DE102013219765A1 - Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff für Elektromotorengehäuse sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung dazu - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen wärmeleitfähigen, faserverstärkten Kunststoff für Elektromotorengehäuse, insbesondere einen mit geringem Gewicht, also in Leichtbauweise. Durch die Erfindung wird erstmals ein Gehäuseaufbau für Elektromotoren mit Materialmodifikationen von faserverstärkten Kunststoffen wie carbonfaserverstärktem Kunststoff zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung durch die Einbringung von höher wärmeleitfähigen Materialien, beispielsweise von Metallstiften, in Kombination mit der Gehäusekühlung über einen flüssigkeitsdurchströmten Kühlmantel. Dadurch wird eine neuartige Technologie für eine wärmeableitende Gehäuserealisierung in Faserverbundtechnik dargestellt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen wärmeleitfähigen, faserverstärkten Kunststoff für Elektromotorengehäuse, insbesondere einen mit geringem Gewicht, also in Leichtbauweise.
- Die Gehäuse von Elektromotoren werden aktuell standardmäßig in metallischer Ausführung realisiert. Metallische Werkstoffe haben sich in diesem Bereich etabliert, da sie eine günstige Eigenschaftskombination aus strukturmechanischen und Wärmeleiteigenschaften aufweisen.
- Elektromotorengehäuse im Bereich Antriebe, Fahrzeuge etc. bestehen aktuell hauptsächlich aus metallischen Legierungen, insbesondere Leichtmetallen wie Aluminium, Gusslegierungen, und Magnesium. Für die Kühlung werden dabei oft Rippenstrukturen und/oder flüssigkeitsgeführte Kühlmäntel eingesetzt, die beispielsweise aus metallischen Rohrschlangen bestehen.
- Daneben gibt es faserverstärkte Kunststoffe FVKs, die teilweise zur Substitution von Metallteilen eingesetzt werden. Beispielsweise werden dazu faserverstärkte Polymere eingesetzt, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2012 205530.4 bekannt sind. - Werden hohe Anforderungen an die Entwärmung gestellt, werden in der Regel keine polymeren Faserverbunde eingesetzt, sondern Leichtmetalllegierungen wie Aluminium. Dies insbesondere deshalb, weil Faserverbunde zwar entlang der Faserrichtung eine deutliche Wärmeleitfähigkeit haben, allerdings quer zur Faserrichtung sinkt die Wärmeleitfähigkeit bei Kohlefasern auf Werte bis zu 0,5 bis 1 W/mK. Diese Faserverbundkunststoffe können dann Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 230 W/mK hat, unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung nicht substituieren.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verbundmaterial ausgehend von einem Faserverbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, das Leichtmetalllegierungen im Elektromotorengehäusebau substituieren kann, weil es eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit, insbesondere auch quer zur Faserverstärkung, hat.
- Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, der Figur und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
- Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff, eine bettende Matrix mit Verstärkungsfasern umfassend, wobei hochwärmeleitfähige Bereiche vorgesehen sind, die zumindest teilweise quer zur Verstärkungsfaserrichtung angeordnet sind und die mit hochwärmeleitfähigen Materialien wie Metall, Metalllegierungen, wärmeleitfähigen Fasern wie Pech-, Aluminiumoxid-, Bornitrid- und/oder Sililziumcarbid angereichert sind.
- Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines gut wärmeleitfähigen faserverstärkten Verbundmaterials, wobei entweder Schichtstapel wechselweise aus Schichten von Faserverstärktem Kunststoff und wärmeleitfähigem Material laminiert oder vorimprägnierte Faserverbundhalbzeuge abwechselnd mit den Metallfolien und den faserverstärkten Kunststoffen geschichtet oder in den noch unausgehärteten Verbund von bettender Matrix und Verstärkungsfasern Metallstifte eingebracht werden.
- Der Begriff "hochwärmeleitfähig" wird vorliegend in Relation zur Wärmeleitfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen, nicht in Relation zu typischen wärmeleitfähigen Materialien wie Metall gesehen.
- Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird der wärmeleitfähige und faserverstärkte Kunststoff mit einem Leichtbauwärmetauscher kombiniert derart, dass eine wärmeleitfähige Vorrichtung mit Hohlräumen so mit dem wärmeleitfähigen und faserverstärkten Kunststoff verbunden wird, dass die hochwärmeleitfähigen Bereiche wärmeleitend an den Leichtbauwärmetauscher anschließen.
- Als hochwärmeleitfähige Bereiche sind insbesondere Querverbindungen zwischen den Verstärkungsfasern vorgesehen. Diese können beispielsweise als Metallstifte, so genannte "Z-Pins" vorliegen und in Dickenrichtung in das beispielsweise carbonfaserverstärkte Kunststoffmaterial (CFK) eingebracht werden.
- So wird beispielsweise vorgeschlagen, für ein Motorengehäuse eine stoffliche Kombination von CFK und Metallen, insbesondere Kupfer/Aluminium, in der Weise durchzuführen, dass Metallstifte in Dickenrichtung in das CFK eingebracht werden. Alternativ könnte als Material für die Pins auch hochwärmeleitfähiges Fasermaterial, beispielsweise auf der Basis von Pech-/ Aluminiumoxid, Bornitrid, Siliziumcarbid, eingesetzt werden.
- Dabei wird durch die FCK-Schichten, also durch die Schichten, die aus einer bettenden Matrix und Verstärkungsfasern bestehen, die hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Dichte gewährleistet und durch die Metallstifte die verbesserte Wärmeleitfähigkeit des Verbundes in Dickenrichtung, also in Stapelrichtung des Schichtstapels, realisiert.
- Ein wärmeleitfähiger Faserverstärkter Kunststoff umfasst beispielsweise Schichten aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) mit beispielsweise einem Flächengewicht im Bereich von 50g/m2 bis 1000g/m2 und Metallstiften, deren Durchmesser und Anordnung variieren.
- Vorteilhaft ist beispielsweise eine Aufweitung der Stiftköpfe zur Vergrößerung der Wärmeeinkopplungsfläche. Durch die Metallstifte wird eine lokale starke Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung erzielt.
- Zusätzlich zur Variation der Metallstifte sind auch Varianten der Verstärkungsfasern denkbar. So können die Fasern sowohl polyacrylnitril- als auch pechbasiert sein. Zusätzlich hierzu können kohlenstoffbasierte Partikel, wie Graphit, gemahlene Kohlenstofffasern, gemahlene Kohlenstofffasern auf Basis von Polyacrylnitril- oder Pechfasern sowie metallische Partikel, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, ..., oder keramische wärmeleitfähige Partikel wie Metalloxidpartikel wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Bornitrid (BN), Siliziumkarbid (SiC), Siliziumoxid (SiO2) eingebracht werden, um die Wärmeleitfähigkeit weiter steigern zu können.
- Als bettende Matrix werden Polymere eingesetzt wie Duromere, Elastomere, Thermoplaste etc. letztendlich können je nach Anwendung auch Biopolymere eingesetzt werden.
- 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. Auch Kohlefaserverstärkte Kunststoffe und Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind geeignet. Daneben kommen Fasern wie Keramikfasern, Glasfasern, Stahlfasern, Basaltfasern, Nylonfasern und/oder Aramidfasern oder Kombinationen dieser Faser- und/oder Verbund-Materialien auszuführen.
- 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 des faserverstärkten Kunststoffes kann die Masse der tragenden Elemente eines Gehäuses deutlich reduziert werden, wodurch deutlich gesteigerte Leistungsgewichte der Motoren erreicht werden können.
- Insbesondere kann auch zwischen Langfaser und Kurzfaserverstärkung gewählt werden, was die Anpassung des jeweiligen Kunststoffes auf spezielle Bedürfnisse weiter verbessert. Beispielsweise dient das erfindungsgemäße Material zur Herstellung von Statorengehäusen. Bei einem Statorengehäuse wird ein aktiver Motorrotor, der rund ist, mit einem Motorstator, der sich ebenfalls rund um den Motorrotor legt, ummantelt.
