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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einem Gehäuse, in dem der Stator und der Rotor untergebracht sind, und einem Spaltrohr, das den Stator von dem Rotor trennt, wobei ein Raum von dem Gehäuse, dem Stator und dem Spaltrohr begrenzt ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Maschine.
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Generatoren, die im Unterwasserbetrieb eingesetzt werden, stellt die Abdichtung zum umgebenden Medium ein herausragendes Problem dar. Speziell sollen elektrische Maschinen auch in größerer Wassertiefe sicher betrieben werden können. Dazu ist in der Regel der Statorraum gegenüber der Umgebung abzudichten.
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Eine bewährte Ausführung dieser Abdichtung kann mittels eines Spaltrohrs, das zwischen dem Stator und dem Rotor eingebracht wird, erreicht werden. Da ein derartiges Spaltrohr in dem Spalt zwischen Stator und Rotor verläuft, werden an das Spaltrohr spezielle Anforderungen gestellt. So muss es zum einen nicht-magnetisch sein, um die magnetische Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator nicht zu beeinflussen. Darüber hinaus darf das Spaltrohr nicht elektrisch leitend sein, damit Wirbelströme vermieden werden. Außerdem ist die Wandstärke des Spaltrohrs möglichst gering zu halten, damit aus Gründen des Wirkungsgrads der Spalt zwischen Stator und Rotor klein ausgebildet sein kann. Dennoch soll das Spaltrohr insbesondere die Abdichtfunktion erfüllen und den Stator im Gehäuse der elektrischen Maschine von der Umgebung abschotten.
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Bislang sind für Unterwasseranwendungen elektrische Maschinen bekannt, bei denen der Stator durch ein Spaltrohr im Gehäuse abgedichtet ist. Derart ausgestaltete elektrische Maschinen sind meist nur bis zu einer Tauchtiefe von 40 m geeignet, da aufgrund der elektromagnetischen Notwendigkeit das Spaltrohr dünnwandig auszuführen ist und daher bei großen Spaltrohrdurchmessern keine ausreichende Festigkeit in großen Tauchtiefen gegeben ist.
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Darüber hinaus sind für Unterwasseranwendungen auch elektrische Maschinen bekannt, deren Stator in das jeweilige Gehäuse gegossen ist. Die dadurch erzielte Abdichtung ist bei kleineren Maschinen meist hochwertig. Bei größeren Maschinen mit Gehäuseverguss kommt es aufgrund von Thermospannungen jedoch häufig zu Rissbildungen im Vergussmaterial, so dass durch diese Risse Wasser in das Wicklungssystem eindringen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, die zuverlässig abgedichtet ist, sodass sie für Unterwasseranwendungen einsetzbar ist. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine solche elektrische Maschine angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einem Gehäuse, in dem der Stator und der Rotor untergebracht sind, und einem Spaltrohr, das den Stator von dem Rotor trennt, wobei ein Raum von dem Gehäuse, dem Stator und dem Spaltrohr begrenzt ist und der Raum mit einer ausgehärteten Vergussmasse gefüllt ist.
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In vorteilhafter Weise ist also der Raum, der von dem Gehäuse, dem Stator und dem Spaltrohr begrenzt ist, durch die ausgehärtete Vergussmasse gefüllt. Dadurch kann die Vergussmasse das Spaltrohr von außen stützen, sodass die elektrische Maschine auch in tieferen Gewässern betrieben werden kann. Darüber hinaus wird durch die Vergussmasse zusätzlich Wärme von den Wicklungen des Stators zum Gehäuse und Spaltrohr transportiert. Damit ist eine effizientere Entwärmung der elektrischen Maschine gewährleistet. Das Spaltrohr dient der qualitativ hochwertigen Abdichtung.
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Vorzugsweise besitzt die Vergussmasse als Hauptbestandteil ein Harz, ein Silikon oder einen Gummi. Derartige Materialien eignen sich wegen ihrer Aushärtbarkeit (Polymerisation) für den erfindungsgemäßen Einsatz.
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Darüber hinaus kann der Raum, der in der elektrischen Maschine ausgegossen wird, einen Wickelkopfraum umfassen, in dem ein Wickelkopf des Stators untergebracht ist. In derartigen Wickelkopfräumen kann durch die ausgehärtete Vergussmasse so auch eine Abstützwirkung in Bezug auf das Spaltrohr realisiert werden. Darüber hinaus ist es insbesondere für Wickelkopfräume günstig, wenn sie eine ausreichende Entwärmung gewährleisten, was durch die Vergussmasse zusätzlich gegeben ist.
