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Die Erfindung betrifft einen Werkzeugzentralkern zum Kunststoff-Gießen einer Statorumspritzung für eine elektrische Traktionsmaschine, ein Verfahren mit einem solchen Werkzeugzentralkern zum Kunststoff-Gießen einer Statorumspritzung für eine elektrische Traktionsmaschine, sowie eine Traktionsmaschine mit einer solchen Statorumspritzung.
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Mit der voranschreitenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen sind immer leistungsfähigere und kostengünstigere elektrische Traktionsmaschinen bei gleicher oder geringerer Bauraumforderung am Markt gefragt. Konventionelle elektrische Traktionsmaschinen weisen meist eine indirekte Kühlung auf. Das heißt, dass meist der Stator von Maschinen-abgewandter Seite gekühlt wird. Dabei entsteht die meiste Abwärme innerhalb einer elektrischen Traktionsmaschine an der Rotorwicklung an der Rotorwelle. Die Abwärme erwärmt den Stator mit und wird erst außerhalb des Stators (bei konventionellen Kühlungen) von der elektrischen Traktionsmaschine abtransportiert. Dies führt gerade bei leistungsstarken elektrischen Traktionsmaschinen mit einer deutlichen größeren Bauraumforderung zu Problemen im Thermomanagement beziehungsweise zu geringeren abrufbaren Leistungen.
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Ein effizienterer Ansatz ist eine direkte Kühlung der elektrischen Traktionsmaschine innerhalb der Statornuten entlang der Wicklung. Dazu ist jedoch eine mediendichte Trennung zwischen dem Rotorraum und dem Statorraum mittels einer entsprechenden Statorumspritzung notwendig, weil sonst ansonsten Kühlmittel in den Rotorraum eindringt und zu hydrodynamischen Widerständen führt. Konventionelle Statorumspritzungen werden meist mittels eines Kunststoff-Gieß-Verfahrens urgeformt. Im Stand der Technik werden in vergleichbaren Anwendungsfällen Werkzeuge mit Entformungsschräge eingesetzt. Diese bieten den Vorteil, dass sich der Kern problemlos entformen lässt. Allerdings führt die Entformungsschräge zu einem unterschiedlich großen Luftspalt in axialer Länge und somit zu einem Leistungsverlust und Effizienzverlust.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft einen Werkzeugzentralkern zum Kunststoff-Gießen einer Statorumspritzung für eine elektrische Traktionsmaschine, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen zylindrischen Außenmantel mit einer werkstück-seitigen Außenfläche;
- - zumindest eine Induktionsspule, wobei mittels der Induktionsspule die werkstück-seitige Außenfläche heizbar ist.
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Der Werkzeugzentralkern ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass eine Medienleitung für ein Temperiermedium vorgesehen ist, wobei mittels des Temperiermediums die werkstück-seitige Außenfläche kühlbar ist.
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In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Um eine (bevorzugt mediendichte) Statorumspritzung für eine elektrische Traktionsmaschine mittels Kunststoff-Gießen auszuformen, ist hier ein Werkzeugzentralkern für ein entsprechendes Gieß-Werkzeug vorgeschlagen. Der Werkzeugzentralkern ist dabei derart ausgeführt, dass dieser einen zylindrischen Außenmantel aufweist und der Außenmantel keine Neigung (als Entformungsschräge) über die axiale Ausdehnung des Außenmantels aufweist. Entformungsschrägen sind Abweichungen von der Senkrechten der vorbestimmten Form des Bauteils und stellen dabei eine resultierende Verjüngung dar, resultieren also in genauerer Betrachtung in einer Kegelform beziehungsweise Kegelstumpfform. Der Außenmantel ist also (technisch) zylindrisch. Es sei darauf hingewiesen, dass innerhalb einer Fertigungstoleranz eine Neigung zulässig ist, also eine Form abweichend von einer theoretischen mathematischen Zylinderform hier als zylindrisch bezeichnet ist. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass der zylindrische Außenmantel eine (technisch konstante) Querschnittsfläche (eines Extrusionskörpers) aufweist, welche einzig in einer bevorzugten Ausführungsform (technisch) kreisförmig ist. Alternativ ist beispielsweise ein Polygon zu einem zylindrischen Außenmantel extrudiert. Wie bereits eingangs erläutert, resultiert eine Entfomungsschräge in einem veränderlichen Spaltmaß und/oder einem veränderlichen Radius über die axiale Erstreckung der Statorumspritzung zu der korrespondierenden Komponente (Rotor). Dadurch wird in der Regel der Wirkungsgrad vermindert. Die Statorumspritzung wird um einen Stator-Rumpf, also zumindest ein Blechpaket (und gegebenenfalls weitere Anbau-Komponenten), unter Verwendung eines Kunststoffmaterials umspritzt.
