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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder Generator, sowie ein mit dem Verfahren herstellbares hybrides Gehäuse aus einem inneren Gehäuseteil, einem äußeren Gehäuseteil und einem zwischenliegenden Kühlrohr.
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Elektrische Maschinen benötigen im oder am Gehäuse oft Flüssigkeits-Kühlsysteme zur Abführung der Wärme. Innenliegende Flüssigkeits-Kühlsysteme mit komplexen Geometrien sind allerdings aufwändig zu realisieren. Um den Bauraum und insbesondere den Durchmesser der elektrischen Maschinen gering zu halten, sollten die Kühlkanäle mit kleinstmöglichem Durchmesser ausgebildet sein. Gleichzeitig sollten die Kühlkanäle gleichmäßig oder dem notwendigen Wärmetransport angepasst um die elektrische Maschine verlaufen, um einen gleichmäßigen Wärmetransport zu ermöglichen. So entsteht eine komplexe Geometrie, welche bei gusstechnischer Herstellung mit Schiebern oder Kernen nur aufwändig oder gar nicht realisierbar ist. Prinzipiell eignen sich für die Herstellung derartiger Gehäuse gießtechnische Ansätze wie das Lost-Foam-Verfahren, welches eine maximale Komplexität des Gussbauteils zulässt. Alternativ sind auch Kokillen- oder Sandgussverfahren geeignet, bei denen verlorene Kerne eingesetzt werden können. Im Lost-Foam-Verfahren ist allerdings die Sicherstellung einer ausreichenden Dichtigkeit des Systems gegenüber einem Flüssigkeitsverlust kritisch und bedingt größere Wandstärken. Dadurch sinkt die Wandstärken-spezifische Festigkeit des Gehäuses, was insbesondere bei eingepressten Blechpaketen, die den Stator der elektrischen Maschinen bilden, zu Problemen führt. Weiterhin können verlorene Kerne eingesetzt werden, welche das Kühlsystem abbilden. Der Einsatz von verlorenen Kernen mit einem großen Verhältnis zwischen Kern-Gesamtvolumen und Wandstärke ist allerdings schwierig zu realisieren. Durch Kerne verursachte Gasstöße in Folge des thermischen Einflusses führen regelmäßig zu Gussfehlern. Dünnwandig gegossene Gehäuse sind im Sand- und Kokillenguss nur schwer herzustellen. In vakuumgestützten Druckgussverfahren können dünnwandige Bauteile erzeugt werden, welche hohe mechanische Kennwerte aufweisen. Das Druckgussverfahren ist insbesondere für hohe Stückzahlen geeignet und stellt ein interessantes Fertigungsverfahren für Gehäuse von elektrischen Maschinen dar. Aufgrund der hohen Komplexität der Kühlkanäle können jedoch auch hier keine Schieber eingesetzt werden. Weiterhin ist aufgrund der filigranen Struktur auch der Einsatz von verlorenen Kernen nicht möglich. Die Herstellung derartiger Gehäuse mit den obigen Verfahren ist daher aufwändig und entsprechend teuer.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 101 54 156 A1 ist ein Gehäuse für eine elektrische Maschine bekannt, das einen Kühlmantel zur Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine aufweist. Der Kühlmantel wird dabei aufgeklemmt oder aufgepresst und bildet einen Teil der Außenseite des Gehäuses.
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Die
DE 10 2005 052 364 A1 zeigt ein zweiteiliges Gehäuse für eine elektrische Maschine, das aus einem inneren Teil mit außenliegenden spiralförmigen Vertiefungen und einem äußeren Teil zusammengesetzt ist, der dichtend auf dem inneren Teil aufliegt. Durch Zusammenwirken der beiden Gehäusehälften bilden die Vertiefungen einen geschlossenen Kühlmantel. Die Fügezone zwischen den beiden Gehäusehälften birgt jedoch die Gefahr einer Leckage des eingesetzten Kühlmittels.
