DE102007060654A1

DE102007060654A1 - Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit

Info

Publication number: DE102007060654A1
Application number: DE102007060654A
Authority: DE
Inventors: Jörg NELGES; Thomas Gilke
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2007-12-15
Filing date: 2007-12-15
Publication date: 2009-06-18
Also published as: WO2009077088A3; EP2220748A2; US20100277031A1; WO2009077088A2; CN101897103A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit (20) für eine elektrische Maschine, wobei ein Stator (12, 22) mit einem Gehäuse (14, 24) verbunden wird. Vor dem Verbinden wird wenigstens eine Teilfläche der gemeinsamen Kontaktflächen mit einem Lackmaterial beschichtet, welches einen beim erstmaligen Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz aufweist. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Stator-Gehäuse-Einheit (20) und ein Lackmaterial mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes, 10% bis 20% Bornitrid und Phenolharz.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit für eine elektrische Maschine, wobei ein Stator mit einem Gehäuse verbunden wird, eine Stator-Gehäuse-Einheit und ein Lackmaterial.
Es ist allgemein bekannt, dass elektrische Maschinen wie beispielsweise Asynchronmotoren oder Generatoren einen Stator aufweisen. Ein solcher Stator enthält üblicherweise geschichtete Blechpakete mit Nuten für Wicklungsleiter, welche während des Fertigungsprozesses der elektrischen Maschine eingebracht werden.
Ein Stator wird während des Fertigungsprozesses einer elektrischen Maschine üblicherweise mit einem ihn umgebenden Gehäuse verbunden beziehungsweise in dieses gefügt. Ein derartiges Gehäuse dient beispielsweise zum mechanischen Schutz der gefertigten elektrischen Maschine aber auch zu deren besserer Handhabung. Es ist beispielsweise möglich, Befestigungselemente an dem Gehäuse vorzusehen, welche die spätere Montage der elektrischen Maschine erleichtern.
Es ist fernerhin bekannt, dass sich elektrische Maschinen während ihres Betriebes aufgrund von elektrischen Verlusten erwärmen, wobei diese Verlustwärme aus thermischen Gründen aus den elektrischen Maschinen herauszuleiten ist. Eine derartige Erwärmung tritt insbesondere in den elektrischen Wicklungsleitern auf und führt zur Erwärmung der diese umgebenden Bauteile, welche die Wärmeenergie letztendlich über eine äußere Grenzfläche der elektrischen Maschine an die Umgebung ableiten. Ein Bauteil, welches einen hohen Anteil an äußerer Grenzfläche der elektrischen Maschine aufweist, ist deren Gehäuse. Dieses kann beispielsweise auch mit Kühlrippen versehen sein, um durch die damit verbundene Erhöhung der äußeren Grenzfläche eine erwünschte erhöhte Wärmeabgabefähigkeit zu erreichen.
Nachteilig ist, dass auch nach dem Fügen von Stator und Gehäuse aufgrund der fertigungstechnisch notwendigen Spielpassungen Abstände zwischen Stator und Gehäuse vorhanden sind, welche den Wärmeübergang zwischen Wicklungsleitern und äußerer Grenzfläche nachteilig beeinflussen. Die Länge eines derartigen fertigungstechnisch notwendigen Abstandes liegt je nach Größe oder Leistung der elektrischen Maschine typischerweise im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm, wobei die Leistungen entsprechender elektrischer Maschinen zwischen einigen kW und mehreren 100 MW liegen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und Mittel zur Herstellung einer Stator-Gehäuse-Einheit anzugeben, mit welchem die Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator und Gehäuse verbessert wird beziehungsweise eine entsprechende Stator-Gehäuse-Einheit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art.
Demgemäß kennzeichnet sich das Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit für eine elektrische Maschine dadurch, dass vor dem Verbinden von Stator und Gehäuse wenigstens eine Teilfläche der gemeinsamen Kontaktflächen mit einem Lackmaterial beschichtet wird, welches einen beim erstmaligen Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz aufweist und dass die verbundene Stator-Gehäuse-Einheit auf wenigstens die Expansionstemperatur erhitzt wird.
Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, Volumina zwischen verbundenem Stator und Gehäuse, welche sich aus der für den Verbindungsvorgang fertigungstechnisch notwendigen Spielpassung ergeben, mit einem festen Expansionsmaterial von ge genüber Luft erhöhter Wärmeleitfähigkeit zu füllen. Das Expansionsmaterial hat weiterhin den Vorteil, dass die mechanische Verbindung zwischen Stator und Gehäuse durch das Ausfüllen der Volumina weiter gesteigert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Lackmaterial, welches auf Phenolharz basiert, mit dem eingangs genannten Materialzusatz und mit einem weiteren Anteil Bornitrid verwendet.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass Bornitrid die Wärmeleitfähigkeit eines auf Phenolharz basierenden Lackmaterials vorteilhaft erhöht. Damit kann die Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator und Gehäuse weiter gesteigert werden.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Variante des erfindungsgemäße Verfahren, bei der ein auf Phenolharz basierendes Lackmaterial mit 5%–10% Gewichtsanteil des bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10%–20% Bornitrid verwendet wird. Die Angaben der Gewichtsanteile beziehen sich jeweils auf den flüssigen Zustand des Lackmaterials.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stator erst nach einer vorgegebenen Mindestzeit nach dem Beschichten von Stator und/oder Gehäuse mit dem Gehäuse verbunden.
Auf diese Weise trocknet die aufgetragene Lackschicht vor dem Verbinden in vorteilhafter Weise an und der Verbindungsvorgang kann weiter vereinfacht werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch eine Stator-Gehäuse-Einheit für eine elektrische Maschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass auf wenigstens einer Teilfläche der Kontaktfläche zwischen Stator und Gehäuse ein Lackmaterial vorhanden ist, welches einen nach erstmaligem Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierten Materialzusatz aufweist.