- Dieser Aufbau für Elektromotoren wird beim Verbau in ein Gehäuse integriert und gekühlt. Hier kann beispielsweise das Material gemäß der Erfindung als Gehäusematerial vorteilhaft eingesetzt werden. Dabei wird als Kühltechnik vorgeschlagen, eine Kombination des wärmeleitfähigen und faserverstärkten Kunststoffes mit einem Leichtbauwärmetauscher einzusetzen.
- Dabei wird das Gehäuse, das aus dem wärmeleitfähigen Faserverstärkten Kunststoff ist, noch mit einem weiteren Verbundmaterial ummantelt. Das weitere Verbundmaterial bildet eine Kühlmanschette, in der Hohlräume integriert sind, durch die Luft, Wasser oder ein sonstiges Wärmetauschermedium geführt werden kann.
- Um das Leichtbaupotential eines Gehäuses aus wärmeleitfähigem Faserverstärktem Kunststoff besonders gut nutzen zu können, wird bevorzugt der Leichtbauwärmetauscher auch gewichtsoptimiert ausgeführt.
- Beispielsweise kann ein flüssigkeitsdurchströmter Folienwärmetauscher eingesetzt werden. Zur Herstellung werden zwei Folien über Tiefziehen oder Heißverpressen verbunden, wobei zwischen den Folien ein Hohlraum bleibt, der zur verbesserten Strömungsführung und zur mechanischen Stabilisierung des Systems mit Stegen oder punktförmigen Abstandshaltern versehen ist. Dies wird auch als "Twin-Sheet-Technologie" bezeichnet.
- Durch thermoplastische Umformung kann ein entsprechender Radius zur Anpassung an das Statorengehäuse realisiert werden oder die Folien werden stofflich, beispielsweise als thermoplastische Elastomere, und/oder konstruktiv, beispielsweise als dehnbare Mäanderelemente flexibel ausgeführt.
- Neben der klassischen Ausführung von flüssigkeitsdurchströmten Wärmetauscherrohren und/oder Kühlschlangen aus Metall wie beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, und ähnlichem, die entsprechend in Umfangsrichtung oder senkrecht dazu mäanderförmig gebogen werden, sind Rohre aus wärmeleitfähigem Faserverstärktem Kunststoff wegen des reduzierten Gewichts und der leichten Formanpassung auch für diese Anwendung besonders interessant.
- Für beide Flüssigkeitskühlsysteme ist es vorteilhaft auf dem Gehäuseumfang, beispielsweise eines Statorengehäuses, eine Schicht aufzubringen, die die über die Z-Pins lokal abgeleitete Wärme zunächst flächig verteilt und dann eine flächige Einkopplung in das Flüssigkeitskühlsystem erlaubt. Eine einfache Ausführung ist beispielsweise die über ein dünnes Aluminiumblech /-folie, welche stoffschlüssig auf das Gehäuse aus wärmeleitfähigem, faserverstärktem Kunststoff aufgebracht wird.
- Das Verfahren zur Herstellung des wärmeleitfähigen, faserverstärkten Kunststoffes umfasst mehrere Methoden, die je nach Bedarf gleichgut verwendbar sind.
- Prepreg-Technologie:
- Vorimprägnierte Faserverbundhalbzeuge werden abwechselnd mit den Metallfolien bzw. dem Metallgewebe geschichtet und im Falle der strukturierten Folientechnik evtl. mit zusätzlichen Partikeln für die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in z-Richtung, beispielsweise als Trockenstreuung eingebracht, modifiziert.
- Handlaminieren:
- Trockene Faserlagen werden per Hand mit Harz getränkt und abwechselnd mit Metallfolien bzw. Metallgeweben belegt. Zur Steigerung der Dicken-Leitfähigkeit kann auch ein, wie oben beschriebenes partikelmodifiziertes, Harz eingesetzt werden.
- Stifteinbringung:
- Die Einbringung der Stifte erfolgt in den noch unausgehärteten Verbund, indem passende Löcher unter Verwendung eines speziellen Stanzwerkzeuges in den Schichtaufbau eingebracht werden. Manuell werden anschließend die passenden Metallstifte eingebracht.