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Mittels der Statorumspritzung ist der Magnetfeld-leitende Teil des Stators einer elektrischen Traktionsmaschine zumindest zum Rotorraum hin (bevorzugt vollständig) umschlossen.
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Der zylindrische Außenmantel umfasst eine werkstück-seitige Außenfläche, auf welcher in einem Kunststoff-Gieß-Verfahren ein Stator aufgebracht wird. Beispielsweise ist zumindest eine der Grundflächen des zylindrischen Außenmantels außerhalb einer Spritzkavität angeordnet. In einer Ausführungsform ist an zumindest einer Endseite des zylindrischen Außenmantels ein Funktionsbereich, beispielsweise ein Hinterschnitt als Passform für einen Formschluss, in axialer Verlängerung von aber außerhalb der werkstück-seitigen Außenfläche vorgesehen. Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugzentralkerns vorgeschlagen, dass die Oberfläche der werkstück-seitigen Außenfläche poliert oder strichpoliert ist. Damit ist eine vorbestimmte Oberflächenrauigkeit der zu bildenden Statorumspritzung und/oder eine sehr gute (widerstandsarme) Entformbarkeit erzeugt.
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Es ist weiterhin eine Induktionsspule von dem Werkzeugzentralkern umfasst. Um in einem Kunststoff-Gieß-Verfahren das Kunststoffmaterial auf einer gewünschten Prozesstemperatur zu halten, ist die Induktionsspule zum Aufheizen der werkstück-seitigen Außenfläche vorgesehen. Die Aufheizung mittels der Induktionsspule erfolgt aufgrund einer induktiven Heizung. Der Werkzeugzentralkern umfasst dazu (bevorzugt ferromagnetisches) Metall, welches mittels des magnetischen Wechselfelds der Induktionsspule (schnell und energieeffizient) erwärmbar ist. Bevorzugt ist der zylindrische Außenmantel zum Teil, besonders bevorzugt die werkstück-seitige Außenfläche, oder vollständig aus einem erwärmbaren Metall gebildet. Dabei ist die werkstück-seitige Außenfläche derart aufheizbar, dass Kunststoffmaterial (beispielsweise ein Thermoplast, bevorzugt ein Duromer) beim Einspritzen erwärmbar beziehungsweise auf einer vorbestimmten Prozesstemperatur haltbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform verfügt der Werkzeugzentralkern, besonders bevorzugt der zylindrische Außenmantel im Bereich der werkstück-seitigen Außenfläche, über einen hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise ist der zylindrische Außenmantel zum Teil, besonders bevorzugt die werkstück-seitige Außenfläche, oder vollständig aus einer ferromagnetischen Nickel-Eisenlegierung gebildet. Alternativ ist nur ein geringes Wärmedehnungsverhalten erwünscht, um eine temperaturbedingte Änderung des Spaltmaßes zwischen dem Einspritzen und während eines Aushärtens in einer geringen Toleranz zuhalten. Der Werkzeugzentralkern ist derart ausgeführt, dass aufgrund des Aufheizens eine räumliche Ausdehnung auftritt. Diese räumliche Ausdehnung des Werkzeugzentralkerns ist (empirisch und/oder modell-basiert berechnet) vorbestimmt.
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In einer Ausführungsform umfasst der zylindrische Außenmantel eine innen-liegende Innenaufnahme, in welcher die Induktionsspule aufgenommen ist. In einer Ausführungsform ist die Induktionsspule in die Innenaufnahme in ein die Innenaufnahme ausfüllendes Füllmaterial eingegossen.
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Hier ist vorgeschlagen, dass weiterhin eine Medienleitung für ein Temperiermedium von dem Werkzeugzentralkern umfasst ist. Das Temperiermedium ist bevorzugt eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder eine ÖI-Wasser-Emulsion. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Medienleitung ebenfalls in der Innenaufnahme des Werkzeugzentralkerns angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist die Medienleitung in dem Material des zylindrischen Außenmantels geführt, bevorzugt integral ausgeführt. Das Temperiermedium ist dabei derart ausgeführt, dass die werkstück-seitige Außenfläche des Werkzeugzentralkerns kühlbar ist. Die Medienleitung ist beispielsweise derart angeordnet, dass eine gleichmäßige beziehungsweise bereichsweise (in vorbestimmten separaten Zonen) jeweils gleichmäßige Kühlung der werkstück-seitigen Außenfläche ermöglicht ist. Das Temperiermedium ist dabei derart dimensioniert, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei einem vergleichsweise geringen Volumenstrom sichergestellt ist und somit die Wärme von der werkstück-seitigen Außenfläche abtransportierbar ist. Besonders ist die Medienleitung für ein Temperiermedium derart dimensioniert, dass der Werkzeugzentralkern (beziehungsweise zumindest der zylindrische Außenmantel) derart unterkühlbar ist, dass nach einem ausreichend abgeschlossenen Aushärten des eingespritzten Kunststoffmaterials ein Untermaß erzeugbar ist. Der Werkzeugzentralkern ist somit leicht entnehmbar, also entformbar.
