-
Die Erfindung betrifft eine elektrische rotierende Maschine, einen Elektromotor oder eine Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr.
-
Der Steigerung der Leistungsdichte von Elektromotoren 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.
-
Daher wird verstärkt auf flüssigkeitsgekühlte Elektromotoren gesetzt.
-
Dimensionierend für die elektrische Leistungsdichte eines Elektromotors 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.
-
Der Trend zur Flüssigkeitskühlung ist begründet in dem höheren Abwärmestrom, welcher durch eine Flüssigkeitskühlung, im Vergleich mit einer Gas-Luft-Kühlung erreichbar ist. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung eines Elektromotors vorzugsweise auf der Stator-Außenseite realisiert, weil Statorinnenseitig die Grenzfläche zum Rotor andernfalls dicht zu sein hat.
-
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.
-
Das Spaltrohr umgibt den Rotor eines Elektromotors, Generators oder einer Flüssigkeitspumpe und separiert die Kühlflüssigkeit im Statorbereich von dem sich drehenden Rotor respektive der sich drehenden Pumpe.
-
Ziel bei der Entwicklung des Spaltrohres ist es, eine möglichst geringe Wandstärke zu realisieren, da so die elektrischen Verluste der elektrischen Maschine minimal gehalten, beziehungsweise reduziert werden.
-
Verschiedene Randbedingungen sind bei der Bauteilentwicklung von Spaltrohren zu beachten:
- Das Spaltrohr hat die Aufgabe, einen mit Kühlflüssigkeit flutbaren Raum für das Statorblechpaket zu schaffen.
-
Das Spaltrohr befindet sich zwischen dem Rotor und dem Stator und erfährt lokale Wärmehotspots. Deshalb ist es wünschenswert, dass das Material eine Wärmeleitfähigkeit zeigt, um eine zu große thermische Materialbeanspruchung des Spaltrohres zu vermeiden.
-
Wechselnde Magnetfelder, wie sie im Luftspalt eines Elektromotors in extremer Größe auftreten, induzieren in elektrisch leitfähigen Materialien einen Wirbelstrom. Der Wirbelstrom erzeugt wiederum ein Magnetfeld, welches seinem Verursacher-Magnetfeld entgegengerichtet ist. Außerdem führt ein induzierter Wirbelstrom zu einer rapiden Erwärmung des Bauteils. Es ist daher in mehrerlei Hinsicht unerwünscht, dass ein Spaltrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Deshalb werden für Spaltrohre sowohl in Pumpen als auch in Elektromotoren verstärkte Verbundwerkstoffe, auch keramische und/oder Glas-keramische Verbundwerkstoffe, eingesetzt.
-
Ein Spaltrohr hat eine gewisse Mindest-Dicke aufzuweisen. Dimensionierend für den Außendruck auf das Spaltrohr sind in erster Linie weniger die Beschleunigungen aus der Anwendung, sondern der statische Druck, mit dem das Kühlsystem betrieben wird. Um einen bestimmten Zielvolumenstrom im System zu erzielen, wird ein bestimmter Druck angelegt, der dann auf dem Spaltrohr lastet.
-
Zu dünne Spaltrohre kollabieren unter dem oben beschriebenen Druck, wobei das Versagen durch das Phänomen Beulen beschrieben ist. Auf dem Rohr bilden sich so im Versagensfall typischerweise Deformationen in Form einer Wellenfront.
-
Die bisher als Verbundmaterial für Spaltrohre und vergleichbare Anwendungen an druckbelasteten Rohren eingesetzten verstärkten Verbundwerkstoffe zeigen jedoch eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Beulfestigkeiten aufgrund der geringen Steifigkeit in Umfangsrichtung.
-
Aus der
WO 2009/040308 ist bekannt, dass sich Carbon-Fasern wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit nicht für den Einsatz zur Herstellung von Spaltrohren eignen. Dies insbesondere deshalb, weil die Kohlefaser im Spaltrohr noch eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit hat, die den Wirkungsgrad aufgrund der induzierten Wirbelströme zu stark absenken würde.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Werkstoff zur Herstellung eines Spaltrohrs für eine elektrische rotierende Maschine, wie einen Elektromotor oder einen Generator, respektive eine Flüssigkeits-Pumpe oder ein sonstiges druckbelastetes Rohr zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit und/oder geringe Beulfestigkeit der bisher eingesetzten Materialien und Verbundwerkstoffe verbessert und/oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit als die bisher eingesetzten Werkstoffe zeigt.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
-
Dementsprechend ist Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische rotierende Maschine oder eine Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr, bei dem oder der das Material des Spaltrohrs zumindest zu einem Anteil von mehr als 50 Gew% einen -Verbundwerkstoffes mit hochmoduliger Kohlenstofffaser-Verstärkung umfasst.