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Die
DE 10 2008 043 226 A1 zeigt einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine, der in das Gehäuse integriert oder auch einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein kann. Der Kühlmantel ist durch ein Vollformgießverfahren herstellbar. Die Druckschrift offenbart jedoch keine Einzelheiten zur Integration dieses Kühlmantels in das Gehäuse.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses sowie ein Gehäuse für eine elektrische Maschine anzugeben, das sich kostengünstig herstellen lässt und eine geringe Wandstärke bei hoher Sicherheit gegen Leckage des eingesetzten Kühlmittels ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem hybriden Gehäuse gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Gehäuses sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Gehäuse für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator, handelt es sich um ein hybrides Gehäuse, das ein inneres Gehäuseteil, ein äußeres Gehäuseteil und ein zwischenliegendes Kühlrohr aufweist. Das innere Gehäuseteil ist durch ein zylinderförmiges Profil gebildet, das vom Kühlrohr umwickelt ist. Das äußere Gehäuseteil stellt ein mittels Verbundguss auf das zylinderförmige Profil mit dem Kühlrohr aufgegossenes Gussteil dar. Das Profil und das Kühlrohr sind dabei kraftschlüssig, vorzugsweise stoffschlüssig, das Gussteil und das Kühlrohr sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Vorzugsweise ist auch das Gussteil stoffschlüssig mit dem Profil verbunden.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gehäuses wird zunächst ein zylinderförmiges Profil bereitgestellt, vorzugsweise ein Strangpressprofil, das bspw. aus Aluminium bestehen kann. Anschließend wird ein Kühlrohr um dieses zylinderförmige Profil gewickelt. Alternativ kann auch ein entsprechend der Dimensionen des zylinderförmigen Profils vorgewickeltes Kühlrohr eingesetzt werden, das dann über das zylindrische Profil geschoben wird. Das auf diese Weise erhaltene zylindrische Profil mit Kühlrohr wird dann mittels Verbundguss umgossen, so dass ein durch den Verbundguss erhaltenes Gussteil den Außenbereich des Gehäuses bildet. Der Verbundguss wird so durchgeführt, dass zwischen dem Kühlrohr und dem Gussteil, vorzugsweise auch zwischen dem zylinderförmigen Profil und dem Gussteil und/oder zwischen dem zylinderförmigen Profil und dem Kühlrohr, jeweils eine stoffschlüssige Verbindung gebildet wird. Zur Unterstützung der Bildung dieser stoffschlüssigen Verbindung(en) kann die Oberfläche des Kühlrohrs und des zylinderförmigen Profils geeignet modifiziert werden, bspw. mechanisch, physikalisch oder chemisch behandelt oder beschichtet. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, das zylindrische Profil mit dem Kühlrohr vor Durchführung des Verbundgusses vorzuwärmen oder mittels fügender Verfahren wie bspw. dem Reibschweißen vor dem Verbundguss stoffschlüssig zu verbinden.
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Durch den hybriden Aufbau des vorgeschlagenen Gehäuses lassen sich die Wandstärken des Gehäuses relativ dünn ausführen ohne die Gefahr einer Leckage des Kühlmittels zu erhöhen. So kann das hochfeste zylindrische Profil die durch den Betrieb der elektrischen Maschine wirkenden mechanischen Lasten aufnehmen und stellt auch bei geringer Wandstärke keine Gefahr für die Dichtigkeit des Kühlsystems dar. Da für das zylindrische Profil und das gewickelte Rohr auf einfache Halbzeuge zurückgegriffen werden kann, ist eine kostengünstige Herstellung des vorgeschlagenen Gehäuses möglich. Auf einen Kern oder komplexe Gießverfahren zur Abbildung der Kühlkanäle kann verzichtet werden. Dadurch werden die Kosten gegenüber einem komplexen Gussbauteil deutlich reduziert. Durch den Einsatz eines hochfesten Aluminiumprofils zur Abbildung des zylindrischen Profils als inneres Gehäuseteil ist es möglich, das Leichtbaupotential des Gehäuses zu maximieren. Die stoffschlüssigen bzw. stoff- und kraftschlüssigen Verbindungen führen zu einem optimalen Wärmeübergang zwischen dem zylinderförmigen Profil, dem Kühlrohr und dem äußeren Gussteil und somit zu einer optimalen Wärmeabführung.
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Das Kühlrohr wird beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise spiralförmig um das zylinderförmige Profil gewickelt. Selbstverständlich können auch mehrere Kühlrohre eingesetzt werden. Das Querschnittsprofil der Kühlrohre kann beliebige Formen aufweisen, bspw. rechteckig, rund, dreieckig oder oval sein. Vorteilhaft kann ein dreiecksförmiger Querschnitt des Kühlrohres sein, da dadurch zwischen den einzelnen Kühlrohren keine dünnwandigen Strukturen beim Verbundguss entstehen.
