-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohres zur Abdichtung eines Rotorraumes von einem Statorraum einer elektrischen Maschine.
-
Typischerweise müssen elektrische Maschinen, insbesondere solche zum Antrieb eines Kraftahrzeugs, im Betrieb gekühlt werden. Bei hochperformanten elektrischen Maschinen ist dazu vorzugsweise vorgesehen, Statornuten, in denen die elektrischen Leitungen der Wicklung des Stators durch das Statorblechpaket verlaufen, mit einem Kühlmittel zu durchströmen und die Wickelköpfe an den Stirnseiten des Stators mit dem Kühlmittel zu umspülen.
-
Damit kein Kühlmittel aus den Statornuten und dem Bereich der Wickelköpfe in den Luftspalt zwischen Stator und Rotor gelangt und dort zu hohen Reibungsverlusten führt, muss der Statorraum fluiddicht vom Rotorraum abgedichtet werden.
-
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2016 101 705 A1 ist bekannt, zur Abdichtung vom kühlmitteldurchströmten Statorraum und Rotorraum ein Spaltrohr zu verwenden. Eine Möglichkeit, eine elektrische Maschine mit einem Spaltrohr zu versehen, ist das Spaltrohr direkt an die Innenseite des Statorblechpaketes zu laminieren. Das Auflaminieren weist leider eine Reihe von Nachteilen auf. Zum zuverlässigen Auflaminieren muss sichergestellt sein, dass die Innenseite des Statorblechpaketes stabil ist und keine unerwünschten Öffnungen oder Spalte aufweist. Typische und kostengünstige Verfahren zum Paketieren einzelner Bleche zu einem Statorblechpaket sind das Laserschweißen und das Stanzpaketieren. Beide Verfahren verbinden die Bleche am Statorrücken, also an der Außenseite des Statorblechpaketes miteinander. Durch die fehlende Verbindung der einzelnen Bleche an der Innenseite des Statorblechpaketes kommt es zu Spreizungen, insbesondere an den Zähnen des Statorblechpaketes. Hierdurch entstehen Spalte in welche beim Auflaminieren des Spaltrohres Material eindringen kann. Dieses Material steht dann zur Herstellung des Spaltrohres nicht mehr zur Verfügung, was unter Umständen unerwünschte Abweichungen bei der Wandstärke des Spaltrohres mit sich bringt. Gelöst werden kann das Problem durch die Paketierung der einzelnen Bleche zum Statorblechpaket mit einem Backlack, was aber für eine Serienproduktion von elektrischen Maschinen in der Regel zu kostenintensiv ist.
-
Eine Alternative zum auflaminierten Spaltrohr ist die Bereitstellung eines eigenstabilen Spaltrohres. Eigenstabil ist ein Spaltrohr, wenn es die nötige Formstabilität aufweist, ohne Anliegen an einer Form, wie beispielsweise dem Statorblechpaket, in einer hohlzylindrischen Gestalt zu verbleiben. Das eigenstabile Spaltrohr wird abseits der elektrischen Maschine gefertigt, zur Herstellung der elektrischen Maschine bereitgestellt und in das Statorblechpaket eingeschoben. Anders als beim auflaminierten Spaltrohr stützt sich das eigenstabile Spaltrohr nicht an jeder Stelle am Statorblechpaket ab, sondern ragt insbesondere im Bereich der Wickelköpfe über das Statorblechpaket hinaus. Gerade an diesen Stellen besteht die Gefahr, dass sich das Spaltrohr durch den Druck des Kühlmittels im Statorraum verformt und eventuell geknickt wird. Daher wird das eigenstabile Spaltrohr so dickwandig ausgeführt, dass es dem Druck des Kühlmittels widerstehen kann. Üblich ist ferner, das Spaltrohr an seinen Enden zu verstärken, also durch mehr Material zu verdicken. Zur Herstellung der Verdickungen wird das eigenstabile Spaltrohr zunächst auf seiner gesamten Länge mit der Wandstärke der Verdickungen hergestellt und schließlich so geschliffen, dass seine anfängliche Wandstärke nur noch im Bereich der Verdickungen erhalten ist. Dies macht ein eigenstabiles Spaltrohr sehr teuer. Zudem vergrößert die Dickwandigkeit des Spaltrohres den sogenannten magnetischen Spalt zwischen Stator und Rotor, also den Abstand zwischen dem Eisen des Stators und den Magneten des Rotors.