-
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass HM/UHM-Kohlenstofffaser-Verstärkung beim Einsatz als Verbundwerkstoff für Spaltrohre von flüssigkeitsgekühlten Elektromotoren und/oder Generatoren entgegen der Meinung der Fachleute keine induzierten Wirbelströme erzeugen, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine herabsetzen, sondern der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der elektrischen rotierenden Maschine durch thermische Belastbarkeit und/oder Beulfestigkeit verbessert und erhöht werden. Dies insbesondere dann, wenn die hochmoduligen -HM- oder ultra-hochmoduligen -UHM- Kohlenstofffasern mit einer Vorzugsorientierung im Faserverbundwerkstoff vorliegen und das Spaltrohr durch Wicklung entlang dieser Vorzugsorientierung und quer zur Achsenrichtung des Rotors hergestellt ist.
-
Insbesondere wurde gefunden, dass die mit HM/UHM-Kohlenstofffasern verstärkten Spaltrohre zwar eine geringe Druck- und Scherfestigkeit haben, sich aber trotzdem zur Versteifung druckbelasteter Rohre, wie dem Spaltrohr einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen rotierenden Maschine oder einer Flüssigkeitspumpe, eignen.
-
In der Wissenschaft herrscht bislang das Vorurteil, dass sich Verbundwerkstoffe aus hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstofffasern nicht zur Herstellung von druckbelasteten Bauteilen eignen, weil die Druckfestigkeit dieser Verbundwerkstoffe, im Vergleich zu Verbundwerkstoffen aus Glasfaser oder hochfesten (HT)Carbonfasern, deutlich geringer ist. Zum Vergleich zeigt Tabelle 1 die verschiedenen Festigkeiten verschiedener UD-Schichten im Vergleich:
Tabelle 1:
| Faser | Druckfestigkeit | Scherfestigkeit 12 | Zugfestigkeit |
| Glasfaser-Epoxid UD | 670 MPa | 80 MPa | 1100 MPa |
| HT-Carbonfaser-Epoxid UD | 1000 MPa | 60 MPa | 2230 MPa |
| UHM-Carbonfaser-Epoxid UD | ca. 200 MPa | nicht genau bekannt | 1800 MPa |
-
Überraschend wurde nun festgestellt, dass hochmodulige Kohlenstofffasern, - also Kohlenstofffasern mit 300 bis 500 GPa - und ultra-hochmodulige Kohlenstofffasern - also Kohlenstofffasern mit über 500GPa - sich trotz ihrer geringen Festigkeit, insbesondere Druck- und/oder Scherfestigkeit, sich für die Verwendung in Druck-belasteten Rohren, insbesondere auch von Spaltrohren von Elektromotoren, eignen, weil bei diesen Rohren oder Bauteilen bis kurz vor auftretendem Beulversagen des Rohres/Bauteils nur geringe Bauteilspannungen auftreten.
-
Kohlenstofffasern zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus. Hochmodulige Fasern weisen eine geringere Bruchfestigkeit auf. Dies ist auf die Ausrichtung der Basalebene in Faserrichtung zurückzuführen. Die kovalenten C-C-Bindungen sind in Faserrichtung damit enorm stark.
-
Hochmodulige und Ultra-hochmodulige Carbonfasern zeigen eine extrem hohe Steifigkeit. Da der Beulpunkt von beulenden Strukturen unter anderem von der Materialsteifigkeit abhängt, lassen also sich mit dieser Materialklasse sonst unerreichte Beuldrücke erreichen, obwohl, wie bereits erwähnt, die Druckfestigkeit nur sehr gering im Vergleich ist; beispielsweise im Vergleich:
- • E-Modul UHM-Carbonfaser: 500 GPa bis 935 GPa (in Faserrichtung), insbesondere 600 bis 800 GPa - z.B. Mitsubishi K13D2U -
- • E-Modul einer HM-Carbonfaser: 300GPa bis 500GPa
- • E-Modul von Stahl: 200 GPa
- • E-Modul Standard HT-Carbonfaser: kleiner 300GPa, insbesondere 230 GPa (in Faserrichtung)
- • E-Modul Glasfaser: 70 GPa (in Faserrichtung)
-
UHM-Carbonfaser-verstärkte Verbundwerkstoffe werden militärisch und/oder in der Raumfahrt eingesetzt, wobei die genauen Applikationen unbekannt sind. Außerdem werden sie zur Verstärkung von Stahlträgern in Brücken eingesetzt, weil ihr extrem hohes Modul die Entlastung der Stahlträger ermöglicht. Diese mechanische Nutzung wird auf die zugbeanspruchte Seite der Stahlträger beschränkt.
