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Die Erfindung betrifft Spaltrohr für einen Elektromotor, eine elektrische rotierende Maschine und/oder eine Flüssigkeitspumpe.
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Der Steigerung der Leistungsdichte von elektrischen rotierenden Maschinen kommt auf dem elektrifizierten Gebiet der Mobilität, wie z. B. bei elektrisch angetriebenen Kraftwagen wie Bussen, Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, bei Zügen und Schiffen, sowie Flugzeugen immer größere Bedeutung zu, weil sich durch leistungsstärkere Motoren Gewicht einsparen lässt.
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Daher wird verstärkt auf flüssigkeitsgekühlte elektrische rotierende Maschinen, insbesondere Elektromotoren, gesetzt.
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Dimensionierend für die elektrische Leistungsdichte eines Elektromotors und/oder Generators ist die produzierte Abwärme mit den damit einhergehenden Problemen. Ein Problem ist z.B. das Versagen der polymeren Isolation der Wickelspulen in den Blechpaketen des Stators jedes Elektromotors. Daher ist auch typischerweise die maximale Temperatur in der Stator-Wicklung bei der Entwicklung höherer Leistungsdichten im Elektromotor ein besonders kritischer Punkt.
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Der Trend zur Flüssigkeitskühlung ist begründet in dem höheren Abwärmestrom, welcher durch eine Flüssigkeitskühlung, im Vergleich mit einer Gas-Luft-Kühlung erreichbar ist. Dabei wird in der Regel beim flüssigkeitsgekühlten Elektromotor der Stator mit den Blechpaketen und den in polymerem Verguss vorliegenden Wickelspulen gekühlt, nicht der Rotor. Der Rotor ist durch die fehlende polymere Isolierung weniger wärmeempfindlich als die Blechpakete des Stators, die einen polymeren Verguss haben. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung eines Elektromotors vorzugsweise auf der Stator-Außenseite realisiert, weil Stator-innenseitig die Grenzfläche zum Rotor andernfalls dicht zu sein hat.
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In der Regel befinden sich die Kanäle für die Flüssigkeitskühlung somit auf der Außenseite des Stators. Problematisch ist, dass die flüssigkeitsgekühlten Kühlringe auf der Außenseite des Blechpaketes liegen, deshalb muss dieses vom Wärmestrom erst komplett in radialer Richtung durchquert werden. Deshalb gibt es seit geraumer Zeit auch Elektromotoren mit Flüssigkeitskühlung auf der Innen- und Außenseite des Stators. Diese Elektromotoren enthalten ein so genanntes Spaltrohr.
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Das Spaltrohr umgibt den Rotor eines Elektromotors oder einer Flüssigkeitspumpe und separiert die Kühlflüssigkeit im Statorbereich von dem sich drehenden Rotor respektive der sich drehenden Pumpe. Beim Elektromotor würden Reibungsverluste durch die Viskosität der Kühlflüssigkeit ansonsten die Drehung des Rotors stark behindern.
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Ziel bei der Entwicklung des Spaltrohres ist es, eine möglichst geringe Wandstärke zu realisieren, da so die elektrischen Verluste des Elektromotors minimal gehalten werden. Bisher am erfolgreichsten sind Spaltrohre aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, allerdings weisen diese relativ hohe Wandstärken auf, weil die Mediendichtigkeit der Faserverbundwerkstoffe geringe Wandstärken für die Herstellung von Spaltrohren unmöglich macht.
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Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe, im Folgenden auch kurz als Faserverbundwerkstoffe bezeichnet, besitzen im Vergleich zu Metallen eine niedrigere Medienbarriere gegen Durchdringen von Flüssigkeiten wie hier Kühlflüssigkeit vom Stator in den Luftspalt. Ein Faserverbundwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass im Faserverbundwerkstoff zumindest ein Matrixmaterial und darin eingebettet zumindest eine Art Verstärkungsfasern vorliegen.