-
Versteifungsrippen, beispielsweise auf der Außenseite des Spaltrohres, sind in der Lage, dem Spaltrohr die nötige Eigenstabilität zu verleihen, ohne dass das Spaltrohr insgesamt dick und damit schwer ausgeführt sein muss. Nachteilig an diesen Versteifungsrippen ist, dass sie aufwendig auf das Spaltrohr aufgetragen bzw. mit dem Spaltrohr verbunden werden müssen. Alternativ dazu kann ein Spaltrohr auch spanend mit Versteifungsrippen versehen werden, indem das ursprünglich insgesamt dicke Spaltrohr in den Bereichen zwischen den Versteifungsrippen spanend gedünnt wird. Eine derartige Herstellung ist jedoch material- und kostenintensiv und eignet sich somit nicht für die Serienproduktion.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines eigenstabilen Spaltrohrs bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern kostengünstig und materialsparend ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Spaltrohres zur Abdichtung eines Rotorraumes von einem Statorraum einer elektrischen Maschine, wobei in einem ersten Schritt ein Werkstoff auf einen Dorn gewickelt wird, in einem zweiten Schritt der Werkstoff mit mehreren Pressbacken auf den Dorn gepresst wird, wobei der Werkstoff während des zweiten Schrittes ausgehärtet wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, beim Aushärten des Werkstoffes Versteifungsrippen entstehen zu lassen. Die Versteifungsrippen entstehen dabei an den Stellen zwischen den Pressbacken beim Pressen des Werkstoffes auf den Dorn. Die Pressbacken wirken wie eine mehrteilige Form, welche den Werkstoff umgebend angeordnet wird. Beim Pressen des Werkstoffes werden die Bereiche des Werkstoffes, welche an einer Pressbacke anliegend angeordnet sind, gleichmäßig zum Dorn hin gepresst. An den Stoßstellen zwischen den Pressbacken bilden sich jedoch Nasen aus. Diese Nasen dienen als Versteifungsrippen. Das erfindungsgemäße Verfahren führt ferner zu einer exzellenten Oberflächenbeschaffenheit des Spaltrohres. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Spaltrohr weist nur sehr geringe Maßabweichungen auf und muss somit kaum oder gar nicht nachbearbeitet werden.
-
Die Anzahl der hergestellten Versteifungsrippen wird dabei durch die Anzahl der verwendeten Pressbacken bestimmt. Die Verwendung von n Pressbacken führt zu n Zwischenräumen zwischen den Pressbacken und somit ebenfalls zu n Nasen bzw. Versteifungsrippen. Vorzugsweise werden ausschließlich gleichgroße Pressbacken verwendet.