-
Ein weiterer Vorteil der HM/UHM-Verstärkungsfasern besteht in den, zu vielen ebenfalls sehr steifen keramischen Aluminiumoxidfasern, recht wirtschaftlichen Materialpreis.
-
Durch die Erfindung ist erstmals erkannt worden, dass bei druckbelasteten Bauteilen, wie insbesondere einem Spaltrohr eines flüssigkeitsgekühlten Elektromotors unter Außendruck, ein Versagen mit vorhergegangener Wellenfront durch den Einsatz von ultra-hochmoduligen Carbonfasern zur Verstärkung eines Verbundwerkstoffes, verzögert werden kann.
-
Vorteilhafterweise werden die HM/UHM-Kohlenstofffasern als Pech-basierte Fasern, insbesondere als Steinkohleteerpech-basierte Fasern eingesetzt.
-
Hochmoduliger -HM- oder Ultra-hochmodulige -UHM-Kohlenstofffasern, insbesondere auf Pech-Basis, bevorzugt auf Steinkohleteerpech basierende ultra-hochmodulige Kohlenstofffasern, liegen in dem Verbundwerkstoff, aus dem beispielsweise die Spaltrohre gemacht werden, bevorzugt gestreckt, insbesondere langgestreckt, vor. Dabei liegen nicht nur die HM/UHM-Fasern bevorzugt „gestreckt“ also möglichst ondulationsfrei in einem bestimmten Faserwinkel vor, sondern auch alle anderen möglicherweise im HM/UHM-Verbundwerkstoff und/oder im weiteren Verbundwerkstoff des Spaltrohres enthaltenen Verstärkungsfasern. Das ist grundsätzlich bevorzugt, denn sonst würden sich im Betrieb die Fasern erstmal der Last nach ausstrecken, damit sie Lasten tragen.
-
Als Matrixmaterial in denen die HM/UHM-Fasern zur Herstellung des HM/UHM-Verbundwerkstoffes eingebettet sind, eignet sich nahezu jedes der gängigen Duroplaste- z.B. Polyester, Vinylester, Polyurethan, Epoxidharz, Formaldehydharz, Melamin, Polyimid, Phenol und/oder Thermoplaste -z.B. Polyethylen Polycarbonat, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Celluloid und/oder Keramiken- z.B. Metalloxide wie Korund, Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumcarbid, die auch schon in anderen bekannten Faserverstärkten Verbundwerkstoffen gebräuchlich sind. Typischerweise werden Duroplaste eingesetzt. Andererseits können aber auch besonders mit dem Matrixmaterial „Keramik“ nochmal deutlich steifere Rohre hergestellt werden, weil ein HM/UHM-Faserrohr mit keramischer Aluminiumoxidmatrix durch die steife Keramikmatrix noch höhere Beuldrucksteifigkeit als Rohre mit polymerer Matrix zeigt. Dabei ist jedoch ein größerer Herstellungsaufwand miteinzukalkulieren.
-
Man kann auch beliebige Kombinationen aus Matrixmaterialien einsetzen, soweit sie kompatibel sind. Zudem kann ein Matrixmaterial eingesetzt werden, das mit Füllstoff und/oder Partikel jeglicher Art versetzt ist, um bestimmte Effekte zu erzielen.
-
Beispielhafte Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohrs nach der Erfindung:
- Ein erstes Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Spaltrohrs nach der Erfindung ist das so genannte Wickelverfahren.
