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WO2014023467A1 - Gehäuse für antriebswellen und herstellungsverfahren dazu, sowie verwendung eines faserverstärkten kunststoffes - Google Patents

Gehäuse für antriebswellen und herstellungsverfahren dazu, sowie verwendung eines faserverstärkten kunststoffes Download PDF

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Publication number
WO2014023467A1
WO2014023467A1 PCT/EP2013/062847 EP2013062847W WO2014023467A1 WO 2014023467 A1 WO2014023467 A1 WO 2014023467A1 EP 2013062847 W EP2013062847 W EP 2013062847W WO 2014023467 A1 WO2014023467 A1 WO 2014023467A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
fiber
reinforced plastic
drive shaft
plastic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/062847
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Annika Ernstberger
Walter Fischer
Martin Johannes
Christian Seidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP13733975.0A priority Critical patent/EP2862258A1/de
Publication of WO2014023467A1 publication Critical patent/WO2014023467A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/02—Casings or enclosures characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/01—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
    • H02K11/014—Shields associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H02K11/0141—Shields associated with casings, enclosures or brackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof

Definitions

  • the invention relates to a housing for a drive shaft, a stator and a rotor comprising, as e.g. in electric motors, generators, and other drives, in particular a housing with, for example, two bearing plates, one for the drive shaft with the rotor and one for the stator. Moreover, the invention relates to a manufacturing method for the production of such a housing, as well as the use of a fiber reinforced plastic.
  • the bearing and housing of a drive shaft with a stator is conventionally made up of 2 end shields, one which supports the motor shaft with the rotor and one which accommodates the stator.
  • the end shields and housings are usually made of metal and / or a metal alloy.
  • the end shields and housings are usually connected to each other by screwing. This type of construction solves the problem of keeping rotor and stator separate so that the drive is not affected by, for example, magnetic attraction or forces arising from the rotational movement, mass inertia, imbalance, etc.
  • Power weight of the drive (power of the drive based on the weight) is a decisive criterion. To achieve a high power weight, the mass of the passive components (housing, end shields) must be kept as low as possible.
  • the object of the present invention is therefore to provide a concept by means of which a housing for, for example, a drive shaft can be created in which the weight of the components, in particular of the end shields, is reduced.
  • the object and object of the invention is therefore a housing for a drive shaft, wherein at least one element of the housing, the magnetic shield allows and / or metal or a metal alloy is wholly or partially replaced by an element made of a fiber reinforced plastic.
  • the invention relates to a method for producing a housing for a drive shaft by fiber composite plastics processing technology.
  • fiber composite plastics processing technology for example, winding technology, prepreg technology, laminating technology and liquid infusion technology are mentioned.
  • the individual components (Ge) housing and / or end shields) in whole or in part.
  • housing and end shield are integrated in a fiber-composite-like barrel construction (see FIG. 2).
  • orientation of the fibers in the fiber-reinforced plastic is adapted to the weight distribution such that the highest weight lies in the direction of the fiber reinforcement.
  • the fiber orientation of the fiber-reinforced plastic along the main load paths so that the housing is particularly thin and thus can be realized weight-saving.
  • the embodiment of the invention in which a fiber-reinforced plastic is used, which has higher specific mechanical stiffnesses and / or strengths in the fiber direction than the common metals, metal alloys and / or metallic materials such as steel, aluminum, magnesium, etc.
  • a fiber-reinforced plastic which has higher specific mechanical stiffnesses and / or strengths in the fiber direction than the common metals, metal alloys and / or metallic materials such as steel, aluminum, magnesium, etc.
  • Fiber composite plastics based on carbon fibers are used with particular advantage because they exhibit a very high and therefore favorable stiffness or strength-to-weight ratio. Therefore, it is proposed to make these components from fiber composite materials such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP), glass fiber reinforced plastic (GRP) and / or aramid fiber reinforced plastic (AFK), or combinations of these materials.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • AFK aramid fiber reinforced plastic
  • Integral fiber composite construction In a particularly advantageous embodiment, the housing, including the end shield, is produced as a complete structure in a fiber-composite manner. This structure can be realized as a "barrel construction" ( Figure 2)
  • riveting are in the inventive creation of a housing with end shield made of fiber reinforced plastic connecting methods, as are customary for the processing of fiber-reinforced plastics used.
  • connection methods are for example bonding, looping and / or insert technique called.
  • FIG. 1 shows the prior art
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention, the preferred barrel construction
  • Figure 1 shows the classic metallic construction 1 with housing, end shield and power parts with bolted components. To recognize the housing 2 with the shaft 3, the two end shields 4, with the housing 2 through
  • FIG. 2 shows a fiber composite construction, in particular the variant in which housing and end shield are integrated, the "barrel housing" according to a preferred embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the barrel housing 7 is constructed ellipsoidally and, for example, a carbon fiber plastic (CFRP) sheath with integrated end shield, for example in winding technology or prepreg technology.
  • CFRP carbon fiber plastic
  • mass-producible and cost-effective methods for example the already mentioned winding technology and prepreg technology, but also all types of laminating techniques, as well as liquid infusion technology can be used for the components of fiber reinforced, in particular made of long fiber reinforced plastic.
  • This also makes it possible, for example, to produce in a continuous process and at low cost.
  • the invention proposes for the first time the mechanical and / or constructive replacement of a classic housing and bearing plate construction for drive shafts. As stated, two directions are suggested, one being the targeted use of the anisotropic mechanical properties of the fiber reinforced plastic parts and the other the reduction of the mass of the passive parts. Thus, significantly increased performance weights can be achieved.
  • the invention discloses a possibility to replace heavy metallic components of a housing for a drive shaft by lighter and optionally even more resilient fiber reinforced plastics.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)