-
Erster Schritt und zweiter Schritt bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass der erste Schritt vor dem zweiten Schritt durchgeführt wird.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Werkstoff im ersten Schritt nass auf den Dorn gewickelt wird. Hierdurch ist eine gute Formbarkeit des Werkstoffes durch das Pressen des Werkstoffes an den Dorn ermöglicht. Vorzugsweise wird der Werkstoff dazu vor dem Wickeln getränkt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Werkstoff ein Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise CFK, ist. Denkbar ist aber auch, dass der Werkstoff ein PPBO-faserverstärkter Kunststoff ist. Faserverstärkte Kunststoffe sind leicht und strapazierfähig und daher gut geeignet, um bei der Herstellung des Spaltrohres verwendet zu werden. PPBO, auch PBO genannt, ist ein Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol). Bekannt sind PPBO-fasern beispielsweise unter dem Markennamen Zylon. Denkbar ist aber auch, dass der Werkstoff ein aramid-faserverstärkter oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Werkstoff während des zweiten Schrittes erhitzt wird. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein rasches Aushärten des Werkstoffes ermöglicht. Denkbar ist, dass zum Erhitzen des Werkstoffs die Spannbacken geheizt werden. Denkbar ist ferner, dass zum Erhitzen des Werkstoffs alternativ oder zusätzlich zu den Spannbacken der Dorn geheizt wird. Darüber hinaus kann die gesamte Einheit bestehend aus Werkstoff, Dorn und Spannbacken beispielsweise in einem Umluftofen erhitzt werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Pressbacken einem ganzzahligen Teiler der Anzahl von Statornuten entspricht, welche an einem Stator der elektrischen Maschine vorgesehen sind, vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anzahl der Pressbacken der Anzahl von Statornuten entspricht, welche an einem Stator der elektrischen Maschine vorgesehen sind. Hierdurch werden auf vorteilhafte Weise genauso viele Versteifungsrippen erzeugt, wie Statornuten vorhanden sind. Die Versteifungsrippen können bei der Herstellung der elektrischen Maschine einfach in den Statornuten angeordnet werden und sorgen neben der mechanischen Stabilität für einen einfachen Zusammenbau der elektrischen Maschine sowie für eine Sicherung gegen Verdrehen des Spaltrohres.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Werkstoff im zweiten Schritt in einer radialen Richtung gepresst wird, wobei der Werkstoff im zweiten Schritt nicht entlang der gesamten Länge des Werkstoffes gepresst wird, wobei die Länge des Werkstoffes vorzugsweise in einer zur radialen Richtung orthogonalen axialen Richtung angeordnet ist. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, an einem axialen Ende der entstehenden Versteifungsrippen einen in Umfangsrichtung umlaufenden Absatz vorzusehen. Dieser Absatz kann bei der Montage der elektrischen Maschine beispielsweise als Anschlag für das Einschieben des Spaltrohres in den Stator dienen.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Spaltrohr zur Abdichtung eines Rotorraumes von einem Statorraum einer elektrischen Maschine, wobei das Spaltrohr einen hohlzylindrischen Grundkörper aufweist, wobei auf einer Außenseite des Grundkörpers mit ihrer Haupterstreckungsrichtung in einer axialen Richtung angeordnete und sich in einer zur axialen Richtung orthogonalen radialen Richtung erstreckende Versteifungsrippen angeordnet sind, wobei die Versteifungsrippen und der Grundkörper einstückig miteinander verbunden sind, wobei die Versteifungsrippen nicht spanend hergestellt sind, wobei das Spaltrohr vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohres hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Spaltrohr ist bei geringem Gewicht eigenstabil und kostengünstig und materialsparend herzustellen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versteifungsrippen nicht entlang der gesamten Länge des Spaltrohres vorgesehen sind, wobei auf der Außenseite des Grundkörpers an einem axialen Ende der Versteifungsrippen ein in Umfangsrichtung umlaufender und sich radialer Richtung erstreckender Absatz vorgesehen ist. Hiermit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, dass das Spaltrohr beim Zusammenbau der elektrischen Maschine sehr exakt positioniert wird. Der Absatz kann dabei als Anschlag für das Einschieben des Spaltrohres in den Stator dienen.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist eine elektrische Maschine aufweisend ein erfindungsgemäßes Spaltrohr.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei das Spaltrohr nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohres hergestellt wird, wobei das Spaltrohr in den Stator der elektrischen Maschine eingeschoben wird, wobei die Versteifungsrippen beim Einschieben in den Statornuten des Stators angeordnet werden. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, mit einem günstigen aber sehr stabilen Spaltrohr Kosten einzusparen, gleichzeitig eine hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit des Spaltrohres sicherzustellen und das Spaltrohr gegen Verdrehung zu sichern.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einschieben in den Stator in axialer Richtung durch den Absatz begrenzt wird. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein Anschlag bereitgestellt, welcher die Genauigkeit bei der Montage der elektrischen Maschine verbessert.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
-
Alle zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Herstellen eines Spaltrohres offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das erfindungsgemäße Spaltrohr, die erfindungsgemäße elektrische Maschine, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine sowie auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 (a) - (c) illustrieren ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Spaltrohres gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ein Spaltrohr gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch das Zusammenfügen eines Spaltrohres gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines Statorblechpaketes bzw. eines Stators als Teil eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer elektrischen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 (a) bis (c) illustrieren ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Spaltrohres 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ein Spaltrohr 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 (a) zeigt einen Dorn 3 auf welchen ein Werkstoff 2 in Form eines Fadens nass aufgewickelt wird. Der Werkstoff 2 ist vorzugsweise ein CFK-Werkstoff. Zum Aufwickeln auf den Dorn 3 wird der Dorn 3 gedreht (dargestellt durch den gebogenen Pfeil) und der Faden entlang des Dornes 3 hin und her geführt (dargestellt durch den Doppelpfeil).
