DE102013004659A1

DE102013004659A1 - Schaltring, elektrische Maschine mit einem solchen und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102013004659A1
Application number: DE102013004659.9A
Authority: DE
Inventors: Reiner Nico Behrendt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-03-16
Filing date: 2013-03-16
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltring (30) für eine elektrische Maschine (10) sowie eine elektrische Maschine (10) mit einem solchen. Der Schaltring weist mindestens ein elektrisch leitfähiges Schaltringelement (32) auf, das eine Vielzahl von Kontaktstellen (34) zur elektrischen Verbindung mit Teilwicklungen (22) eines Stators (12) oder Rotors der elektrischen Maschine aufweist sowie optional jeweils mindestens eine Anschlussstelle (36) zur elektrischen Verbindung nach außen. Erfindungsgemäß weist der Schaltring (30) eine Isolierbeschichtung (42) auf, die ein Polymer umfasst und mittels eines Elektrodepositionsverfahrens hergestellt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrodepositionsverfahren zur Herstellung des Schaltrings (30).

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltring für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine, die einen solchen Schaltring umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schaltrings.
Elektrische Maschinen (elektromechanische Wandler), beispielsweise elektrische Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge, Starter, Generatoren oder Starter-Generatoren, wandeln elektrische Energie in mechanische Energie (Motoren) beziehungsweise mechanische Energie in elektrische Energie (Generatoren) um. Diese elektromechanische Umwandlung beruht auf elektromagnetischer Induktion. Derartige elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator (auch Ständer oder Primärteil genannt), der nach einer häufigen Bauart einen Statorkern (Blechpaket) mit einer Vielzahl von mit entsprechenden Drahtwicklungen umwickelten Statorpolen umfasst. Elektrische Maschinen umfassen eine bewegliche Komponente (auch Läufer oder Sekundärteil genannt), die bei dem häufigsten Bautyp als Rotor ausgebildet ist, welcher drehbar in dem oder um den ringförmig ausgebildeten Stator gelagert ist und eine Vielzahl an Permanentmagneten aufweist. Dabei wird aufgrund des bewegten Magnetfeldes des Rotors ein Stromfluss in der Statorwicklung erzeugt (Generator) beziehungsweise aufgrund des durch den Stator erzeugten Magnetfeldes die mechanische Bewegung/Rotation des Rotors bewirkt (Motor). Umgekehrte Bautypen, bei denen der Rotor eine Wicklung und der Stator Magnete umfasst, sind ebenfalls bekannt.
Die einzelnen Wicklungen des Stators oder Rotors sind miteinander und nach außen durch einen Schaltring (auch als Verschaltungsring oder Kontaktbrücke bezeichnet) elektrisch verschaltet. Der Schaltring ist üblicherweise auf dem Wickelkopf angeordnet und weist mehrere Schaltringelemente auf. So umfasst bei 3-Phasen-Wechselstrom-Maschinen der Schaltring üblicherweise drei Schaltringelemente, die jeweils jede dritte Teilwicklung (Spule) elektrisch miteinander verschalten. So beschreibt EP 1 505 711 A2 ( DE 10 2004 036 368 A1 ) eine Schaltringanordnung für einen Stator eines dreiphasigen Drehstrommotors, die aus drei übereinander liegenden Schaltringen, von denen jeder jede dritte Wicklung des Stators miteinander verschaltet, sowie einem Sternpunktring besteht. Zwischen den einzelnen Schaltringen und dem Sternpunktring ist jeweils ein Isolierring aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Auch DE 10 2008 007 409 A1 beschreibt eine dreiteilige Schaltringanordnung für einen Stator, wobei drei Schaltringelemente sowie ein Sternpunktring in einer Ebene flächig nebeneinander liegend in einem Trägerring aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, wie Polyphenylensulfid, eingeschlossen sind. Kontaktstellen der Schaltringelemente sowie des Sternpunktrings ragen aus dem Trägerring heraus und sind mit den Drahtenden der Teilwicklungen des Stators verbunden. Die in DE 10 2011 115 405 A1 beschriebene Schaltringanordnung weist drei im Wesentlichen koaxial angeordnete Schaltringelemente auf, die in einem Kunststoff eingebettet und somit voneinander isoliert sind. Die Herstellung erfolgt durch Spritzguss. Die Schaltringanordnungen der DE 10 2008 007 409 A1 und DE 10 2011 115 405 A1 sind somit als kompakte Bauteile ausgeführt, in denen die einzelnen Schaltringe in massiven Kunststoffkörpern eingebettet sind.