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Vorteilhafterweise ist das Spaltrohr nach außen hin vollständig abgestützt, wobei die ausgehärtete Vergussmasse neben dem Stator die wesentlichen Stützen darstellen. Dabei stützt meist die Innenseite des Stators den Großteil des Spaltrohrs in der axialen Mitte. Im Wickelkopfbereich wird das Spaltrohr dann üblicherweise durch die Vergussmasse gestützt, und an den äußersten Rändern erfolgt eventuell noch eine weitere Stützung durch Ringe bzw. Gehäusekomponenten.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einem Gehäuse, in dem der Stator und der Rotor untergebracht sind, und einem Spaltrohr, das den Stator von dem Rotor trennt, wobei ein Raum von dem Gehäuse, dem Stator und dem Spaltrohr begrenzt ist, durch Evakuieren des Raums in dem Gehäuse, Einfließenlassen einer flüssigen Vergussmasse in den Raum getrieben durch den beim Evakuieren entstehenden Unterdruck und Aushärtenlassen der Vergussmasse in dem Raum.
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In vorteilhafter Weise kann durch das Evakuieren der Raum, der vom Gehäuse, dem Stator und dem Spaltrohr begrenzt ist, vollständig mit der flüssigen Vergussmasse gefüllt werden, ohne dass das Spaltrohr beschädigt wird. Ein vollständiges Füllen des Raums um die Statorwicklungen ist in der Regel durch Einpressen der Vergussmasse nicht möglich, denn dabei bleiben in der Regel Lufträume bestehen. Darüber hinaus besteht beim Einpressen die Gefahr, dass der Druck zu hoch wird und von außen dadurch zu hohe Kräfte auf das Spaltrohr einwirken und dieses dadurch geschädigt bzw. zerstört wird.
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Vorzugsweise wird vor dem Einfließenlassen der Vergussmasse das Gehäuse erwärmt, insbesondere auf 40 bis 50°C. Durch das Erwärmen wird gewährleistet, dass die Vergussmasse nicht an den Wänden durch Wärmeabgabe sehr zähflüssig wird und dadurch das Einbringen der Vergussmasse behindert.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Vergussmasse vor dem Einfließenlassen in das Gehäuse bei einem niedrigeren Druck entgast wird als der Unterdruck beim Evakuieren. Mit dem etwas höheren Druck beim Einfließenlassen kann sichergestellt werden, dass die Vergussmasse beim Einfließen nicht mehr ausgast.
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Außerdem kann beim Einfließenlassen der Unterdruck in der Größenordnung konstant gehalten werden. Dies bedeutet, dass das Einfließen der Vergussmasse bis zur vollständigen Füllung des Raums in dem Gehäuse unter nahezu konstanten Bedingungen erfolgt. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn der Druck beim Evakuieren zunächst auf 10 mbar eingestellt wird und er dann während des Einfließenlassens der Vergussmasse durch eine Vakuumpumpe zwischen 10 und 20 mbar gehalten wird.
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Der Füllstand der Vergussmasse kann beim Einfließenlassen an einem Steigerrohr angezeigt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nicht zu viel Vergussmasse in den Raum gegeben wird, was dazu führen könnte, dass die Vakuumpumpe beschädigt bzw. zerstört wird.
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Beim Aushärtenlassen ist es vorteilhaft, wenn die Wicklung des Stators bestromt wird. Damit lässt sich die Vergussmasse für einen längeren Zeitraum, beispielsweise mindestens ein Tag, auf ca. 100°C aufheizen. Dadurch wird der Aushärteprozess entsprechend beschleunigt oder erst ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Längsschnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die exemplarische Maschine (z.B. Generator oder Motor) in der Figur besitzt einen Stator 1 mit einem Statorblechpaket 2. Das Statorblechpaket 2 ist mit zwei stirnseitigen Druckringen 3 zusammengedrückt bzw. gehalten. Stirnseitig ragen aus dem hohlzylindrischen Statorblechpaket 2 hier Wickelköpfe 4. An der Außenseite ist das Statorblechpaket 2 von einem Gehäusemantel 5 umgeben, der Teil eines Gehäuses der elektrischen Maschine ist. Der Gehäusemantel 5 kann das Statorblechpaket 2 direkt berühren oder es können sich dazwischen auch weitere Funktionsbauteile der elektrischen Maschine befinden.
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Zu dem Gehäuse der elektrischen Maschine zählt neben dem Gehäusemantel 5 im vorliegenden Beispiel auch ein Anschlussstutzen 6 für einen elektrischen Anschluss sowie zwei stirnseitige Gehäuseringe 7. Das Gehäuse kann aber auch anders gestaltet sein, beispielsweise einteilig oder mit mehr als in der Figur dargestellten Komponenten.
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In dem in der Figur dargestellten Beispiel ist an der Innenseite der stirnseitigen Gehäuseringe 7 ein Rotor 8 beispielsweise mittels Gleitlager gelagert. Der Rotor 8 besitzt im vorliegenden Beispiel eine Hohlwelle 9 (alternativ auch eine Vollwelle) und ein außenseitig darauf aufgebrachtes Rotorblechpaket 10. An dessen Außenseite wiederum sind zahlreiche Permanentmagnete 11 angeordnet. Der Rotor 8 dreht sich um die Drehachse 12 der elektrischen Maschine.