-
Dabei wird die HM/UHM Faser in Form eines Endlos-Roving - also eines Endlos-Vorgarns - der Begriff „Roving“ ist dem Fachmann aus der Textilbranche bekannt - in ein Harz eingebettet, dann auf einem Träger, insbesondere einem Zylinder, beispielsweise einem Stahlzylinder, zu einem Rohr gewickelt und anschließend im Ofen ausgehärtet. Das fertig gehärtete Rohr wird vom Träger abgetrennt und kann als Spaltrohr eingesetzt werden.
-
Eine weitere Art der Herstellung ist die Prepreg-Technologie. Dabei werden Fasermatten, die hochmodulige und/oder ultra-hochmodulige Fasern enthalten, mit Harz getränkt und zugeschnitten. Die Zuschnitte oder Laminate werden dann auf einem Träger, beispielsweise einem Stahlzylinder, abgelegt, bevorzugt auch mehrlagig abgelegt, und/oder laminiert und anschließend wieder in einem Ofen ausgehärtet. Hier existieren Halbzeuge in denen unidirektionale - „UD“-Fasern oder „UD“-Schichten, also „UD“-Fasermatten vorliegen.
-
Die beiden oben genannten Herstellungsverfahren sind in verschiedenen Einsatzszenarien sinnvoll, wobei die Prepreg-Technologie sich auch zur Herstellung komplexer Formen eignet.
-
Ein weiteres Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Spaltrohres ist das Harz-Infusionsverfahren. Hier werden trockene Gewebe oder mit einem Grundgewebe stabilisierte UD-Fasermatten trocken aufgewickelt auf einem Stahlzylinder und anschließend mit Harz eindiffundiert, insbesondere getränkt und konsolidiert.
-
Eine UD-Fasermatte, respektive eine Unidirektionale „UD“-Schicht ist hier die Bezeichnung für eine Schicht und/oder einen Faserverbundwerkstoff, in welchem idealisiert angenommen wird, dass alle Fasern in eine einzige Richtung orientiert sind. In realen Verbundwerkstoffen werden jedoch immer Fehlstellen vorliegen. Die Fasern werden ideal parallel und homogen verteilt angenommen. Die unidirektionale Schicht ist in diesem Idealfall transversal isotrop, ansonsten nur angenähert transversal isotrop. Eine UD-Schicht ist als Fasermatte das Grundelement geschichteter Faserverbundwerkstoffe.
-
Es sind im HM/UHM-Faserverbundwerkstoff beliebige Kombinationen mit weiteren Verstärkungsfasern z.B. Glasfasern „GFK“, Polymerfasern „PFK“ - daraus alle bekannten nicht leitenden polymeren Verstärkungsfasern-, keramische Fasern „KFK“ und/oder auch andere, nicht ultra-hoch-modulige, sondern beispielsweise nur hochmodulige Kohlenstofffasern „CFK“ möglich und im Sinne der Erfindung denkbar.
-
Die Herstellung der Kombinationen sind dem Fachmann aus einer Vielzahl von Bearbeitungen von Faserverbundwerkstoffen bekannt.
-
Die Verstärkung in axialer Richtung, um mögliche Lasten aufzunehmen, sollte vorzugsweise mit elektrisch nichtleitenden Fasern geschehen.
-
UHM-Kohlenstoffasern sind handelsüblich und in extremer ultra-Hochmoduligkeit beispielsweise von Mitsubishi Chemicals erhältlich.
-
Ein Vorteil der Erfindung ist neben der Beständigkeit und Steifigkeit der Spaltrohre mit HM/UHM-Faserverstärkung auch noch deren gute Wärmekapazität.
-
Das Spaltrohr kann ganz oder teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit HM/UHM-Kohlenstofffasern gefertigt sein. Bevorzugt liegt im Spaltrohr der Gewichtsanteil an HM/UHM-Faserverbundwerkstoff bei 50Gew% oder darüber. Die fehlenden Gewichtsanteile zu 100% Gewicht des Spaltrohrs werden durch einen oder mehrere kompatible Verbundwerkstoffe, insbesondere durch weitere Faserverstärkte Verbundwerkstoff, wie z.B. durch Glasfaserverbundwerkstoff, hochmoduligen Kohlenstofffaserverbundwerkstoff, Kohlenstofffaserverbundwerkstoff, oder sonstige kompatible Werkstoffe - wie beispielsweise Glasfaserverbundwerkstoff und/oder einem Aramid-, Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat-Faserverbundwerkstoffe ergänzt.