Zum Zwecke ihrer elektrischen Isolation und ihres mechanischen Schutzes und des Schutzes gegenüber chemischen Einflüssen sind die Schaltringe des Stators und/oder Rotors üblicherweise in einer Vergussmasse eingebettet, die auch Teile der Wicklungen bedecken kann. Typischerweise basieren Vergussmassen auf einem Silikonkautschuk, beispielsweise einem Vinylmethyl-Polysiloxan-Kautschuk (VMQ) oder Phenylvinylmethyl-Polysiloxan-Kautschuk (PVMQ). Zur Erhöhung ihrer Wärmeleitfähigkeit enthalten diese Silikonelastomere häufig einen Zusatz hoher Füllstoffanteile, beispielsweise in Form von Quarzpartikeln. Derartige Materialien erfüllen die meisten der technischen Anforderungen an Vergussmassen, insbesondere weisen sie eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf, eine hohe Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Oxidationsstabilität, eine geringe Wasseraufnahme, eine gute Untergrundhaftung sowie eine einfache Aushärtung und eine hohe Verarbeitungstoleranz. Problematisch ist jedoch die hohe Affinität von Silikonen gegenüber Kohlenwasserstoffen. So zeigen sie die Neigung, Motoren- und Getriebeöle zu inkludieren und dadurch aufzuquellen. Durch die Quellung werden jedoch die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Beispielsweise nimmt die Festigkeit und Materialhärte ab, die Temperaturbeständigkeit sinkt und eine Ablösung und ggf. Versprödung der Vergussmasse kann die Folge sein. Insbesondere bei Elektromotoren, die bauartbedingt mit Getriebeölen in Kontakt kommen, ist somit die Ölaufnahme und -quellung des Silikonmaterials nachteilig.
Des Weiteren sind hochtemperaturbeständige, hochgefüllte Epoxidharze bekannt, die z. B. in Elektromotoren von Schienenfahrzeugen Anwendung finden. Nachteilig ist jedoch ihre Tendenz in Gegenwart von Wasser zur Rissbildung, insbesondere im Zusammenspiel mit klimatisch bedingten Temperaturschwankungen. Dem Einsatz von zähmodifizierten Epoxidharzen in der Produktion stehen ihre Aushärtebedingungen (z. B. 135°C für 6 Stunden) entgegen.
Ferner sind Elektromotoren von Hybridfahrzeugen bekannt, die einen Vollverguss des Stators mit einem ungesättigten Polyesterharz, welches mit Glasfaser gefüllt ist, aufweisen.
Neben den beschriebenen Unzulänglichkeiten der Vergussmassen ist allen bisherigen Lösungen gemein, dass der Stator mit viel Material vergossen wird, was zu einer (insbesondere in Automobilanwendungen) unerwünschten Gewichtszunahme führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur elektrischen Isolierung von Schaltringen von elektrischen Maschinen zu finden, die sämtlichen ausgeführten Anforderungen genügt und insbesondere material- und gewichtssparend ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Schaltring für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem solchen Schaltring sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schaltrings mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen Schaltring für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Schaltringelement, das eine Vielzahl von Kontaktstellen zur elektrischen Verbindung mit Teilwicklungen eines Stators oder Rotors der elektrischen Maschine aufweist. Optional weist der Schaltring ferner jeweils mindestens eine Anschlussstelle zur elektrischen Verbindung nach außen auf. Der erfindungsgemäße Schaltring zeichnet sich durch eine, ein Polymer umfassende oder aus diesem bestehende Isolierbeschichtung aus, die mittels eines Elektrodepositionsverfahrens hergestellt ist.
Elektrodepositionsbeschichtungen zeichnen sich durch dünne Schichtdicken und somit geringem Materialaufwand aus sowie durch eine äußerst gute Haftung auf dem Schaltring. Im Gegensatz zu den Vergussmassen des Standes der Technik oder vergleichsweise dicken Lackschichten ist der Materialaufwand von elektrochemisch abgeschiedenen Beschichtungen äußerst gering. Zudem weisen Elektrodepositionsschichten besonders gleichmäßige Schichtdicken über das gesamte Bauteil auf. Auch ist der Herstellungsaufwand gering und eine gezielte Abscheidung des Materials auf denjenigen Bereichen, an denen eine Isolierung notwendig ist, ist möglich.