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Eine Zwischen einer Ausdehnung des zylindrischen Außenmantels mit der Prozesstemperatur für ein Aushärten aus der flüssigen Phase des eingespritzten Kunststoffmaterials und der Ausdehnung des zylindrischen Außenmantels mit der Prozesstemperatur für ein Entnehmen des Werkzeugzentralkerns liegt beispielsweise eine Durchmesserdifferenz (Schrumpfung) von mehr als 1/10 mm [ein zehntel Millimeter] vor. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die notwendige Schrumpfung innerhalb von einer kurzen Prozesszeit erzielbar, beispielsweise in weniger als 10 min [zehn Minuten], bevorzugt weniger als 1 min.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugzentralkerns vorgeschlagen, dass die Induktionsspule als Hohlleiter für ein Temperiermedium ausgeführt ist, wobei mittels des Temperiermediums die Induktionsspule kühlbar ist, wobei bevorzugt der Hohlleiter von der Medienleitung gebildet ist.
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Die Induktionsspule erfährt im Betrieb, also während des Bestromens, oftmals eine starke Materialerwärmung aufgrund von einer hohen elektrischen Flussdichte. Daher ist hier vorgeschlagen, dass die Induktionsspule als ein Hohlleiter ausgeführt ist. Der Hohlleiter ist derart eingerichtet, dass der Hohlleiter von einem Kühlmedium durchströmbar ist und damit die Induktionsspule von innen heraus kühlbar ist. Das wirksame Wechsel-Magnetfeld der Induktionsspule ist infolge der innenliegenden Anordnung der Kühlleitung nicht beziehungsweise nur vernachlässigbar beeinträchtigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlleiter von (zumindest einem Teil) der Medienleitung beziehungsweise umgekehrt gebildet. In dieser Ausführungsform ist jene die Induktionsspule umfassende Baueinheit zum Aufheizen und zugleich zum Kühlen des Werkzeugzentralkerns (beziehungsweise zumindest des zylindrischen Außenmantels) eingerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlleiter und damit die Induktionsspule der Formgebung einer Spule folgend und besonders bevorzugt koaxial innerhalb der Innenaufnahme spiralförmig angeordnet ist. Dabei ist die Spiralachse des Hohlleiters um die Symmetrieachse des Werkzeugzentralkerns derart angeordnet, dass nahezu alle Bereiche des Werkzeugzentralkern vergleichmäßigt heizbar und kühlbar sind.
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Dabei ist das Temperiermedium derart dimensioniert, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei einem vergleichsweise geringen Volumenstrom sichergestellt ist und somit die Wärme aus der Induktionsspule abtransportierbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Temperiermedium derart dimensioniert, dass die werkstück-seitige Außenfläche und die Induktionsspule gleichzeitig kühlbar sind. Beispielsweise ist dabei ein externes Induktionsgerät derart eingerichtet, dass bei einem erhöhten Temperaturverlauf die Temperaturführung derart gewählt ist, dass der Hohlleiter der Induktionsspule mit einem vorbestimmten Volumenstrom des Temperiermediums beaufschlagt ist. Der Volumenstrom des Temperiermediums ist dabei dann so gewählt, dass die werkstück-seitige Außenfläche und die Induktionsspule kühlbar sind.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugzentralkerns vorgeschlagen, dass in den Werkzeugzentralkern ein Thermoelement, bevorzugt mit einer Mehrzahl von Messzonen, integriert ist.