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Das Ziel ist es, durch eine sehr dünnwandige Bauweise des Spaltrohrs die elektrischen Verluste gering zu halten. Dabei verstärkt sich das Problem des Mediendurchtritts. Herstellungsbedingt, insbesondere durch den heterogenen Stoffaufbau der Faserverbundwerkstoffe, befinden sich mikroskopische und/oder makroskopische Störstellen im Faserverbundwerkstoff, die dessen Flüssigkeitsdichtigkeit herabsetzen und dessen Möglichkeit zur Flüssigkeitspermeation erhöht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Spaltrohr für einen Elektromotor, eine elektrische rotierende Maschine, respektive eine Flüssigkeits-Pumpe oder ein sonstiges druckbelastetes Rohr zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere die geringe Mediendichtigkeit der bisher eingesetzten Materialien und Faserverbundwerkstoffe verbessert und/oder eine verbesserte Mediendichtigkeit als die bisher eingesetzten Werkstoffe zeigt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
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Dementsprechend ist Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung Spaltrohr für eine elektrische rotierende Maschine oder eine Flüssigkeitspumpe, das zumindest eine Barriereschicht umfasst.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass eine Beschichtung und/oder eine dünne Folie aus mediendichtem Material in ein Spaltrohr aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere bei Vorliegen eines Hybridaufbaus aus Schichten und/oder Laminatlagen, gut einarbeitbar ist und die Mediendichtigkeit eines aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellten Spaltrohres deutlich erhöht, so dass geringere Wandstärken eines aus Faserverbundwerkstoff hergestellten Spaltrohres als bisher realisierbar sein sollten. Dies hat sich in ersten Tests und Studien bereits bewahrheitet.
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Je nach Aufbau des Spaltrohres kann die Barriereschicht vollflächig oder nur bereichsweise auf/an und/oder in das Spaltrohr eingearbeitet werden. Im Wesentlichen ist die Barriereschicht sinnvollerweise vollumfänglich, zumindest vollflächig auf der oder den druckbelasteten Seite(n) des Spaltrohrs ausgebildet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Barriereschicht in einen Hybridaufbau aus Schichten und/oder Laminatlagen eines Spaltrohres eingearbeitet.
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Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine Barriereschicht beispielsweise als Zwischenlage innerhalb der Schichten des Hybridaufbaus vorgesehen ist.
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Beispielsweise umfassen die Schichten des Hybridaufbaus Schichten mit Faserverstärkung, insbesondere mit Kohlenstoffbasierter Faserverstärkung, beispielsweise auch hochmoduligen- also bis 500GPa E-Modul - und ultra-hochmoduligen - also ab 500GPa E-Modul - Kohlenstofffasern. Die Lage dieser elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern innerhalb der Schichten des Hybridaufbaus ist bevorzugt quer zur Achsausrichtung, insbesondere in einem Anstell-Winkel im Bereich zwischen 80° und 90° zur Rotorachse. Bei dieser Ausrichtung ist der Wirbelstrom-Störeffekt auf die elektrische Maschine durch die elektrische Leitfähigkeit des Materials des Spaltrohrs besonders gering.
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Beispielsweise umfassen die Schichten des Hybridaufbaus ergänzend oder alternativ zu den oben genannten Kohlenstoffbasieren Faserverstärkten Schichten, solche mit orientierter Faserverstärkung, die in einem Anstellwinkel von zwischen 20° und 70° zur Rotorachse liegen. Diese Verstärkungsfasern umfassen in der Regel nicht oder nur sehr gering elektrisch leitfähige Fasern wie beispielsweise Glasfasern, Polymerfasern, keramische Fasern, insbesondere solche auf Metalloxidbasis, Siliziumcarbidfasern, Borfasern, Aramidfasern und/oder andere bekannte Verstärkungsfasern, allein in beliebigen Kombinationen und/oder Mischungen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Barriereschicht eine Barrierefolie. Diese liegt beispielsweise und bevorzugt vollflächig vor, so dass sie z.B. als „interlayer“ im Grenzbereich zwischen zwei Schichten des Hybridaufbaus des Spaltrohrs vorgesehen ist. Diese Barriereschicht ist entsprechend innerhalb des Spaltrohrs vorgesehen.
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Alternativ oder ergänzend können eine oder mehrere Barriereschicht(en) außen und/oder innen auf der Oberfläche des Spaltrohrs vorgesehen sein. Dabei ist es unerheblich, ob das Spaltrohr einen Hybridaufbau aus zumindest zwei Schichten oder nicht hat. Die oberflächlich vorgesehene Barriereschicht kann als zumindest eine Barrierefolie und/oder als zumindest eine Barrierebeschichtung ausgebildet sein.
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Als Barrierefolie eignet sich beispielsweise eine nichtleitende metalloxidische und/oder keramische Folie wie beispielsweise eine metalloxidische Folie, eine Folie aus Siliziumcarbid, eine Folie aus Bornitrid und/oder eine Kohlenstoff-basierte Folie aus Graphenen, Carbonflakes oder ähnlichem.