Den Anforderungen einer elektrischen Maschine entsprechend, kommen als geeignete Polymermaterialien für die Isolierbeschichtung insbesondere hochtemperaturbeständige Kunststoffe mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (hohem elektrischen Widerstand) in Frage. Bevorzugt weist die Isolierbeschichtung ein Polymer auf, welches Imid-Gruppen in seiner Hauptkette aufweist, also ein Polyimid. Zu geeigneten Polyimiden zählen Polyetherimide, Polyesterimide und Polyamidimide. Es können auch Derivate von Polyimiden eingesetzt werden, insbesondere halogenierte und besonders bevorzugt fluorierte Polyimide, die sich durch einen besonders hohen elektrischen Widerstand auszeichnen. Auch können Mischungen (Blends) von Polyimiden mit anderen geeigneten Polymeren oder Mischungen verschiedener Polyimide eingesetzt werden. Mit besonderem Vorteil werden für die Isolierbeschichtung Polyimid-Copolymere verwendet, das heißt Polymere, die neben den imidhaltigen Wiederholungseinheiten andere Wiederholungseinheiten aufweisen. Vorzugsweise kommen Copolymere zum Einsatz, die neben Imid-Gruppen ionischen Wiederholungseinheiten oder deren Salze oder Säuren aufweisen, da diese sich aufgrund ihrer elektrolytischen Leitfähigkeit besonders gut abscheiden lassen. Weiterhin kann das Copolymer hydrophobe Gruppen, insbesondere Siloxangruppen enthalten, welche eine verbesserte Lagerstabilität der Abscheidungslösung vermitteln sowie besonders gute Materialeigenschaften. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz von Polyetherimiden, deren Fluoro-Derivaten oder Polyether-Copolymeren besonders bevorzugt. Abgeschiedene Filme von Polyimiden oder Polyetherimiden zeichnen sich durch hohe Wärmeformbeständigkeit, Beständigkeit gegen Rissbildung, eine gleichmäßige Filmbildung, ausreichende Filmdicken, sehr gute elektrische Isolationseigenschaften sowie eine hohe Wechselspannungsbeständigkeit aus.
Eine mittlere Schichtdicke der Isolierbeschichtung liegt bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 250 μm, insbesondere von 100 nm bis 100 μm, vorzugsweise 1 bis 100 μm. Diese geringen Schichtdicken gewähren einerseits eine ausreichende Isolationswirkung und Schutz vor mechanischen oder chemischen Einwirkungen. Andererseits sind die genannten Schichtdicken so gering, dass Materialaufwand und Gewichtszunahme gegenüber bekannten Lösungen vernachlässigbar ist.
Typischerweise umfasst der Schaltring mehr als ein Schaltringelement, vorzugsweise drei Schaltringelemente. Ein solcher Schaltring ist für die Verschaltung einer dreiphasigen Wechselstrommaschine geeignet, in welcher jedes Schaltringelement einen Teil der Teilwicklungen, beispielsweise jeweils jede dritte Teilwicklung zu einer Phase miteinander verschaltet. Jedes Schaltringelement verfügt zudem über eine Anschlussstelle zur elektrischen Verbindung jeweils einer Phase (U, V, W bzw. L1, L2, L3) nach außen. Weiterhin weist der Schaltring bevorzugt einen Sternpunktring auf, der eine Vielzahl von Kontaktierungsfortsätzen umfasst.
Unabhängig von seiner Konstruktion weist der Schaltring vorzugsweise auf seiner gesamten äußeren Oberfläche die erfindungsgemäße Isolierbeschichtung auf. Ausgenommen sind vorzugsweise lediglich diejenigen Bereiche, welche zur elektrischen Kontaktierung bestimmt sind. So ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kontaktstellen sowie die Anschlussstellen der Schaltringelemente sowie gegebenenfalls der Kontaktierungsfortsätze eines gegebenenfalls vorhandenen Sternpunktrings zumindest bereichsweise unbeschichtet sind, das heißt frei von der Isolierbeschichtung sind. In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die einzelnen Schaltringelemente sowie gegebenenfalls der Sternpunktring des Schaltrings jeweils mit einer Elektrodepositionsbeschichtung beschichtet, wiederum mit Ausnahme der verschiedenen elektrischen Kontaktierungsstellen. Diese Ausgestaltung erübrigt zusätzliche Isolationsschichten zwischen den einzelnen Elementen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator und/oder der Rotor eine Wicklung mit einer Vielzahl von Teilwicklungen (Spuken) aufweist, sowie einen erfindungsgemäßen Schaltring mit einer durch ein Elektrodepositionsverfahren hergestellten Isolierbeschichtung, der die Teilwicklungen der elektrischen Maschine elektrisch miteinander verschaltet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schaltrings beziehungsweise der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß wird der Schaltring zumindest abschnittsweise mit einer Lösung, Suspension oder Dispersion eines elektrisch isolierenden Polymermaterials oder einer chemischen Vorläuferverbindung eines solchen in Kontakt gebracht und durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Schaltring dieser als Elektrode geschaltet, so dass das Polymermaterial oder die chemische Vorläuferverbindung sich auf der Oberfläche des Schaltrings abscheidet. Ein solches Verfahren wird als Elektrodeposition oder Elektrotauchlackierung bezeichnet und zeichnet sich durch eine kostengünstige Umsetzung sowie einen geringen Materialaufwand aus.