-
Dadurch entstehen dann Materialkombinationen des Spaltrohrs, die je nach Einsatzgebiet, Größe und Leistung des Elektromotors und Marktanforderungen, variiert werden können.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen Spaltrohre zumindest 50 Gew%, insbesondere zwischen 55Gew% und 99Gew%, insbesondere zwischen 70Gew% und 98 Gew% HM/UHM-Faserverbundwerkstoff mit HM/UHM-Kohlenstofffasern, wobei in diesen HM/UHM-Faserverbundwerkstoffen ein typischer Fasergehalt bei über 15 Gew% liegt.
-
Allerdings misst sich der Faseranteil im HM/UHM-Faserverbundwerkstoff üblicherweise über Volumenprozente, so dass beispielsweise ein erfindungsgemäß gut einsetzbarer HM/UHM-Faserverbundwerkstoff einen HM/UHM-Kohlenstofffaser-Volumenanteil bezogen auf 100 % Volumen des HM/UHM- Faserverbundwerkstoffes - also nicht bezogen auf 100 Vol% des Spaltrohrs sondern auf 100 Vol% des HM/UHM-Verbundwerkstoffes - im Bereich zwischen 35Vol% und 80 Vol%, insbesondere zwischen 37 Vol% und 75 Vol% und ganz bevorzugt zwischen 40Vol% und 70Vol%, beispielsweise mit einem Volumenanteil von 55 Vol% als einen in Matrix eingebetteten HM/UHM-Faservolumenanteil an hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstofffasern aufweist.
-
Ein derart hergestelltes Spaltrohr nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 80 bis 200 W/mK parallel zur Faser-Vorzugsrichtung respektive in Umfangsrichtung bei Wicklung des Spaltrohrs auf einem zylindrischen Träger, zeigen, wobei quer zur Faserrichtung, also in Axial- und/oder Radialrichtung, immer noch eine Wärmeleitfähigkeit von 0,4 bis 1,5 W/mK zu messen ist.
-
Dadurch kann einerseits eine Reduzierung der maximalen Bauteiltemperaturen am Blechpaket erreicht werden und andererseits wird ein Abbau von Hotspots am Spaltrohr möglich.
-
Der entscheidende Unterschied zu den bekannten Spaltrohren aus herkömmlichem Faserverbundwerkstoff ist, dass eine Effizienzsteigerung des Kühlsystems durch eine zielgerichtete Modifikation des Spaltrohr- respektive des darin eingesetzten Fasermaterials erreicht wird. Hochmodul- bzw. Ultrahochmodul-Kohlenstofffasern kommen bisher wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit aus den oben genannten Gründen nicht zum Einsatz in Spaltrohren. Durch die Erfindung konnte gezeigt werden, dass Carbonfasern in Form hochmoduliger oder ultra-hochmoduliger Verstärkungsfasern diese störende Leitfähigkeit in Verbundwerkstoffen nicht zeigen, dafür aber durch ihre extreme Steifigkeit und ihre extrem hohe intrinsische Wärmeleitfähigkeit gesenkte Bauteil- und/oder Spaltrohrtemperaturen einerseits und dadurch höhere Leistungsdichten und/oder höhere Lebensdauern ermöglichen.
-
In Tests und zum Nachweis dieser These wurden die Maximaltemperaturen eines konventionellen Spaltrohrs mit einem Spaltrohr gemäß der Erfindung verglichen:
- 1 zeigt die gemessenen Bauteiltemperaturen in einem elektrischen Motor:
-
Für die Nachweisführung wurden thermische Simulationen durchgeführt, in denen unter Variation der Wärmeleitfähigkeit des Spaltrohrmaterials die resultierenden Bauteiltemperaturen an den Spulen, im Blechpaket und am Spaltrohr ausgewertet wurden.
-
Als Vergleichsbeispiel wurde ein konventionelles Spaltrohr aus Verbundwerkstoff oder aus mit niedrig-Wärme-leitenden Fasern verstärktem Verbundwerkstoff im gleichen Elektromotor eingesetzt, dafür wurde ein typischer Wert der Wärmeleitfähigkeit für derartige Verbundwerkstoffe, 0,2W/mK, isotrop, angenommen. Diesem wurde ein Elektromotor mit Spaltrohr gemäß der vorliegenden Erfindung aus zumindest 70 Gew% aus HM/UHM Verbundwerkstoff - also mit hochmoduliger oder ultra-hochmoduliger Kohlenstofffaser-Verstärkung - gegenübergestellt.