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Diese Art der elektrischen Maschine ist jedoch lediglich beispielhaft. Die Maschine kann bezogen auf die obigen Grundkomponenten auch eine vollkommen andere Struktur besitzen. Insbesondere kann es sich auch um eine Außenläufermaschine handeln oder eine Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer.
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In dem in der Figur dargestellten Beispiel grenzt nun innenseitig an das Ständerblechpaket ein Spaltrohr 13. Dieses befindet sich also im Spalt zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 8. Sein Hauptzweck besteht darin, den Stator 1 und insbesondere seine elektrischen Wicklungen von der Umgebung abzudichten. Der Stator 1 ist somit dicht zwischen dem Gehäuse (hier beispielsweise die Komponenten 5, 6 und 7) und dem Spaltrohr 13 eingeschlossen. Der Stator 1 füllt aber diesen Innenraum zwischen Gehäuse und Spaltrohr 13 nicht komplett aus, insbesondere nicht im Bereich der Wickelköpfe 4. Daher ergibt sich ein Raum, der durch das Gehäuse, das Spaltrohr 13 und den Stator 1 begrenzt ist. Dieser Raum kann beispielsweise der erste Raum 14 sein, der sich in der Figur auf der linken Seite des Stators um den dortigen Wickelkopf 4 ergibt. Der Raum kann aber auch ein zweiter Raum 15 sein, der sich in der Figur auf der rechten Seite des Stators 1 um den dortigen Wickelkopf 4 ergibt. Gegebenenfalls sind die beiden Räume 14, 15 auch miteinander verbunden und bilden somit einen gemeinsamen Raum.
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Der linke, erste Raum 14 ist im vorliegenden Beispiel ausschließlich durch das Gehäuse (Gehäusemantel 5 und Gehäusering 7), das Spaltrohr 13 und den Stator 1 begrenzt. Unter Umständen sind in diesem Raum 14 aber noch weitere Komponenten, z.B. Schaltungskomponenten enthalten, die den ersten Raum 14 dann ebenso begrenzen. Gleiches gilt für den rechten, zweiten Raum 15, der hier direkt in den Anschlussstutzen 6 mit der Anschlussbuchse 16 führt. Auch sind in dem Raum 15 Anschlusskomponenten 17 für den Stator 1 symbolisiert. All diese Komponenten, die als Teil des Gehäuses oder des Stators 1 betrachtet werden können, begrenzen dann auch den Raum 15.
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Um eine ausreichende Dichtwirkung durch das Spaltrohr 13 zu erzielen, üben die stirnseitigen Gehäuseringe 7 einen gewissen Druck auf das Spaltrohr 13 aus. Um dem standzuhalten, sind die Enden des Spaltrohrs 13 verstärkt.
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Die Räume 14 und 15 sind erfindungsgemäß mit einer Vergussmasse, die letztlich ausgehärtet ist, gefüllt. Dadurch wird das Spaltrohr 13 nach außen hin abgestützt, sodass es auch hohen Drücken, die von der Rotorseite einwirken, standhalten kann. Die Vergussmasse 18 in den Räumen 14 und 15 erfüllt außerdem die Aufgabe der verbesserten Wärmeleitung zwischen dem Stator 1 (insbesondere dessen Wickelköpfen 4) und dem Gehäuse bzw. dem Spaltrohr 13.
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Als Vergussmasse 18 eignet sich beispielsweise ein Zweikomponentenepoxidharzsystem wie beispielsweise das System Elantron® (MC62/W363) von der Firma ELANTAS. Es können aber auch andere Vergussmassen auf der Basis von Silikon oder Gummi verwendet werden. Nützlich ist, wenn der Ausdehnungskoeffizient der Vergussmasse nicht zu hoch ist, damit kein allzu hoher Druck auf das Spaltrohr bei thermischen Schwankungen ausgeübt wird. Gegebenenfalls können Zusätze zur Wärmeleitung oder zur Verbesserung anderer Eigenschaften der Vergussmasse beigefügt werden. Durch die Vergussmasse kann so beispielsweise auch die Isolationsfestigkeit des Wicklungssystems erhöht werden.
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Durch den Verguss des Hohlraums zwischen Gehäuse, Spaltrohr und Stator kann eine mechanische Überlastung des Spaltrohrs durch den innenseitig anliegenden Umgebungsdruck verhindert werden. Aufgrund dieser Stützwirkung des Vergusses kann das Spaltrohr, das eine hervorragende Dichtigkeitseigenschaft gewährleistet, auch bei sehr hohen Umgebungsdrücken eingesetzt werden. Damit sind auch bei großen elektrischen Maschinen wasserdichte Ausführungen möglich, die eine Tauchtiefe bis weit über 100 m (10 bar) ermöglichen.