Die Verwendung einer chemischen Vorläuferverbindung des Polymermaterials ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Polymermaterial selbst elektrolytisch nicht leitfähig ist und sich daher nur schwer im Wege der Elektrodeposition abscheiden lässt. Sofern es sich bei dem Polymer der Isolierbeschichtung um ein Polyimid handelt, wird vorzugsweise als chemische Vorläuferverbindung eine entsprechende Polyamidcarbonsäure verwendet, die in einer anschließenden Härtungsreaktion bei erhöhten Temperaturen in das Polyimid überführt wird (Imidisierungsreaktion). Wird hingegen ein Polyimid verwendet, das ionische Gruppen aufweist, insbesondere ein Copolymer mit ionischen Wiederholungseinheiten, so ist eine direkte Abscheidung aus entsprechenden Suspensionen oder Dispersionen möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Abscheidungsverlauf des Polymermaterials oder seiner chemischen Vorläuferverbindung durch Erfassung des Stromflusses überwacht. Da der elektrische Widerstand des Schaltrings mit zunehmender Schichtdicke des Isoliermaterials zunimmt, dient der erfasste Stromfluss als Indikator für die erhaltene Schichtdicke. Auf diese Weise ist die gezielte und reproduzierbare Erzeugung gewünschter Schichtdicken möglich.
Im Anschluss an die Elektrodeposition wird die abgeschiedene Schicht vorzugsweise einer ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung zur Verfestigung des Polymermaterials unterzogen und/oder zur Überführung der Vorläuferverbindung in das isolierende Polymermaterial. Durch die Wärmebehandlung („Einbrennen”) wird auch die Haftfestigkeit der Beschichtung erhöht. Die Temperaturen richten sich nach der Art des verwendeten Polymermaterials.
Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante wird vor der Elektrodeposition, also vor dem Inkontaktbringen des Schaltrings mit der Lösung, Suspension beziehungsweise Dispersion, dieser auf den Stator beziehungsweise den Rotor der elektrischen Maschine montiert und mit diesem elektrisch verschaltet, wozu die Kontaktstellen der Schaltringelemente und gegebenenfalls vorhandene Kontaktierungsfortsätze eines Sternpunktrings mit den Teilwicklungen elektrisch leitfähig verbunden werden. Letzteres geschieht vorzugsweise durch stoffschlüssige Verbindung mit den entsprechenden Drahtenden der Teilwicklungen, beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen. Anschließend erfolgt die Elektrodeposition in der oben beschriebenen Weise, wobei der Stator zumindest teilweise oder vollständig beschichtet wird. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass mit Ausnahme der Anschlussstellen für den Anschluss der elektrischen Maschine nach außen der gesamte Wickelkopf zusammen mit dem Schaltring durch das Elektrodepositionsverfahren beschichtet wird. Auf diese Weise erübrigt sich ein Verfahrensschritt, bei dem die entsprechenden zur elektrischen Kontaktierung vorgesehenen Bereiche geschützt werden müssen.
Nach einer alternativen Verfahrensvariante werden die für die elektrischen Anschlüsse vorgesehenen Bereiche des Schaltrings zunächst geschützt, beispielsweise durch einen Isolierfilm abgeklebt oder durch eine später zu entfernende Lackierschicht, beispielsweise eines Photolacks. Der so präparierte Schaltring wird dann in die Abscheidungslösung getaucht und beschichtet. Nach erfolgter Beschichtung werden die entsprechenden Kontaktierungsbereiche wieder freigelegt und der Schaltring montiert und elektrisch verbunden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator und/oder der Rotor eine Wicklung mit einer Vielzahl von Teilwicklungen aufweist. Die elektrische Maschine umfasst ferner einen erfindungsgemäßen Schaltring, welcher die Teilwicklungen elektrisch miteinander verschaltet. In bevorzugter Ausführung ist die elektrische Maschine ein Elektromotor, insbesondere ein zur Traktion eines Kraftfahrzeugs geeigneter Elektromotor.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere einem Elektromotor als Traktionsquelle. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Hybridfahrzeug handeln, das neben dem Elektromotor eine weitere Antriebsquelle aufweist, insbesondere einen Verbrennungsmotor. Alternativ kann das Fahrzeug ein reines Elektrofahrzeug sein.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Stator eines Elektromotors gemäß Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht und
2 einen Schaltring gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in einer perspektivischen Gesamtansicht sowie in einer Detaildarstellung.
Nachfolgend soll die vorliegende Erfindung am Beispiel eines Schaltrings für einen Stator eines Elektromotors näher erläutert werden. Es versteht sich jedoch, dass der erfindungsgemäße Schaltring auch in Zusammenhang mit anderen elektrischen Maschinen oder mit Rotoren Einsatz finden kann.
1 zeigt von einem insgesamt mit den Bezugszeichen 10 bezeichneten Elektromotor lediglich einen Stator 12, wobei der Rotor nicht dargestellt ist.