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Eine Barrierefolie kann beispielsweise auch ein mit Füllstoffpartikeln gefülltes Matrixmaterial in Form einer Polymerfolie sein, wie eine Folie aus duroplastischem oder thermoplastischem Material wie eine PET - Polyethylenterephthalat -Folie, eine PP - Polypropylen-Folie, PI- Polyimid - Folie, PEEK - Polyetheretherketon-Folie, PPS-Polyphenylensulfid - Folie, PPSU-Polyphenylensulfon -Folie, sowie eine MaterialKombination, also eine Folie aus einem beliebigen Copolymer, eine Folie aus einer Polymermischung oder Kombination verschiedener Verbindungen und/oder Derivate der vorgenannten Polymere, sowie eine Abmischung verschiedener Copolymere und/oder Polymere sein. Die Polymerfolie kann auch aus einem gefüllten, insbesondere mit feinen Füllstoffpartikeln gefüllten, Material sein.
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Das Material der Füllstoffpartikel, die im Matrixmaterial der Barrierefolie eingebettet sind, ist beliebig, beispielsweise metalloxidisch und/oder elementorganylisch.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Barrierefolie selbst noch auf der Oberfläche ganz, also beidseitig oder teilweise, also entweder bereichsweise auf ein oder zwei Seiten und/oder nur einseitig beschichtet. Dabei ist besonders vorteilhafte, dass beispielsweise ein Folienaufbau vorliegt, bei dem eine polymere Folie mit einer einseitigen oder beidseitigen dünnen metalloxidischen und/oder elementorganylischen Beschichtung eine Barrierefolie oder eine Lage einer Barrierefolie bildet.
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Eine metallorganische Verbindung ist ein so genanntes Metallorganyl oder Elementorganyl. Diese sind in der Regel so genannte „Komplex-Verbindungen“ in denen ein organischer - also kohlenwasserstoff-basierter Rest - an ein oder mehrere Zentralatome - die in der Regel Metalle sind, gebunden vorliegt. Als „Metall“ in diesem Sinn werden auch Silizium und/oder Bor bezeichnet.
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Eine metalloxidische Verbindung ist eine Verbindung eines Metalls mit einem oder mehreren Sauerstoffatomen, die in der Regel stark polar, insbesondere auch salzartig, aufgebaut ist.
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Zur Herstellung einer Barriereschicht, die als beschichtete Barrierefolie ausgebildet ist, wird diese beispielsweise mit einem Metalloxid und/oder Elementorganyl bedampft oder - wiederum beispielsweise mittels PVD - physikalische Gasphasenabscheidung - und/oder CVD- chemische Gasphasenabscheidung - Prozess beschichtet. Durch diese Verfahren können feinste und dünnste Beschichtungen der Barrierefolie, insbesondere solche mit Schichtdicken im einstelligen Nanometerbereich bis hin zu mehreren 100 Nanometern, insbesondere auch bis zu 10 Mikrometern, hergestellt werden.
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Eine Barrierefolie kann auch mehrere Lagen umfassen und beispielsweise polymere und keramische, beschichtete, einseitig oder beidseitig beschichtete, Lagen kombiniert umfassen.
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Die Einarbeitung einer Barrierefolie in ein Spaltrohr, das beispielsweise über Nasswickeln herstellbar ist, geschieht durch einfaches Einlegen der Folie im Nasswickeln, Laminieren, Prepregwickeln und/oder Pultrudieren.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Barriereschicht eine auf dem Spaltrohr oberflächlich aufgebrachte ein- oder beidseitige Barrierebeschichtung.
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Die Barriereschicht als Barrierebeschichtung lieg dabei wieder beispielsweise vollflächig und Oberflächig auf dem Spaltrohr vor, oder bereichsweise und oberflächlich, was sich sowohl auf die Innen- oder Außenseite des Spaltrohrs als auch auf Bereiche auf einer Seite des Spaltrohres beziehen kann.
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Die Barriereschicht als Barrierebeschichtung des Spaltrohres kann außerdem auch wie die Barriereschicht als Barrierefolie mehrlagig aufgebaut sein.
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Dabei kann eine oberflächliche Beschichtung einer Barriereschicht, die als Barrierebeschichtung ausgebildet ist, ebenso und mit dem gleichen Materialaufbau wie die Beschichtung einer Barriereschicht, die als Barrierefolie ausgebildet ist, erfolgen. Lediglich die Dicke dieser Barrierebeschichtung ist - weil sie oberflächlich aufgebracht ist beispielsweise dicker als die Dicke der Beschichtung einer Barrierefolie. Die Schichtdicke einer Beschichtung einer Barrierebeschichtung wird beispielsweise auch wieder über Gasphasenabscheidung hergestellt. Durch diese Verfahren können feinste und dünnste Beschichtungen der Barrierefolie, insbesondere solche mit Schichtdicken im einstelligen Nanometerbereich bis hin zu mehreren 100 Nanometern, insbesondere auch von einigen Mikrometern bis zu 10 Mikrometern, hergestellt werden.