-
Dafür wurden Wärmeleitfähigkeitswerte, die sich an der unteren Grenze der getesteten Wärmeleitfähigkeitsbereich der erfindungsgemäßen Spaltrohre befinden, angenommen. Die angenommenen Werte betragen 84w/mK in Faserrichtung und 0,4w/mK quer zur Faserrichtung. Trotz der am unteren Rand der zu erwartenden Werte angesetztem Wert zeigte der Elektromotor mit dem erfindungsgemäßen Spaltrohr aus mit UHM-Verbundwerkstoff schon deutlich geringere Maximaltemperaturen bei ansonsten gleichen Bedingungen.
-
1 zeigt, wie bereits bei diesen eher niedrig angesetzten Wärmeleitfähigkeiten eines erfindungsgemäßen Spaltrohrs deutlich geringere Maximaltemperaturen am System, also am Spaltrohr selbst und auch an den Bauteilen Spulen und Blechpaket des Elektromotors entstehen.
-
1 zeigt an der Y-koordinate die Maximaltemperaturen in °C auf der x-Achse jeweils 3 Paare mit Temperatur-Balken. Dabei repräsentiert der linkere Balken „A“ den Stand der Technik mit immer höheren Maximaltemperaturen als der rechtere Balken „B“, der immer die erfindungsgemäße Ausführungsform des Elektromotors mit einem Spaltrohr aus einem UHM-Verbundwerkstoff mit zumindest einem Anteil an 70Gew% an UHM-Verbundwerkstoff.
-
Die Balken-Paare 1 bis 3 zeigen, von links nach rechts:
- 1 - Spule, 1A- Stand der Technik und 1B nach der Erfindung
- 2 - Blechpaket 2A- Stand der Technik und 2B nach der Erfindung und
- 3 - Spaltrohr 3A- Stand der Technik und 3B nach der Erfindung.
-
Die Temperaturabnahme gegenüber einer konventionellen Ausführung wird umso höher ausfallen, je höher die Wärmeleitfähigkeit des Spaltrohrs 3B ist. Beispielsweise können mit ultra-hochmoduligen Kohlenstofffasern Wärmeleitfähigkeiten von über 150 W/mK in Faserrichtung und 1,5 W/mK quer zur Faserrichtung, erzielt werden. Diese lassen nach diesen Tests dann auch noch deutlich höhere Temperaturabnahmen im Elektromotor erwarten.
-
In weiteren Tests wurde aus dieser Studie - 1 - die Temperaturverteilung am Spaltrohr ausgewertet. 2 zeigt das konventionelle Spaltrohr 3A nach dem Stand der Technik und 3 zeigt das Spaltrohr 3B nach der vorliegenden Erfindung.
-
In 2 wird deutlich, wie vorhandene Hot Spots am Spaltrohr 3A, die oft im Bereich der Blechpaketzähne auftreten, diskrete Strukturen und diskrete Bereiche mit extremen Temperaturbelastungen bilden.
-
Demgegenüber zeigt das Spaltrohr 3B nach der Erfindung wie infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit des Spaltrohr- Verbundwerkstoffes die Hot Spots abgebaut und auf das gesamte Bauteilvolumen homogenisiert werden.
-
Diese deutliche Reduzierung der maximalen Spaltrohrtemperaturen lassen eine höhere Dauerbeständigkeit / Lebensdauer des Spaltrohres erwarten und ermöglichen damit in einem Bauteilentwicklungsprozess aufgrund reduzierter Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit den Einsatz kostengünstiger Materialien.
-
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor oder eine Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr. Dabei zeigt die vorliegende Erfindung erstmals durch den Einsatz von HM/UHM-Verbundwerkstoffen zur Herstellung von Spaltrohren, dass das wissenschaftliche Vorurteil überwunden werden kann, nachdem sich Kohlenstofffasern allgemein als Faserverstärkung in Verbundwerkstoffen für die Herstellung von Spaltrohren wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit nicht eignen. Vielmehr wird gemäß der Erfindung gezeigt, welche großen Vorteile der Einsatz von hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstoffasern in so genannten HM/UHM-Verbundwerkstoffen allein oder in Material-Kombinationen mit weiteren Verbundwerkstoffen bei der Herstellung von Spaltrohren hinsichtlich Wärmekapazität und/oder Beulfestigkeit mit sich bringt.
-
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
-