Der in diesem Beispiel 24-polige Stator 12 weist einen zylindrischen Statormantel 14 auf, in dem ein Statorkern 16 angeordnet ist, der üblicherweise aus einem in axialer Richtung gestapeltes Blechpaket ausgebildet ist. Von dem Statorkern 16 sind hier lediglich Statorpole 18 sichtbar. Zwischen den 24 Statorpolen 18 verlaufen entlang des inneren Umfangs des Statorkerns 16 in axialer Richtung Nuten 20. Jeder Statorpol 18 weist eine Teilwicklung (Spule) 22 auf, die typischerweise aus durchgehend isolierbeschichtetem Kupferdraht hergestellt ist. Die Gesamtheit der Teilwicklungen 22 wird vorliegend als Wicklung 24 bezeichnet.
Der Stator 12 weist ferner einen Schaltring 30 auf, welcher die Teilwicklungen 22 elektrisch miteinander verschaltet und an eine äußere Spannungsquelle anschließt. Beispielsweise ist bei einem dreiphasigen Elektromotor jede dritte der hier insgesamt 24 Teilwicklungen über ein gemeinsames Schaltringelement des Schaltrings 30 miteinander verschaltet, so dass in diesem beispielsweise der Schaltring 30 drei Schaltringelemente aufweist, und jeweils acht Teilwicklungen 22 miteinander verschalten.
Der in 1 nicht dargestellte Rotor ist insbesondere als Innenläufer ausgebildet und wird somit innerhalb des Stators 12 drehbar auf einer Welle angeordnet. Typischerweise weist der Rotor einen Rotorkern (Blechpaket) sowie eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die entweder in Taschen des Rotorkerns oder auf seiner äußeren Umlauffläche angeordnet sind.
Gemäß der in 1 dargestellten Ausführung des herkömmlichen Stators 10 ist der Schaltring 30 und gegebenenfalls Teile der Wicklungen 22 in eine Vergussmasse 26 beispielsweise auf Basis von Silikonen eingebettet. Die Vergussmasse 26 dient in erster Linie der elektrischen Isolierung des Schaltrings 30 sowie auch seines Schutzes vor mechanische und chemische Beeinträchtigungen. Wie eingangs bereits erläutert, genügen die herkömmlichen Vergussmassen teilweise nicht den anspruchsvollen Anforderungen. Beispielsweise kann es bei einem Inkontaktkommen der Vergussmasse 26 mit Getriebe- oder Motoröl, wie dies bei einigen Elektromotoren konstruktionsbedingt der Fall ist, zur Inklusion des Öls und Aufquellen der Vergussmasse 26 kommen. Infolgedessen kann ihre Funktion beeinträchtigt werden. Zudem führen die Vergussmassen zu einem unerwünschten Mehrgewicht des Elektromotors.
Um diese Probleme zu überwinden, wird erfindungsgemäß der Schaltring 30 durch eine, mittels eines Elektrodepositionsverfahrens abgeschiedene Isolationsbeschichtung beschichtet. Auf die Vergussmasse 26 kann daher erfindungsgemäß verzichtet werden.
Der beispielhafte Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltrings 30 ist in 2 dargestellt, wobei im unteren Teil der 2 ein vergrößerter Teilausschnitt gezeigt ist.
Der hier dargestellte Schaltring 30 weist drei Schaltringelemente 32 auf, die konzentrisch ineinander liegend und in der gewählten Darstellung senkrecht stehend angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Schaltringelementen 32 ist jeweils eine Schicht eines isolierenden Materials angeordnet (nicht dargestellt), so dass die Schaltringelemente 32 elektrisch voneinander isoliert sind. Jedes Schaltringelement 32 weist eine Vielzahl von Kontaktstellen 34 auf, welche axial über die einzelnen Schaltringelemente 32 hervorstehen und radial nach innen abgewinkelt sind. Die Kontaktstellen 34 dienen der elektrischen Verschaltung der Teilwicklungen 22 des Stators 12 miteinander. Zu diesem Zweck werden die Kontaktstellen 34 mit Drahtenden der Teilwicklungen 22 elektrisch leitfähig verbunden, beispielsweise stoffschlüssig durch Schweißen oder Löten. Jedes Schaltringelement 32 weist ferner eine Anschlussstelle 36 auf, welche dem externen Anschluss des Stators 12 beispielsweise an einen Hochvoltanschluss dienen. Jedes Schaltringelement 32 zusammen mit den Kontaktstellen 34 und der Anschlussstelle 36 ist vorzugsweise jeweils einstückig aus einem Metallblech, beispielsweise aus Kupfer hergestellt.
