/oder Materialabtrag hergestellt wird, vorzugsweise ausgehend von einem Strangprofil (1 ) mit einer entlang seiner Profilachse (A) konstanten Querschnittsform.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilabschnitt (2) zwischen zwei entlang der Profilachse (A) benachbarten Nachbarabschnitten (3) angeordnet ist, wobei die Querschnittsform (Q2) des Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2) in Schritt B exakt oder im Wesentlichen an die Querschnittsform (Q3) des Strangprofils (1 ) in den angrenzenden Nachbarabschnitten (3) angeglichen wird, wobei die Querschnittsform (Q3) des Strangprofils (1 ) in den an den Profilabschnitt (2) angrenzenden Nachbarabschnitten (3) bezüglich der Profilachse (A) vor und/oder nach Schritt B vorzugsweise rechteckig ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem in Schritt A bereitgestellten Strangprofil (1 ) der Versatz des Flächenschwerpunkts (F2) der Querschnittsform (Q2) bezüglich der Profilachse (A) im Verlauf entlang der Profilachse (A) zwischen den an den Profilabschnitt (2) angrenzenden Nachbarabschnitten (3) über den gesamten Profilabschnitt (2) oder wenigstens einen Teil des Profilabschnitts (2) einheitlich ist, wobei der Versatz vorzugsweise ausgehend von einem der angrenzenden Nachbarabschnitte (3) zunimmt und hinführend zu dem anderen der angrenzenden Nachbarabschnitte (3) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt A bereitgestellte Strangprofil (1 ) vorzugsweise im Strangpressverfahren mit einer Querschnittsform hergestellt wird, welche spiegelsymmetrisch bezüglich zweier senkrecht aufeinander stehender Ebenen ist, vorzugsweise in der Form zweier spiegelsymmetrischer Trapeze, die entlang ihrer kürzeren oder längeren parallelen Seiten miteinander verbunden sind, wobei das Strangprofil (1 ) bevorzugt nachträglich entlang einer Symmetrieebene getrennt wird, um in wenigstens einem Profilabschnitt (2) die in Schritt A spezifizierte Querschnittsform aufzuweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeradius der Biegeumformung in Schritt B im Profilabschnitt (2) im Bereich von 0 bis 500%, vorzugsweise 0 bis 200%, bevorzugt 0 bis 100% der Abmessung der Querschnittsform in der Biegeebene (B) beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt B ausgeführte Biegeumformung des Strangprofils (1 ) im Profilabschnitt (2) durch Walzen erfolgt. 3
1 1. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilachse (A) des Strangprofils (1 ) vor Schritt B eine Gerade und/oder nach Schritt B eine Wicklung mit wenigstens einer Windung bildet.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilabschnitt (2) in Schritt B über die kürzeste Seite seiner Querschnittsform (Q2) gebogen wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer elektrotechnischen Spule durch Biegeumformung eines elektrisch leitenden Strangprofils (1 ) nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, sodass das Strangprofil (1 ) vorzugsweise eine entlang der Profilachse (A) einheitliche Querschnittsform und/oder einen entlang der Profilachse (A) einheitlichen Biegeradius oder abwechselnd gerade und gebogene Abschnitte aufweist, wobei sich die Windungen des Strangprofils (1 ) bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Biegeebene flächig kontaktieren.
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