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Der Verbundguss kann so durchgeführt werden, dass an der Außenseite des Gehäuses Kühlrippen, Anbindungspunkte, ein Gehäusedeckel oder andere Elemente gebildet werden. Hierzu muss lediglich die Form für den Verbundguss entsprechend gewählt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden entsprechende Elemente, beispielsweise vorgeformte Bleche, durch den Verbundguss auch in das äußere Gehäuseteil integriert, die dann stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sind. Die Gesamtkonstruktion kann auch so ausgelegt werden, dass bei gleichbleibendem Außendurchmesser des Gehäuses unterschiedliche Gehäuselängen als Varianten in einer Variantenfamilie realisiert werden können.
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Das Verfahren und das zugehörige hybride Gehäuse eignen sich vor allem für Elektromotoren oder Generatoren, bei denen der Stator und der Rotor im Inneren des Gehäuses gelagert sind.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren sowie das vorgeschlagene hybride Gehäuse für eine elektrische Maschine werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein Beispiel für Bestandteile des vorgeschlagenen Gehäuses sowie für das Gehäuse selbst;
- 2 einen Teilschnitt durch das beispielhafte hybride Gehäuse gemäß 1;
- 3 zwei Beispiele für mögliche Rohrquerschnitte des eingesetzten Kühlrohrs; und
- 4 eine Darstellung dreieckiger und rechteckiger Profilquerschnitte des Kühlrohrs.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene hybride Motorgehäuse wird im Verbundguss mit zwei Inserts hergestellt. Die im Betrieb der elektrischen Maschine wirkenden mechanischen Lasten sollen hierbei von einem hochfesten zylindrischen Profil als erstem Insert aufgenommen werden, welches bspw. als konventionelles Strangpressprofil ausgeführt wird. Durch die Verwendung eines Strangpressprofiles kann für den inneren Teil des Gehäuses, in welches bei einem Elektromotor oder Generator das Blechpaket für den Stator eingepresst wird, eine hohe Festigkeit und ein nahezu fehlerfreies Gefüge gewährleistet werden. So kann das Profil mit einer geringen Wandstärke bei gleichzeitig hoher Sicherheit gegen Leckage ausgeführt werden. Auf dieses Profil wird im Ausgangszustand ein gewickeltes Rohr als zweites Insert geschoben oder das Rohr wird direkt um das Profil gewickelt. Im Verbundguss wird dann die Außengeometrie des Gehäuses geschaffen, wobei zwischen dem Gussteil und dem gewickelten Rohr, vorzugsweise auch zwischen dem gewickelten Rohr und dem zylindrischen Profil, eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Die Anbindung kann dabei durch eine Oberflächenmodifikation, z.B. Aufrauen oder Beschichten, des Zylinders und der durch das Kühlrohr gebildeten Kühlspirale erreicht werden. Ergänzend können die Inserts auch vorgewärmt werden. Funktionselemente, wie Kühlrippen, Anbindungspunkte, Gehäusedeckel usw. werden durch das gegossene Außengehäuse abgebildet.
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1 zeigt hierzu ein Beispiel für die Bestandteile des vorgeschlagenen hybriden Gehäuses. In der linken Abbildung dieser Figur ist das zylindrische Profil 1 mit dem als Kühlspirale aufgewickelten Kühlrohr 2 zu erkennen. Die mittlere Abbildung zeigt das Gussteil 3, das in diesem Beispiel an der Außenseite Kühlrippen 4 aufweist. In der rechten Abbildung ist das entsprechend aus diesen Komponenten gebildete hybride Gehäuse 5 mit dem zylinderförmigen Profil 1, dem Kühlrohr 2 und dem Gussteil 3 zu erkennen. Das zylindrische Profil 1 kann bspw. ein Strangpressprofil aus Aluminium sein. Bei dem Kühlrohr 2 kann es sich um ein Rohr aus Aluminium handeln. Auch andere Materialien wie bspw. Stähle sind möglich. Bei Verwendung eines Kühlrohrs aus Aluminium kann zur Vermeidung mechanischer Deformationen beim anschließenden Verbundguss zusätzlich ein stützendes Füllmaterial, bspw. Sand, in das Kühlrohr eingefüllt und nach dem Gießprozess wieder entfernt werden. Als Material für den Verbundguss, durch den das Gussteil 3 gebildet wird, kann bspw. wiederum Aluminium zum Einsatz kommen.