Der Schaltring 30 kann wie in diesem Beispiel ferner einen Sternpunktring 38 aufweisen, der hier ebenfalls in koaxialer Anordnung mit den drei Schaltringelementen 32 als äußere Ringlage angeordnet ist. Zwischen dem Sternpunktring 38 und dem daran anschließenden Schaltringelement 32 ist ebenfalls eine Isolationsschicht vorhanden. Der Sternpunktring 38 bildet den elektrischen Sternpunkt der elektrischen Verschaltung für die Teilwicklungen 22. Zu diesem Zweck weist der Sternpunktring 38 radial nach innen abgewinkelte Kontaktierungsfortsätze 40 auf, die sich im montierten Zustand auf den Statorpolen 18 des Statorkerns 16 erstrecken und von den Teilwicklungen 22 umwickelt werden. Die Kontaktierungsfortsätze 40 dienen der Kontaktierung eines Endes der um die Pole 18 gewickelten Teilwicklungen 22. Dementsprechend sind bei dem vorliegenden 24-poligen Stator 12 vierundzwanzig Kontaktierungsfortsätze 40 am Sternpunktring 38 vorgesehen.
Die vorstehend beschriebene Struktur des Schaltrings 30 ist an sich bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen können auch andere Gestaltungen Anwendung finden.
Erfindungsgemäß weist nun der Schaltring 30 eine dünne Schicht 42 eines elektrisch isolierenden Polymermaterials auf, das mittels eines Elektrodepositionsverfahrens (auch als Elektrotauchlackierungsverfahren bezeichnet) auf den Schaltring 30 abgeschieden wurde. Die Isolierschicht 42 bedeckt vorzugsweise sämtliche äußeren Oberflächen des Schaltrings 30 vollständig mit Ausnahme der für elektrische Kontaktierungen bestimmten Stellen. So sind – sofern in der gegebenen Ausführung des Schaltrings 30 vorhanden – die Kontaktstellen 34, die Anschlussstellen 36 sowie die Kontaktierungsfortsätze 40 zumindest bereichsweise frei von der Isolierschicht 42 (unbeschichtet), so dass das elektrisch leitende Material des Schaltrings 30 freiliegt.
Bei dem elektrisch isolierenden Polymermaterial der Beschichtung 42 handelt es sich bevorzugt um ein Polymer, das in seiner Polymerkette Imid-Gruppen (-CO-NR-CO-) aufweist, die linear und/oder cyclisch vorliegen können. Vorzugsweise enthält das Polyimid cyclische, insbesondere aromatische Imid-Gruppen. Wiederholungseinheiten mit einer linearen sowie einer aromatischen Imid-Gruppe sind in Struktur (a) bzw. (b) dargestellt:
Derartige auch als Polyimide bezeichnete Polymere, können neben den Imid-Gruppen auch andere Gruppen aufweisen, insbesondere auch Ethergruppen (Polyetherimide), Estergruppen (Polyesterimide) und/oder Amidgruppen (Polyamidimide). Von diesen sind vorliegend Polyetherimide besonders bevorzugt. Die erfindungsgemäßen Polyimide können weiter derivatisiert sein, insbesondere fluoriert. Beispiele für besonders geeignete Fluor-Polyetherimide, die sich durch besonders niedrige Dielektrizitätskonstanten auszeichnen, sowie ihre Synthese beschreiben Vora et al. (Synthesis and Properties of Fluoro-Polyetherimides, Polymer Engineering and Science, Vol. 40, No. 6 (2000), Seiten 1318–1329; siehe dort insbesondere 2).
Zudem umfassen geeignete Polyimide auch Copolymere, in denen neben den Imid-haltigen Wiederholungseinheiten weitere Wiederholungseinheiten in der Hauptkette des Polymers vorhanden sind. Insbesondere sind hier ionische Wiederholungseinheiten vorteilhaft, da diese die Abscheidung im Wege des Elektrodepositionsverfahrens aufgrund ihrer ionischen Leitfähigkeit begünstigen. Besonders bevorzugt kommen hier anionische Gruppen oder deren Salze in Frage, beispielsweise Carboxylgruppen und/oder Sulfonsäuregruppen und/oder oder deren Salze. Weiterhin können die Polyimidcopolymere mit Vorteil hydrophobe Wiederholungseinheiten aufweisen, insbesondere Siloxanbindungen (-Si(R)₂-O-). Dies kann vor allem durch den Zusatz sog. „reaktiver Silikonfluide” erreicht werden. Es handelt sich hierbei um Silikone, die reaktive Endgruppen, wie z. B. Amine enthalten. Ein Beispiel hierfür ist das KF-8010 der Firma Shin Etsu, welches direkt bei der Herstellung des Polyimid-Lackes eingearbeitet werden kann. Die Wiederholungseinheiten können in statistischer Verteilung im Copolymer vorliegen (Random-Copolymere) oder segmentweise in Blöcken (Blockcopolymere). Besonders vorteilhafte Polyimid-Blockcopolymere, die sowohl anionische als auch Siloxan-Wiederholungseinheiten aufweisen, sind in DE 11 2008 001 233 T5 offenbart.