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Nachfolgend wird beispielhaft ein Verfahren dargestellt, wie die oben beschriebene elektrische Maschine hergestellt werden kann. Dabei erfolgt das Vergießen des Raums bzw. der Räume zwischen Gehäuse, Spaltrohr und Stator vorzugsweise dadurch, dass die Vergussmasse mittels Unterdruck in das Statorgehäuse eingesaugt wird. Hierzu können die nachfolgenden Verfahrensschritte angewandt werden. Dabei ist es nicht notwendig, dass alle Verfahrensschritt durchgeführt werden, dass die genannte Reihenfolge eingehalten wird oder dass keine anderen Verfahrensschritte hinzukommen.
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Bei einem bevorzugten Verfahren wird das Statorgehäuse zunächst im Ofen oder mittels Bestromung der Wicklung auf 40 bis 50°C vorgewärmt. Diese Temperatur ist hier für das oben genannte Zweikomponentenexpoxidharzsystem optimiert. Sie kann für andere Vergussmassen auch anders gewählt werden. Davor, danach oder gleichzeitig wird das Statorgehäuse, d.h. der Raum zwischen Statorgehäuse und Spaltrohr auf einen ersten Unterdruck p1 evakuiert. Dieser erste Unterdruck p1 kann beispielsweise bei 10 mbar liegen. Das Evakuieren des Statorgehäuses hat darüber hinaus den Vorteil, dass damit nahezu die gesamte Feuchtigkeit aus dem Gehäuse entfernt wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, der von den obigen Verfahrensschritten unabhängig ist, ist vorgesehen, dass die Vergussmasse im flüssigen Zustand angerührt und entgast wird. Bei dem Anrühren kann einerseits ein Härter zugefügt werden und andererseits können etwaige Zusatzstoffe zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, der Isolationsfestigkeit etc. in der Vergussmasse aufgerührt werden. Für das Entgasen sollte ein zweiter Unterdruck p2 gewählt werden, der niedriger ist als der erste Unterdruck, d.h. p2 < p1. Dies hat den Zweck, dass die Vergussmasse beim Einbringen in das Statorgehäuse nicht weiter ausgast.
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Je nach Struktur der elektrischen Maschine ist das Statorgehäuse beim Vergießen günstigerweise schräg zu stellen, damit die Vergussmasse in den gesamten Hohlraum eindringen kann. Während des Vergusses sollte außerdem der Unterdruck im Gehäuse (also in dem Raum, der durch das Gehäuse, das Spaltrohr und den Stator begrenzt ist) mithilfe einer Vakuumpumpe in etwa konstant gehalten werden. Insbesondere sollte der Unterdruck in der Größenordnung gleich bleiben. Im gewählten Beispiel ist es günstig, wenn der Druck auf 10 bis 20 mbar gehalten wird.
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An der Saugseite, an der der zu evakuierende Raum an der Vakuumpumpe hängt, sollte ein (transparentes) Steigerrohr vorgesehen sein. Der Durchmesser dieses Steigerrohrs liegt für das genannte Zweikomponentenepoxidharzsystem vorzugsweise bei 50 bis 60 mm. Mit diesem Steigerrohr kann der Füllstand der Vergussmasse angezeigt werden, wodurch sich verhindern lässt, dass die Vergussmasse in die Vakuumpumpe gerät.
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Um im Betrieb Thermospannungen in der Vergussmasse zu vermeiden, sollte diese während des Aushärtevorgangs auf ca. 100°C aufgeheizt werden. Dies wird am einfachsten durch Bestromen des Wicklungssystems des Stators erreicht. Das Aushärten auf diese Weise dauert bei größeren Maschinen mindestens einen Tag. Das geschilderte Aushärteverfahren ist wieder auf das spezielle Zweikomponentenepoxidharzsystem ausgerichtet und kann bei anderen Vergussmassen entsprechend anders ausgestaltet sein.
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Erfindungsgemäß ist also der Raum, der durch das Gehäuse, das Spaltrohr und den Stator begrenzt ist (insbesondere der Statorwicklungsraum) zur besseren thermischen Anbindung und Stützung des Spaltrohrs mit Vergussmasse gefüllt. Es wird dadurch sichergestellt, dass das dünnwandige Spaltrohr auch bei großen Tauchtiefen (hoher Umgebungsdruck) nicht mechanisch überlastet wird. Durch die Funktionstrennung, wonach das Spaltrohr für die notwendige Abdichtung sorgt und der Statorverguss für die entsprechende Druckaufnahme sorgt, können elektrische Maschinen auch für Anwendungen in sehr hohen Umgebungsdrücken sicher abgedichtet werden.