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Durch den Verbundguss werden das Kühlrohr 2 und das Gussteil 3 stoffschlüssig miteinander verbunden. 2 zeigt hierzu einen Teilschnitt durch das hybride Gehäuse, in dem die einzelnen Bestandteile des Gehäuses nochmals zu erkennen sind. Durch die stoff- bzw. stoff- und kraftschlüssigen Verbindungen entstehen keine Hohlräume oder Spalte zwischen den einzelnen Komponenten, so dass ein optimaler Wärmeübergang erreicht wird.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und dem damit herstellbaren Gehäuse können unterschiedliche Kühlrohr-Querschnitte bzw. -Profile eingesetzt werden. Das Kühlrohr kann dabei bspw. einen rechteckigen, einen runden oder einen ovalen Querschnitt aufweisen. 3 zeigt hierzu zwei Beispiele. In der linken Abbildung ist eine Kühlspirale aus einem Kühlrohr 2 mit rechteckigem Querschnitt und in der rechten Abbildung eine Kühlspirale mit einem Kühlrohr mit dreieckigem Querschnitt dargestellt.
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Durch den Einsatz eines dreieckigen Querschnitts für das den Kühlmantel bildende Kühlrohr wird eine große Oberfläche zum Gussteil und zu dem vorgefertigten Zylinder erzeugt, wodurch die Wärmeabfuhr verbessert werden kann. Diese Geometrie begünstigt den Verbundguss, da im Gussbereich keine dünnwandigen Strukturen entstehen. Dies ist anhand der Darstellung der 4 nochmals veranschaulicht, die in der linken Abbildung schematisch einen Teilausschnitt des zylindrischen Profils 1 mit dem aufgewickelten Kühlrohr 2 mit dreieckigem Querschnitt und die beim Verbundguss aufgebrachte Aluminiumschmelze 6 zeigt. In der rechten Abbildung der Figur ist die gleiche Situation bei Nutzung eines Kühlrohrs 2 mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Aus der Figur ist zu erkennen, dass bei Nutzung von Kühlrohren mit dreieckigem Querschnitt durch den Verguss keine dünnwandigen Bereiche 7 entstehen, wie sie in der rechten Abbildung der Figur angedeutet sind.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht auch das Angießen von Kühlrippen oder anderen Strukturen an das Gehäuse, die beim vorgeschlagenen Verfahren direkt in das Gussteil integriert werden. Das die Kühlrippen bildende Blech oder Strukturteil wird dabei direkt mit an das Gussteil angegossen, um eine stoffschlüssige Verbindung zu erzielen. Die Kühlrippen können dabei aus diesem Blech als Standardhalbzeug direkt angegossen werden. Dadurch sind dünnwandige Strukturen möglich, welche mit Guss nicht realisiert werden können. Diese Technik ermöglicht auch die Erzeugung komplexer Geometrien, die mit Guss nicht hergestellt werden können, bspw. geschwungene Geometrien oder Geometrien mit Hinterschnitten. Das anzugießende Blech muss hierzu in eine Vertiefung des Werkzeuges positioniert werden, damit es nur unmittelbar in der gewünschten Verbindungszone mit der Metallschmelze in Kontakt kommt und nur in diesem Bereich anschmilzt. Der für die spätere Kühlwirkung relevante Bereich wird von der Schmelze abgeschirmt. Das kann beispielsweise durch Schlitze im Werkzeug realisiert werden, durch welche die Bleche in die Kavität geschoben werden. Das Blech kann außerhalb des Schlitzes und der Kavität beliebig geformt sein (z.B. komplex), da die Entformbarkeit nicht mehr vom Werkzeug abhängig ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zylindrisches Profil
- 2
- Kühlrohr
- 3
- Gussteil
- 4
- Kühlrippen
- 5
- Gehäuse
- 6
- Aluminiumschmelze
- 7
- dünnwandiger Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10154156 A1 [0003]
- DE 102005052364 A1 [0004]
- DE 102008043226 A1 [0005]