Die Herstellung des Schaltrings 30 beziehungsweise seine Beschichtung mit der Isolierbeschichtung 42 erfolgt nach folgendem Verfahren. Die zur Kontaktierung vorgesehenen Abschnitte 34, 36, und 40 des noch unbeschichteten Schaltrings 30 werden zunächst mit einer Schutzschicht behaftet, so dass sie im anschließenden Elektrodepositionsverfahren nicht beschichtet werden. Beispielsweise können diese Stellen mit einer Schutzfolie umklebt werden oder mit einer später zu entfernenden Lackschicht, beispielsweise einer Fotolackschicht, versehen werden. Anschließend wird der Schaltring 30 elektrisch an einer äußere Spannungsquelle angeschlossen, so dass er als Elektrode, insbesondere als positive Elektrode fungieren kann. Anschließend wird der so verschaltete Schaltring 30 in eine Lösung, Suspension oder Dispersion des elektrisch isolierenden Polymermaterials oder einer chemischen Vorläuferverbindung eines solchen in Kontakt gebracht, insbesondere in eine solche getaucht. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Schaltring 30 wird dieser als Elektrode geschaltet, mit der Folge, dass sich das Polymermaterial oder die chemische Vorläuferverbindung auf der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Schaltrings, das heißt die freiliegenden Bereiche, abscheidet.
Nach einer alternativen Strategie wird der Schaltring 30 mit den zur Kontaktierung vorgesehenen Abschnitten 34, 36, und 40 zunächst auf das Blechpaket (Statorkern) mit den Teilwicklungen 22 aufgebracht und mit den Teilwicklungen 22 des Stators in der vorgegebenen Weise elektrisch verbunden. Anschließend erfolgt die Beschichtung des gesamten Stators 12 mit dem elektrisch isolierenden Polymermaterial nach dem Elektrodespositionsverfahren. Dies hat den Vorteil, dass eine etwaige nachträgliche elektrische Isolierung der Anschlussstellen 36 bzw. Kontaktstellen 34 entfällt.
Typische Bedingungen für das Elektrodepositionsverfahren sind Stromstärken von 30 bis 100 mA bei einer Gleichspannung von ca. 30 bis 150 V für eine Dauer von 30 bis 60 Sekunden bei Raumtemperatur.
Während des Abscheidungsprozesses wird der elektrische Stromfluss überwacht. Mit zunehmender Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht sinkt üblicherweise der Stromfluss, so dass dieser einen Rückschluss auf die erzeugte Schichtdicke zulässt. Sobald eine vorbestimmte Schwelle für den Stromfluss beziehungsweise die Schichtdicke erreicht ist, wird die Abscheidung abgebrochen und der Schaltring 30 aus der Lösung, Suspension der Dispersion entfernt. Vorzugsweise erfolgt anschließend eine Wärmebehandlung, die zur Verfestigung der abgeschiedenen Schicht führt. Wird eine chemische Vorläuferverbindung für das isolierende Polymermaterial (Polyimid) verwendet, beispielsweise eine Polyamidcarbonsäure, so bewirkt die thermische Nachbehandlung auch die Überführung der Vorläuferverbindung in das Polyimid (s. u.).
Nachfolgend werden zwei bevorzugte Verfahrensvarianten für die elektrochemische Abscheidung dargestellt.
Nach einer ersten Variante wird eine chemische Vorläuferverbindung für das Polyimid eingesetzt, insbesondere eine Polyamidcarbonsäure als Precursor für ein Polyetherimid. Die Polyamidcarbonsäure kann direkt eingesetzt werden oder in der Abscheidungslösung in einem in sito Prozess im Wege einer Polyadditionsreaktion eines aromatischen Tetracarbonsäuredianhydrids mit einem aliphatischen oder aromatischen Diamin erzeugt werden. Ein Beispiel einer solchen Polyadditionsreaktion ist in nachfolgender Reaktionsgleichung (1) dargestellt.
Die aus der Polyaddition erhaltene Polyamidcarbonsäure weist in Lösung deprotonierte Carboxylgruppen auf und ist somit anionisch. Aufgrund dieser Eigenschaft wandert sie zu dem als positive Elektrode geschalteten Schaltring 30 und scheidet dort auf dessen freiliegenden metallischen Oberflächen als dünne Schicht ab. Um die Polyamidcarbonsäure in Lösung zu halten, wird die Abscheidung in einem hochpolaren Lösungsmittel durchgeführt. Im Anschluss an die Elektrodeposition erfolgt die thermische Behandlung der abgeschiedenen Schicht bei Temperaturen von vorzugsweise 70 bis 220°C (in einer mehrstufigen Trocknung, bevorzugt dreistufige Trochnung), wobei die Vorläuferverbindung Polyamidcarbonsäure zum Polyimid (hier Polyetherimid) cyclisiert (siehe Gleichung 2).
Das entstandene Polyetherimid zeichnet sich durch eine hohe Härte und Temperaturbeständigkeit sowie einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit aus. Die Verwendung einer Vorläuferverbindung wie vorstehend dargestellt hat den Vorteil, dass diese im Gegensatz zum fertigen Polyimid in Lösung ionisch und noch löslich vorliegt und somit im Wege der Elektrodeposition abgeschieden werden kann.