Description

Beschreibung / Description
Gehäuse für Antriebswellen und Herstellungsverfahren dazu, sowie Verwendung eines Faserverstärkten Kunststoffes
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Antriebswelle, einen Stator und einen Rotor umfassend, wie sie z.B. in Elektromotoren, Generatoren, und anderen Antrieben eingesetzt werden, insbesondere ein Gehäuse mit beispielsweise zwei La- gerschilden, eine für die Antriebswelle mit dem Rotor und eine für den Stator. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für die Herstellung eines solchen Gehäuses, sowie die Verwendung eines Faser verstärkten Kunststoffes .
Lagerung und Gehäuse einer Antriebswelle mit Stator besteht in klassischer Weise aus 2 Lagerschilden, eines, das die Motorwelle mit dem Rotor lagert und eines, das den Stator aufnimmt. Die Lagerschilde und Gehäuse sind werkstofflich in der Regel aus Metall und/oder einer Metalllegierung. Die Lagerschilde und Gehäuse werden meistens durch Verschraubungen miteinander verbunden. Durch diese Art der Konstruktion wird das Problem gelöst, Rotor und Stator voneinander getrennt zu halten, damit der Antrieb nicht durch beispielsweise magneti- sehe Anziehungskräfte oder Kräfte die aus der Rotationsbewegung entstehen, Massenträgheit, Umwucht etc beeinträchtigt wird .
Für die elektrische Antriebstechnik in der Mobilität, bei- spielsweise über Straßen, Schienen, Luft, Wasser ist das
Leistungsgewicht des Antriebs (Leistung des Antriebs bezogen auf das Gewicht) ein maßgebliches Kriterium. Zur Erzielung eines hohen Leistungsgewichts muss die Masse der passiven Bauteile (Gehäuse, Lagerschilde) möglichst gering gehalten werden.
Bezüglich der Gewichtsminimierung dieser Komponenten bestehen aufgrund der werkstofflichen und fertigungstechnischen Eigen- Schäften der metallischen Komponenten spezifische Limitationen .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Konzept zur Verfügung zu stellen, durch das ein Gehäuse für beispielsweise eine Antriebswelle geschaffen werden kann, bei dem das Gewicht der Komponenten, insbesondere der Lagerschilde, reduziert ist. Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist daher ein Gehäuse für eine Antriebswelle, wobei zumindest ein Element des Gehäuses, das magnetische Abschirmung ermöglicht und/oder aus Metall oder einer Metalllegierung ist, ganz oder teilweise durch ein Element aus einem Faser verstärkten Kunststoff ersetzt ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Antriebswelle durch FaserverbundkunststoffVerarbeitungstechnologie .
Schließlich ist noch die Verwendung eines Faser verstärkten Kunststoffes zum Ersatz von Elementen einer Antriebswelle, eines Motors und/oder eines Motorengehäuses, die aus Metall, einer Metalllegierung und/oder einem metallischen Kunststoff sind, Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Als FaserverbundkunststoffVerarbeitungstechnologie wird bei- spielsweise die Wickeltechnologie, Prepreg-Technologie, Lami- niertechnik, sowie Flüssig-Infusionstechnik genannt.
Dabei ist sowohl der rein werkstoffliche Ersatz einer bisher aus Metall, einer Metalllegierung und/oder einem metallischen Werkstoff gefertigten Komponente eines Aktivteils wie beispielsweise dem Rotor und/oder dem Stator durch die gleiche Komponente aus einem Faserverstärktem Kunststoff, als auch eine faserverstärkte Ausführung des Gehäuses im Sinne der Erfindung .
Beispielsweise ist demnach im Sinne der Erfindung bei der klassischen metallischen Konstruktion des Gehäuses, der Lagerschilde und der Leistungsteile die Einzelkomponenten (Ge- häuse und/oder Lagerschilde) ganz oder teilweise zu substituieren .