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Eine bevorzugte Barrierebeschichtung ist beispielsweise eine so genannte Hochbarrierebeschichtung oberflächlich auf der Innen- und/oder Außenseite eines Spaltrohrs. Diese ist beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, über ein Gasphasenabscheidungsverfahren herstellbar.
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Zur Bildung einer Hochbarrierebeschichtung kann beispielsweise ein Matrixmaterial, wie ein Harz, das beispielsweise die duroplastische Basis des Matrixmaterials eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes bildet, eingesetzt werden. Dieses Matrixmaterial wird dann entsprechend über Partikelmodifizierung zur Verbesserung seiner Barriere-Eigenschaften gefüllt. Durch die Partikelmodifikation wird die Barriere-Eigenschaft des diffusionsoffenen Harzes und/oder Polymers verbessert. Je feiner die Füllstoff-Partikel sind, also je kleiner und feinkörniger, desto besser deren Barriere-Wirkung innerhalb des gefüllten Matrixmaterials, Harzes und/oder Polymers. Ganz bevorzugt werden hier also Nanopartikel - eventuell auch in Abmischung mit grobkörnigerem Füllstoff - zur Füllung des Matrixmaterials eingesetzt.
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Das Material des Füllstoffes kann wieder keramische, metalloxidische, Elementorganylische und/oder polymere Partikel, die jeweils als Core-Shell-Partikel, als beschichtete, teilweise beschichtete und/oder unbeschichtete Partikel, als Hohlkörper und/oder als massive Teilchen vorliegen können. Diese Eigenschaften können je nach Anwendungsfall, sowohl in Bezug auf die Matrix - als auch in Bezug auf das Spaltrohr - angepasst neu kombiniert und/oder durch Abmischungen angepasst werden.
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Beispielsweise können die Füllstoffpartikel folgende Verbindungen, allein oder in beliebiger Abmischung und/oder Kombination umfassen: Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Bornitrid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Kohlenstoff-basierte Füllstoffe, Graphene, Carbon-Flakes, Carbon-Nanotubes, etc. umfassen.
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Ein Matrixmaterial einer Barriereschicht, die als Barrierebeschichtung vorliegt, ist so beliebig wählbar wie das der Faserverbundwerkstoffe, es sind nahezu alle Kunststoffe dafür einsetzbar, insbesondere aber kommen hier anorganische Materialien, die auch als Lacke eingesetzt werden, in Betracht. Insbesondere können polymer, hybridpolymer und/oder weitgehend anorganisch vorliegende handelsübliche Lacke, beispielsweise auch silikatische und/oder siliziumorganische Lacke, Silazane, Siloxane, Silane, keramische Grünkörper als Lacke eingesetzt werden.
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Für eine derartige Barrierebeschichtung wird ein Lack in flüssiger Form auf die Innen- und/oder Außenseite des Spaltrohrs mit gängigen nasschemischen Beschichtungs- und/oder Lackierverfahren, wie Sprühen, Rakeln, Pinseln, Rollern, Eintauchen, spin coating etc. aufgebracht. Dadurch werden Schichtdicken im Bereich von 0,1 µm bis 10mm, insbesondere von 5µm bis 1mm und besonders bevorzugt von 250µm bis 700µm, hergestellt.
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Andererseits kann ein Lack auch als Pulverlack aufgebracht werden, insbesondere bei keramisch basierten und/oder hochgefüllten Lacken.
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Schließlich, wie bereits oben erwähnt, kann die metalloxidisch und/oder elementorganylisch gefüllte Barrierebeschichtung auch über Gasphasen-Abscheidung aufgebracht werden.
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Die Dicke einer Barriereschicht, einer - möglicherweise beschichteten - Barrierebeschichtung und/oder einer -ebenfalls möglicherweise beschichteten - Barrierefolie liegt beispielsweise im Bereich von 20µm bis zu einigen Millimeter bevorzugt darunter, beispielsweise im Bereich 20µm bis 1mm, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 20µm und 800µm und ganz bevorzugt im Bereich zwischen 20µm und 100µm.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, ohne Änderung der Prozessbedingungen und Herstellungsmethoden auf eine einfache Weise eine Mediendichtigkeit in einem aus Faserverbundwerkstoff hergestellten Spaltrohr zu erzeugen, die auf so einfachen zusätzlichen Arbeitsschritten wie Lackieren mit einem oder mehreren Lackschichten und/oder Laminieren beruht. Dadurch wird in bevorzugt keramischen und/oder polymeren Matrixmaterialien mediendichter Füllstoff eingebracht und aus diesem eingebetteten Füllstoff wird dann eine Beschichtung und/oder eine Folie hergestellt, die innerhalb und/oder auf der Oberfläche des Spaltrohres angebracht wird und dort die Mediendichtigkeit um ein Vielfaches erhöht.