In einer alternativen Vorgehensweise wird ein Polyimid verwendet und direkt abgeschieden, das in seiner Hauptkette ionische, insbesondere anionische Gruppen enthält. Hier bieten sich Polyimid-Copolymere an, vorzugsweise Blockcopolymere, die anionische Segmente, insbesondere carboxylat- oder sulfonathaltige Segmente aufweisen. Diese können in Form einer Suspension oder Dispersion kleiner Polyimidteilchen mit Teilchendurchmessern von 0,5 bis 5 μm dargestellt werden. Vorzugsweise weisen diese noch weitere Segmente aus Polysiloxanblöcken auf. Diese, beispielsweise in DE 11 2008 001 233 T5 beschriebenen Polyimid-Blockcopolymere zeichnen sich durch eine besonders gute Lagerstabilität in Suspension aus.
Ein erfindungsgemäßer Stator, kann dem in 1 dargestellten Stator 12 entsprechen, außer dass keine Vergussmasse 26 vorhanden ist und dass ein erfindungsgemäßer Schaltring, wie beispielsweise in 2 beschrieben, verwendet wird.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Maschine/Elektromotor
12: Stator
14: Statorgehäuse
16: Statorkern (Blechpaket)
18: Statorpol
20: Nut
22: Teilwicklung
24: Wicklung
26: Vergussmasse
30: Schaltring
32: Schaltringelemente
34: Kontaktstelle
36: Anschlussstelle
38: Sternpunktring
40: Kontaktierungsfortsatz
42: Isolatierbeschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1505711 A2 [0003]
DE 102004036368 A1 [0003]
DE 102008007409 A1 [0003, 0003]
DE 102011115405 A1 [0003, 0003]
DE 112008001233 T5 [0042, 0051]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Vora et al. (Synthesis and Properties of Fluoro-Polyetherimides, Polymer Engineering and Science, Vol. 40, No. 6 (2000), Seiten 1318–1329 [0041]

Claims

Schaltring (30) für eine elektrische Maschine (10) mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Schaltringelement (32), das eine Vielzahl von Kontaktstellen (34) zur elektrischen Verbindung mit Teilwicklungen (22) eines Stators (12) oder Rotors der elektrischen Maschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltring (30) eine Isolierbeschichtung (42) aufweist, die ein Polymer umfasst und mittels eines Elektrodepositionsverfahrens hergestellt ist.
Schaltring (30) nach Anspruch 1, wobei die Isolierbeschichtung (42) ein Imid-Gruppen aufweisendes Polymer umfasst, umfassend Polyetherimide, Polyesterimide und Polyamidimide, sowie Derivate, Mischungen und Copolymere von diesen.
Schaltring (30) nach Anspruch 2, wobei das Imid-Gruppen aufweisende Polymer ein Copolymer ist, das neben Imid-Gruppen ionische Wiederholungeinheiten oder deren Salze oder Säuren aufweist.
Schaltring (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Schichtdicke der Isolierbeschichtung (42) 100 nm bis 250 μm, insbesondere von 100 nm bis 100 μm, vorzugsweise 1 μm bis 100 μm.
Elektrische Maschine (10), umfassend einen Stator (12) und einen Rotor, wobei der Stator (12) und/oder der Rotor eine Wicklung (24) mit einer Vielzahl von Teilwicklungen (22) aufweist, sowie einen Schaltring (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher die Teilwicklungen (22) elektrisch miteinander verschaltet.
Verfahren zur Herstellung eines Schaltrings (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einer elektrischen Maschine (10) nach Anspruch 5, wobei ein Schaltring (30), zumindest abschnittsweise mit einer Lösung, Suspension oder Dispersion eines elektrisch isolierenden Polymermaterials oder einer chemischen Vorläuferverbindung eines solchen in Kontakt gebracht wird und durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Schaltring (30) dieser als Elektrode geschaltet wird, so dass das Polymermaterial oder die chemische Vorläuferverbindung sich auf der Oberfläche des Schaltrings (30) abscheidet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Abscheidungsverlauf des Polymermaterials oder der chemischen Vorläuferverbindung durch Erfassung des Stromflusses überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die abgeschiedene Schicht einer ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung zur Verfestigung und/oder zur Überführung der Vorläuferverbindung in das isolierende Polymermaterial unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Schaltring (30) vor dem Inkontaktbringen mit der Lösung, Suspension oder Dispersion auf einen Stator (12) oder Rotor der elektrischen Maschine (10) montiert und elektrisch verschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mit dem Schaltring (30) montierte Stator (12) oder Rotor zumindest teilweise oder vollständig mit dem Polymermaterial oder der Vorläuferverbindung beschichtet wird.