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird in ei- ner faserverbundgerechten Tonnenkonstruktion (siehe Figur 2) Gehäuse und Lagerschild integriert.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Orientierung der Fasern im Faserverstärkten Kunststoff an die Gewichtsvertei - lung so angepasst ist, dass das höchste Gewicht in Richtung der Faserverstärkung liegt.
Beispielsweise erfolgt die Faserorientierung des Faserverstärkten Kunststoffes entlang der Hauptlastpfade, damit das Gehäuse besonders dünn und damit Gewichts sparend realisiert werden kann.
Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform der Erfindung bei der ein Faserverstärkter Kunststoff eingesetzt wird, der in Faserrichtung höhere spezifische mechanische Steifigkeiten und/oder Festigkeiten aufweist als die gängigen Metalle, Metalllegierungen und/oder metallischen Werkstoffe wie Stahl, Aluminium, Magnesium, etc. Durch diese gezielte Nutzung der anisotropen mechanischen Eigenschaften kann die Masse der tragenden Elemente eines Gehäuses deutlich reduziert werden, wodurch deutlich gesteigerte Leistungsgewichte der Motoren erreicht werden können.
Als besonders vorteilhaft werden Faserverbundkunststoffe auf Basis von Kohlenstofffasern eingesetzt, denn diese zeigen einen ausgesprochen hohes und damit günstiges Steifigkeit- bzw. Festigkeits- zu Gewichts-Verhältnis. Daher wird vorgeschlagen diese Komponenten aus Faserverbundmaterialien wie Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) , Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und/oder Aramidfaserverstärkten Kunststoff (AFK) oder Kombinationen dieser Materialien auszuführen. Integrale Faserverbundkonstruktion: In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird das Gehäuse inklusive Lagerschild als Komplettstruktur faserverbundgerecht hergestellt. Diese Struktur kann als "Tonnenkonstruktion" realisiert werden (Fi- gur 2)
Durch die Orientierung der Verstärkungsfasern ist es möglich die Gehäusekonstruktion weitgehend an die oben genannten Lasten anzupassen.
Im Vergleich zur klassischen Verbindung von Lagerschild und Gehäuse durch Verschraubung, Vernietung sind bei der erfindungsgemäßen Schaffung eines Gehäuses mit Lagerschild aus Faserverstärktem Kunststoff Verbindungsmethoden, wie sie für die Verarbeitung von Faserverstärkten Kunststoffen üblich sind, einsetzbar.
Als bei der Verarbeitung von Faser verstärkten Kunststoffen übliche Verbindungsmethoden werden beispielsweise Verkle- bung, Schlaufenbildung und/oder Insert -Technik genannt.
Durch die Kunststoff -basierten Verbindungsmethoden ist es zusätzlich möglich, eine weitere Gewichtsreduktion des hergestellten Gehäuses zu erzielen.
Diese Verbindungstechniken haben darüber hinaus den Vorteil, dass die Kräfte nicht über Schraub- oder Nietverbindungen ein- oder umgeleitet werden, sondern gleichmäßig von der gesamten Gehäusefläche aufgenommen werden.
So werden in der "Tonnenkonstruktion", wie in der Figur 2 gezeigt, die Kräfte nicht über die SchraubVerbindung ein- oder umgeleitet, sondern werden gleichmäßig von der gesamten Gehäusefläche aufgenommen.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung noch beispielhaft anhand zweier Figuren näher beschrieben : Figur 1 zeigt den Stand der Technik,
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die bevor- zugte Tonnenkonstruktion
Figur 1 zeigt die klassische metallische Konstruktion 1 mit Gehäuse, Lagerschild und Leistungsteilen mit verschraubten Komponenten. Zu erkennen ist das Gehäuse 2 mit der Welle 3, den beiden Lagerschilden 4, die mit dem Gehäuse 2 durch