Fertigungstechnisch bedingte auf einem Spalt zwischen Stator und Gehäuse beruhende Volumina sind in vorteilhafter Weise mit Expansionsmaterial gefüllt. Dadurch ist eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator und Gehäuse erreicht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird fernerhin gelöst durch ein auf Phenolharz basierendes Lackmaterial mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer (Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10% bis 20% Bornitrid. Die Angaben der Gewichtsanteile beziehen sich jeweils auf den flüssigen Zustand des Lackmaterials. In getrocknetem Zustand des mit Materialzusatz versehenen auf Phenolharz basierenden Lackmaterials, also nach Entweichen der flüchtigen Bestandteile, ergeben sich andere Gewichtsanteile der Materialzusätze, welche ca. 12,5 bis 25% Gewichtsanteil des bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und ca. 25% bis 50% Bornitrid betragen.
Es hat sich gezeigt, dass diese Zusammensetzung zur Lösung der genannten Aufgabe besonders geeignet ist.
Als irreversibel expandierender Materialzusatzes eignet sich beispielsweise das Produkt ,Expancel' Typ 950 DU 120 der Firma AKZO Nobel. ,Expancel' kennzeichnet sich dadurch, dass in einer gasdichten, nur wenige Mikrometer großen Kunststoffhülle eine exakt bemessene Menge eines Treibmittels eingeschlossen ist. Wenn diese Mikrosphäre erwärmt bzw. erhitzt wird, erweicht die Kunststoffhülle, das Treibmittel wird gasförmig und die Mikrosphäre expandiert irreversibel in definierter Weise. Es sind aber auch andere Materialzusätze mit ähnlichen Eigenschaften denkbar, auch solche, die nach anderen Wirkprinzipien arbeiten, beispielsweise Expansion aufgrund chemischer Vorgänge.
Als geeignetes Bornitrid haben sich beispielsweise die Produkte der Firma Bornitrid Momentive Performance Materials vom Typ BN5 oder CF100 erwiesen.
Ein geeignetes Phenolharz ist beispielsweise das Produkt vom Typ LG 9968 der Firma Hexion/Bakelite.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:
1 ein erstes Übersichtsbild mit separatem beschichteten ersten Stator und erstem Gehäuse
2 ein zweites Übersichtsbild mit verbundener Stator-Gehäuse-Einheit
1 zeigt ein erstes Übersichtsbild 10 eines separaten ersten Stators 12 und eines ersten Gehäuses 14 einer elektrischen Maschine. Sowohl der Stator 12 als auch das Gehäuse 14 sind in idealisierter Form als rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 30 angedeutet. Erfindungsgemäß sind elektrische Maschinen im Leistungsbereich von einigen kW bis hin zu mehreren 100 MW denkbar.
Der Stator 12 weist einen Außendurchmesser 13 auf, welcher kleiner ist, als der Innendurchmesser 15 des Gehäuses, wobei das konstruktionsgemäße Spiel von Innendurchmesser 15 zu Außendurchmesser 13 beispielsweise im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm liegt, woraus sich Abstände zwischen Stator und Gehäuse von 0.1 mm bis 2 mm ergeben. Der Stator 12 ist an seiner äußeren Mantelfläche mit einer Lackschicht 16 beschichtet, welche eine Dicke 17 aufweist und noch nicht auf eine Expansionstemperatur erhitzt wurde und eine Dicke von beispielsweise 0,05 bis 1 mm aufweist. Durch eventuelle Unebenheiten der Außenfläche des Stators 12 und auch Toleranzen beim Beschichtungsvorgang kann die Dicke 17 der Lackschicht 16 variieren.
Vor dem Verbinden von Stator 12 und Gehäuse 14 ist zunächst die spätere gemeinsame Kontaktfläche von Stator 12 und Gehäuse 14 komplett oder teilweise mit einem erfindungsgemäßen Lackmaterial zu beschichten. Die Kontaktfläche wird durch die ußere Mantelfläche des Stators 12 und die innere Mantelfläche des Gehäuses 14 gebildet. Demgemäß ist vor dem Verbinden wenigstens eine der beiden genannten die Kontaktfläche bildenden Flächen in dem Bereich der späteren Kontaktfläche zu lackieren, an dem die Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator 12 und Gehäuse 14 zu verbessern ist. In 1 ist ein beschichteter Stator 12 gezeigt, während das Gehäuse 14 unbeschichtet ist.
Je nach Größe und Leistung der elektrischen Maschine liegt die mittlere Dicke der Lackschicht im Bereich von 50 μm bis 600 μm im luftgetrockneten Zustand, d. h. nach Verstreichen eines bestimmten Zeitintervalls nach dem Beschichtungsvorgang. Unmittelbar nach dem Beschichtungsvorgang ist die Dicke der Lackschicht im sogenannten nassen Zustand höher, beispielsweise um den Faktor 1,5 bis 4. Diese Reduktion der Schichtdicke beruht darauf, dass in dem Lackmaterial flüchtige Bestandteile enthalten sind, welche während des Zeitintervalls verdunsten. Ein geeignetes Zeitintervall liegt je nach Schichtdicke, Umgebungstemperaturbedingungen, Zusammensetzung des Lackmaterials und anderen Einflussfaktoren im Bereich von 10 min bis 2 Stunden.
Stator 12 und Gehäuse 14 werden nachfolgend ineinandergeschoben, was in der Fig. durch einen Richtungspfeil 18 angedeutet ist.
2 zeigt ein zweites Übersichtsbild einer Stator-Gehäuse-Einheit 20 mit einem zweiten Stator 22 und einem zweiten Gehäuse 24. Der Zwischenraum zwischen zweiten Stator 22 und zweitem Gehäuse 24 ist komplett mit einer Lackschicht gefüllt, welche nach dem Verbinden bereits auf Expansionstemperatur erhitzt wurde. Während des Erhitzvorgangs erfolgte einer Volumenexpansion der Lackschicht, welche eventuelle Luftvolumina ausgefüllt hat. Durch die komplette Ausfüllung des Zwischenraumes erfolgt in vorteilhafter Weise eine zusätzliche gegenseitige mechanische Fixierung von Stator und Gehäuse.
Besonders günstige Eigenschaften werden insbesondere durch das Verwenden eines Lackmaterials mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes, 10% bis 20% Bornitrid und Phenolharz erreicht. Das Bornitrid verbessert in diesem Falle die Wärmeleitfähigkeit.
Für den Fall, dass das theoretische Expansionsvolumen des beschichteten Lackmaterials das zu füllende Volumen zwischen Stator und Gehäuse übersteigt, stoppt der Expansionsprozess aufgrund der damit verbundenen Druckerhöhung insbesondere bei dem oben genannten Lackmaterial eigenständig.

