DE102012213897A1

DE102012213897A1 - Housing for drive shafts and manufacturing method, as well as using a fiber-reinforced plastic

Info

Publication number: DE102012213897A1
Application number: DE102012213897.8A
Authority: DE
Inventors: Annika Ernstberger; Walter Fischer; Martin Johannes; Christian Seidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-02-06
Also published as: EP2862258A1; WO2014023467A1

Abstract

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 Lagerschilden, 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.The invention relates to a housing for a drive shaft, comprising a stator and a rotor, as e.g. be used in electric motors, generators, and other drives, in particular a housing with, for example, two end shields, one for the drive shaft with the rotor and one for the stator. The invention also relates to a manufacturing method for manufacturing such a housing and the use of a fiber-reinforced plastic.

Description

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 Lagerschilden, 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. The invention relates to a housing for a drive shaft, a stator and a rotor comprising, as e.g. used in electric motors, generators, and other drives, in particular a housing with, for example, two end shields, 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.

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 magnetische Anziehungskräfte oder Kräfte die aus der Rotationsbewegung entstehen, Massenträgheit, Umwucht etc beeinträchtigt wird. The bearing and housing of a drive shaft with a stator is conventionally made up of two 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 the rotor and stator separate so that the drive is not affected by, for example, magnetic forces of attraction or forces arising from the rotational movement, inertia, imbalance, etc.

Für die elektrische Antriebstechnik in der Mobilität, beispielsweise 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. For the electric drive technology in mobility, for example, over roads, rails, air, water, the power of the drive (power of the drive based on the weight) is a key criterion. To achieve a high power weight, the mass of the passive components (housing, end shields) must be kept as low as possible.

Bezüglich der Gewichtsminimierung dieser Komponenten bestehen aufgrund der werkstofflichen und fertigungstechnischen Eigenschaften der metallischen Komponenten spezifische Limitationen. Regarding the weight minimization of these components exist due to the material and manufacturing properties of the metallic components specific limitations.

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. 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.

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. 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. In addition, the invention relates to a method for producing a housing for a drive shaft by fiber composite plastics processing technology. Finally, the use of a fiber reinforced plastic to replace elements of a drive shaft, a motor and / or a motor housing, which are made of metal, a metal alloy and / or a metallic plastic, is the subject of the present invention.

Als Faserverbundkunststoffverarbeitungstechnologie wird beispielsweise die Wickeltechnologie, Prepreg−Technologie, Laminiertechnik, sowie Flüssig−Infusionstechnik genannt. As fiber composite plastics processing technology, for example, the winding technology, prepreg technology, laminating technology, and liquid infusion technique is called.

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. Here, both the purely material replacement of a previously made of metal, a metal alloy and / or a metallic material component of an active part such as the rotor and / or the stator by the same component of a fiber reinforced plastic, as well as a fiber reinforced version of the housing in Sense of the invention.

Beispielsweise ist demnach im Sinne der Erfindung bei der klassischen metallischen Konstruktion des Gehäuses, der Lagerschilde und der Leistungsteile die Einzelkomponenten (Gehäuse und/oder Lagerschilde) ganz oder teilweise zu substituieren. For example, therefore, according to the invention in the classical metallic construction of the housing, the end shields and the power parts, the individual components (housing and / or end shields) to be wholly or partially substituted.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird in einer faserverbundgerechten Tonnenkonstruktion (siehe 2) Gehäuse und Lagerschild integriert. According to another embodiment of the invention is in a fiber composite fair barrel construction (see 2 ) Housing and end shield integrated.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Orientierung der Fasern im Faserverstärkten Kunststoff an die Gewichtsverteilung so angepasst ist, dass das höchste Gewicht in Richtung der Faserverstärkung liegt. It is particularly advantageous if the 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.

Beispielsweise erfolgt die Faserorientierung des Faserverstärkten Kunststoffes entlang der Hauptlastpfade, damit das Gehäuse besonders dünn und damit Gewichts sparend realisiert werden kann. For example, 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.

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. Particularly preferred is 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. Through this targeted Using the anisotropic mechanical properties, the mass of the supporting elements of a housing can be significantly reduced, whereby significantly increased power weights of the motors can be achieved.

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. 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.

Integrale Faserverbundkonstruktion: In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird das Gehäuse inklusive Lagerschild als Komplettstruktur faserverbundgerecht hergestellt. Diese Struktur kann als "Tonnenkonstruktion" realisiert werden (2) 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" ( 2 )

Durch die Orientierung der Verstärkungsfasern ist es möglich die Gehäusekonstruktion weitgehend an die oben genannten Lasten anzupassen. Due to the orientation of the reinforcing fibers, it is possible to adapt the housing construction largely to the above-mentioned loads.