- Aushärtung:
- Die Konsolidierung des wärmeleitfähigen, faserverstärkten Kunststoffs erfolgt bei beiden Herstellungsmethoden unter intrinsischem Druck innerhalb eines Vakuumsacks bei erhöhter Temperatur mit Hilfe des Pressverfahrens.
- Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein Statorengehäuse zeigt, näher erläutert.
- Die Figur zeigt einen Stator und ein Statorengehäuse:
Zu erkennen ist von innen nach außen der Aktivteil Motorrotor1 , ihn umgebend der Aktivteil Motorstator2 , beide von dem Gehäuse3 , das aus wärmeleitfähigem, faserverstärkten Kunststoff gemäß der Erfindung mit den Z-Pins4 hergestellt ist, ummantelt. Ganz außen befindet sich in dem hier gezeigten Beispiel noch der Leichtbauwärmetauscher5 , der das Gehäuse3 aus wärmeleitfähigem, faserverstärkten Kunststoff umgibt. - Durch die Erfindung wird erstmals ein Gehäuseaufbau für Elektromotoren mit Materialmodifikationen von faserverstärkten Kunststoffen wie carbonfaserverstärktem Kunststoff zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung durch die Einbringung von höher wärmeleitfähigen Materialien, beispielsweise von Metallstiften, in Kombination mit der Gehäusekühlung über einen flüssigkeitsdurchströmten Kühlmantel. Dadurch wird eine neuartige Technologie für eine wärmeableitende Gehäuserealisierung in Faserverbundtechnik dargestellt.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012205530 [0004]
Claims (9)
- Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff, eine bettende Matrix mit Verstärkungsfasern umfassend, wobei hochwärmeleitfähige Bereiche vorgesehen sind, die zumindest teilweise quer zur Verstärkungsfaserrichtung angeordnet sind und die mit hochwärmeleitfähigen Materialien angereichert sind.
- Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 1, wobei das hochwärmeleitfähige Material beispielsweise ein Metall, eine Metalllegierung, wärmeleitfähigen Fasern wie Pech-, Aluminiumoxid-, Bornitrid- und/oder Sililziumcarbid umfasst.
- Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, der mit einem Wärmetauscher in Leichtbauweise derart kombiniert vorliegt, dass die hochwärmeleitfähigen Bereiche wärmeleitend mit dem Wärmetauscher in Leichtbauweise gekoppelt sind.
- Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Verstärkungsfasern, ausgewählt sind aus der Gruppe folgender Verbindungen: Kohlenstofffasern, Polyacrylnitril- und/oder Pechfasern, keramische Fasern, Fasern aus Aluminiumoxid, Bornitrid und/oder Siliziumcarbid, Glasfasern, Stahlfasern, Basaltfasern, Nylonfasern und/oder Aramidfasern, sowie beliebige Mischungen der vorstehenden Fasermaterialien.
- Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei noch kohlenstoffbasierte Partikel, wie Graphit, gemahlene Kohlenstofffasern, gemahlene Kohlenstofffasern auf Basis von Polyacrylnitril- oder Pechfasern sowie metallische Partikel, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, ..., oder keramische wärmeleitfähige Partikel wie Metalloxidpartikel wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Bornitrid (BN), Siliziumkarbid (SiC), Siliziumoxid (SiO2) eingebracht sind.
- Wärmeleitfähiger, faserverstärkter Kunststoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die bettende Matrix Polymere wie Duromere, Elastomere, Thermoplaste und/oder Biopolymere umfasst.
- Verfahren zur Herstellung eines gut wärmeleitfähigen, faserverstärkten Verbundmaterials, wobei entweder Schichtstapel wechselweise aus Schichten von faserverstärktem Kunststoff und wärmeleitfähigem Material laminiert oder vorimprägnierte Faserverbundhalbzeuge abwechselnd mit den Metallfolien und den faserverstärkten Kunststoffen geschichtet oder in den noch unausgehärteten Verbund von bettender Matrix und Verstärkungsfasern Metallstifte eingebracht werden.
- Verwendung eines wärmeleitfähigen, faserverstärkten Kunststoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung eines Gehäuses für einen Elektromotor.
- Verwendung nach Anspruch 8 in Kombination mit einem Leichtbauwärmetauscher.
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