Schrauben 5 verschraubt sind. Lagerschild 4 und Gehäuse 2 umschließen einen Raum 6, in dem Aktivteile wie Stator und Rotor (nicht gezeigt) Platz haben. Demgegenüber ist in Figur 2 eine Faserverbundkonstruktion zu sehen, insbesondere die Variante, bei der Gehäuse und Lagerschild integriert sind, das „Tonnengehäuse" gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Figur 2 gezeigt.
Zu erkennen ist wieder die Welle 3 und der Raum 6 für die Aktivteile wie Stator und Rotor. Gehäuse 2, Lagerschilde 4, Verschraubungen 5 jedoch sind in Figur 2 nicht mehr zu erkennen, da diese Komponenten in dem hier gezeigten Ausführungs- beispiel der Erfindung durch das Tonnengehäuse 7 komplett ersetzt sind. Das Tonnengehäuse 7 ist ellipsoid konstruiert und beispielsweise eine CarbonFaserKunststoff - (CFK) -Hülle mit integriertem Lagerschild, beispielsweise in Wickeltechnik oder Prepregtechnik hergestellt.
Zur Herstellung des Gehäuses können für die Komponenten aus Faser verstärktem, insbesondere aus Langfaser verstärktem Kunststoff massenfertigungstaugliche und kostengünstige Methoden, beispielsweise die bereits genannten Wickeltechnolo- gie und Prepreg-Technologie , aber auch alle Arten der Lami- niertechniken, sowie Flüssig-Infusionstechnik eingesetzt werden. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, im kontinuierlichen Verfahren und kostengünstig zu produzieren. Durch die Erfindung wird erstmals der werkstoffliche und/oder konstruktive Ersatz einer klassischen Gehäuse- und Lagerschildkonstruktion für Antriebswellen vorgeschlagen. Wie ausgeführt, werden dazu zwei Richtungen vorgeschlagen, zum einen die gezielte Nutzung der anisotropen mechanischen Eigenschaften der Faser verstärkten Kunststoffteile und zum anderen die Reduzierung der Masse der Passivteile. So können deutlich erhöhte Leistungsgewichte erzielt werden.
Schließlich wird die Kraftverteilung durch die Anpassung der Konstruktion vergleichmäßigt.
Die Erfindung offenbart eine Möglichkeit schwere metallische Komponenten eines Gehäuses für eine Antriebswelle durch leichtere und gegebenenfalls sogar besser belastbare Faser verstärkte Kunststoffe zu ersetzen.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
Gehäuse für eine Antriebswelle, wobei zumindest ein Element des Elektromotorgehäuses, das magnetische Abschirmung ermöglicht und/oder aus Metall oder einer Me talllegierung ist, ganz oder teilweise durch ein Element aus einem Faser verstärktem Kunststoff ersetzt ist .
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die Faserverstärkung de Kunststoffes eine Langfaserverstärkung ist.
Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Orientierung der Fasern im Faser verstärktem Kunst Stoff entlang der Richtung der größten Belastung des Elements liegt.
Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Faserverstärkung des Kunststoffes Kohlefaser (CFK) Glasfaser (GFK) und/oder Aramidfasern umfasst.
Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbindung der Elemente durch Verbindungstechniken für Faser verstärkte Kunststoffe ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Antriebswelle durch Faserverbundkunststoffverarbeitungs - technologie .
Verwendung eines Faserverstärkten Kunststoffes zum Ersatz von Elementen einer Antriebswelle, eines Motors und/oder eines Motorengehäuses, die aus Metall, einer Metalllegierung und/oder einem metallischen Kunststoff sind .
PCT/EP2013/062847 2012-08-06 2013-06-20 Gehäuse für antriebswellen und herstellungsverfahren dazu, sowie verwendung eines faserverstärkten kunststoffes Ceased WO2014023467A1 (de)

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