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. Compared to the classic connection of bearing plate and housing by screwing, 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.

Als bei der Verarbeitung von Faser verstärkten Kunststoffen übliche Verbindungsmethoden werden beispielsweise Verklebung, Schlaufenbildung und/oder Insert-Technik genannt. As in the processing of fiber reinforced plastics usual connection methods are, for example, bonding, looping and / or insert technique called.

Durch die Kunststoff-basierten Verbindungsmethoden ist es zusätzlich möglich, eine weitere Gewichtsreduktion des hergestellten Gehäuses zu erzielen. Due to the plastic-based connection methods, it is additionally possible to achieve a further weight reduction of the manufactured housing.

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. These joining techniques also have the advantage that the forces are not switched on or redirected via screw or rivet, but are absorbed evenly from the entire housing surface.

So werden in der "Tonnenkonstruktion", wie in der 2 gezeigt, die Kräfte nicht über die Schraubverbindung ein− oder umgeleitet, sondern werden gleichmäßig von der gesamten Gehäusefläche aufgenommen. Thus, in the "barrel construction", as in the 2 shown, the forces not on the screw or redirected, but are absorbed evenly from the entire housing surface.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung noch beispielhaft anhand zweier Figuren näher beschrieben: In the following, a preferred embodiment of the invention is described in more detail by way of example with reference to two figures:

1 zeigt den Stand der Technik, 1 shows the state of the art,

2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die bevorzugte Tonnenkonstruktion 2 shows an embodiment of the invention, the preferred barrel construction

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. 1 shows the classic metallic construction 1 with housing, end shield and power units with bolted components. The housing can be recognized 2 with the wave 3 , the two bearing shields 4 that with the case 2 by screws 5 are bolted. end shield 4 and housing 2 enclose a room 6 , in which active parts such as stator and rotor (not shown) have space.

Demgegenüber ist in 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 2 gezeigt. In contrast, in 2 to see a fiber composite construction, in particular the variant in which the housing and bearing plate are integrated, the "barrel housing" according to a preferred embodiment of the present invention is in 2 shown.

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 2 nicht mehr zu erkennen, da diese Komponenten in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel 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. To recognize is again the wave 3 and the room 6 for the active parts such as stator and rotor. casing 2 , End shields 4 , Fittings 5 however, are in 2 no longer recognizable, since these components in the embodiment of the invention shown here by the barrel housing 7 completely replaced. The barrel housing 7 is ellipsoidally constructed and manufactured, for example, a carbon fiber plastic (CFK) sleeve with integrated end shield, for example in winding or prepreg technology.

Zur Herstellung des Gehäuses können für die Komponenten aus Faser verstärktem, insbesondere aus Langfaser verstärktem Kunststoff massenfertigungstaugliche und kostengünstige Methoden, beispielsweise die bereits genannten Wickeltechnologie und Prepreg−Technologie, aber auch alle Arten der Laminiertechniken, sowie Flüssig−Infusionstechnik eingesetzt werden. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, im kontinuierlichen Verfahren und kostengünstig zu produzieren. To produce the housing can be used for the components of fiber reinforced, in particular made of long fiber reinforced plastic mass production and cost-effective methods, such as the aforementioned winding technology and prepreg technology, but also all kinds of lamination techniques, and liquid infusion technology. This also makes it possible, for example, to produce in a continuous process and at low cost.

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. 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.

Schließlich wird die Kraftverteilung durch die Anpassung der Konstruktion vergleichmäßigt. Finally, the force distribution is made uniform by the adaptation of the construction.

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. 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.

Claims

Housing for a drive shaft, wherein at least one element of the electric motor housing, the magnetic shield allows and / or out Metal or a metal alloy is wholly or partially replaced by an element made of a fiber reinforced plastic.

The housing of claim 1, wherein the fiber reinforcement of the plastic is a long fiber reinforcement.

A housing according to any one of the preceding claims, wherein the orientation of the fibers in the fiber of reinforced plastic is along the direction of greatest stress of the element.

Housing according to one of the preceding claims, wherein the fiber reinforcement of the plastic comprises carbon fiber (CFK), glass fiber (GRP) and / or aramid fibers.

A housing according to any one of the preceding claims, wherein the connection of the elements is carried out by fiber reinforced plastics joining techniques.

Method for producing a housing for a drive shaft by fiber composite plastics processing technology.

Use of a fiber-reinforced plastic for replacement of elements of a drive shaft, a motor and / or a motor housing, which are made of metal, a metal alloy and / or a metallic plastic.