10: erstes Übersichtsbild separater erster Stator und erstes Gehäuse
12: erster Stator
13: Außendurchmesser erster Stator
14: erstes Gehäuse
15: Innendurchmesser erstes Gehäuse
16: erste Lackschicht
17: Dicke erste Lackschicht
18: Bewegungsrichtung beim Verbinden
20: zweites Übersichtsbild Stator-Gehäuse-Einheit
22: zweiter Stator
24: zweites Gehäuse
26: zweite Lackschicht
30: Rotationsachse

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit (20) für eine elektrische Maschine, wobei ein Stator (12, 22) mit einem Gehäuse (14, 24) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden wenigstens eine Teilfläche der gemeinsamen Kontaktflächen mit einem Lackmaterial beschichtet wird, welches einen beim erstmaligen Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz aufweist, und dass die verbundene Stator-Gehäuse-Einheit (20) auf wenigstens die Expansionstemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung ein Lackmaterial auf Phenolharzbasis mit einem Anteil Bornitrid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als für die Beschichtung ein Lackmaterial auf Phenolharzbasis mit 5%–10% Gewichtsanteil des bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10%–20% Bornitrid verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12, 22) erst nach einer vorgegebenen Mindestzeit nach dem Beschichten mit dem Gehäuse (14, 24) verbunden wird.
Stator-Gehäuse-Einheit (20) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Teilfläche der Kontaktfläche zwischen Stator (12, 22) und Gehäuse (14, 24) ein Lackmaterial vorhanden ist, welches einen nach erstmaligem Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierten Materialzusatz aufweist.
Lackmaterial auf Phenolharzbasis mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10% bis 20% Bornitrid.