-
Ist ausreichend viel Werkstoff 2 auf den Dorn 3 aufgewickelt, wird der Werkstoff 2 in radialer Richtung R mit, hier vier, Pressbacken 4 auf den Dorn 3 gepresst (1 (b)). An den Stellen, an denen die Pressbacken 4 auf dem Werkstoff 2 aufliegen, wird der Durchmesser der Werkstoffschicht auf dem Dorn 3 reduziert. Zwischen den Pressbacken 4 wird der Durchmesser jedoch nicht oder zumindest weniger stark reduziert. Hier bilden sich Nasen aus, welche dem Spaltrohr 1 (siehe Fig. (c)) als Versteifungsrippen 1.2 dienen und dadurch dessen Stabilität erhöhen.
-
Die Pressbacken 4 liegen nicht entlang der gesamten Länge des Dornes 3 und des Werkstoffes 2 in axialer Richtung A an. Dies ist hier aus perspektivischen Gründen nicht sichtbar. In dem Bereich, in welchem die Pressbacken 4 nicht anliegen und keinen Druck in radialer Richtung R auf den Werkstoff 2 bewirken, wird dessen Durchmesser nicht reduziert und es entsteht ein Absatz 1.3 (siehe 1 (c)).
-
Zum Aushärten des Werkstoffes 2 werden die Pressbacken 4 und/oder der Dorn 3 geheizt und/oder die gesamte Anordnung befindet sich in einem Umluftofen. Ist der Werkstoff 2 ausgehärtet, so können die Pressbacken 4 entfernt und der Werkstoff 2 vom Dorn 3 gezogen werden. Der Werkstoff 2 ist nun mit seinem Grundkörper 1.1, den mit dem Grundkörper 1.1 einstückig verbundenen Versteifungsrippen 1.2 und dem Absatz 1.3 zu einem eigenstabilen Spaltrohr 1 geformt. Dadurch, dass die Pressbacken 4 gleich groß sind, sind die Versteifungsrippen 1.2 in Umfangsrichtung U gleichverteilt.
-
2 illustriert schematisch das Zusammenfügen eines Spaltrohres 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines Statorblechpaketes bzw. eines Stators 6 als Teil eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer elektrischen Maschine 10 (siehe 2) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Das eigenstabile Spaltrohr 1 wird in den Stator 6 eingeschoben. Dabei werden die auf dem Grundkörper 1.1 des Spaltrohres 1 angeordneten Versteifungsrippen 1.2 in Statornuten 6.2 des Stators 6 angeordnet. Der Absatz 1.3 des Spaltrohres 1 begrenzt den Weg des Spaltrohres 1 beim Einschieben in den Stator 6, so dass das Spaltrohr 1 sehr exakt platziert werden kann.
-
Ist das Spaltrohr 1 eingeschoben, so trennt es den Rotorraum 5 vom Statorraum 6.1 ab, was ein direktes Beaufschlagen beispielsweise von in den Statornuten 6.2 angeordneten Leitern einer Wicklung (nicht dargestellt) mit einem Kühlmittel ermöglicht, ohne dass das Kühlmittel in den Luftspalt zwischen einem im Rotorraum 5 angeordneten Rotor (nicht gezeigt) und dem Stator 6 gelangt.
-
3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 100 weist eine elektrische Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016101705 A1 [0004]