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Für eine präzise Temperaturführung ist hier ein Thermoelement vorgeschlagen, welches innerhalb des Werkzeugzentralkerns angeordnet ist. Das Thermoelement ist dabei derart in den Werkzeugzentralkern angeordnet, dass mittels des Thermoelements verschiedene Prozessphasen mit unterschiedlichen Temperaturen in einem Kunststoff-Gieß-Verfahren abbildbar sind. Das eingespritzte Kunststoffmaterial ist für eine entsprechende Verarbeitung und zum Verhindern eines frühzeitigen Aushärtens in dem Kunststoff-Gieß-Verfahren mittels des Thermoelements in verschiedenen Temperaturbereichen überführbar. Bevorzugt ist mittels der Temperaturführung eine mediendichte Statorumspritzung ausführbar. Bevorzugt ist das Thermoelement von der Innenaufnahme des Werkzeugzentralkerns aufgenommen. Die Innenaufnahme weist eine derart gute Wärmeleitfähigkeit auf, dass mit guter Näherung und geringer zeitlicher Verzögerung eine Temperaturänderung an der Oberfläche des zylindrischen Außenmantels erfassbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkzeugzentralkern eine Mehrzahl von Thermoelementen, welche in (separaten) Messzonen derart angeordnet sind, dass über den zylindrischen Außenmantel die (potentiell unterschiedlichen) Temperaturen unterschiedlicher Zonen differenziert erfassbar sind. In einer Ausführungsform ist die Temperaturverteilung über den gesamten zylindrischen Außenmantel (in guter Näherung) erfassbar. In einer bevorzugten Ausführungsform sind auch zonenweise separate Induktionsspulen und/oder Medienleitungen vorgesehen, sodass reagierend auf eine erfasste Temperatur in einer (separaten) Messzone entsprechend unabhängig von den anderen Messzonen temperierbar ist, beispielsweise kühlbar zum Vermeiden eines Hotspots. Alternativ ist eine (einzige) Temperierleistung auf Basis der höher aufgelösten Temperaturverteilung geregelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Kunststoff-Gießen einer Statorumspritzung für eine elektrische Traktionsmaschine mittels eines Werkzeugzentralkerns vorgeschlagen, wobei der Werkzeugzentralkern nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a. Bereitstellen einer Werkzeugform und des Werkzeugzentralkerns mit eingesetztem Stator-Rumpf, wobei zumindest ein Einspritzspalt vorgehalten ist;
- b. Bestromen der Induktionsspule und damit Aufheizen des Außenmantels auf eine vorbestimmte Prozesstemperatur;
- c. mittels der Induktionsspule und/oder des Temperiermediums in der Medienleitung, Einregeln der vorbestimmten Prozesstemperatur bei einem Haupt-Einspritz-Vorgang von Kunststoffmaterial in den zumindest einen Einspritzspalt;
- d. mittels des Temperiermediums in der Medienleitung nach Abschluss des Haupt-Einspritz-Vorgangs in Schritt c., zum Aushärten des eingespritzten Kunststoffmaterials Regeln der Temperatur des Außenmantels auf eine vorbestimmte Aushärttemperatur;
- e. mittels des Temperiermediums in der Medienleitung, Unterkühlen des Außenmantels auf eine Entformtemperatur und Entnehmen des Werkzeugzentralkerns.
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In dem Schritt a. des Verfahrens zum Kunststoff-Gießen wird der Werkzeugzentralkern und eine Werkzeugform bereitgestellt, wobei der Werkzeugzentralkern radial innerhalb eines bereitgestellten Stator-Rumpfs derart angeordnet ist, dass zumindest ein Einspritzspalt gebildet ist. Die Werkzeugform bildet zusammen mit dem Werkzeugzentralkern das Negativ der vorbestimmen Statorumspritzung, sodass zu dem Stator-Rumpf der entsprechende zumindest eine Einspritzspalt (das Negativ) gebildet ist. Der Stator-Rumpf umfasst zumindest ein Blechpaket und gegebenenfalls weitere Komponenten (beispielsweise endseitig jeweils eine Stirnscheibe) eines Stators. Der Einspritzspalt ist zum Einspritzen von Kunststoffmaterial vorgehalten. Die Werkzeugform ist derart eingerichtet, dass das Kunststoffmaterial (unter einem hohen vordefinierten Druck und unter einer hohen Prozesstemperatur) in die vorbestimmte Form der Statorumspritzung einspritzbar ist. Das Kunststoffmaterial verweilt in der Werkzeugform bis die Statorumspritzung ausgehärtet ist und der Werkzeugzentralkern aus der Werkzeugform entfernt wird.
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Das Kunststoffmaterial ist ein Thermoplast und/oder (bevorzugt einzig) ein Duromer (Spritzpressen oder Transfermolding). Der zumindest eine Einspritzspalt ist in einer üblichen Ausführungsform lang und schmal. Ohne ein exaktes Temperaturführen würde das Kunststoffmaterial frühzeitig aushärten und/oder Lunker bilden. Es sind beispielsweise Drücke von jenseits 100 bar [einhundert bar], bevorzugt oberhalb von 130 bar und/oder Prozesstemperaturen von oberhalb von 100 °C [einhundert Grad Celsius], beispielsweise oberhalb von 150 °C eingesetzt. Damit wird eine ausreichend niedrige Viskosität sichergestellt und eine ausreichende Einfließgeschwindigkeit, sodass das Duromer nicht vor Vollendung des Schritts c. aushärtet, bevorzugt erst während Schritt d. mit dem Aushärten beginnt.
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In dem anschließenden Schritt b. wird die Induktionsspule mit einer Wechselspannung bestromt. Aufgrund der angelegten Wechselspannung wird ein pulsierendes Magnetfeld innerhalb zumindest (bevorzugt einzig) des zylindrischen Außenmantels induziert, woraufhin der zylindrische Außenmantel (induktiv) und somit präzise und schnell erhitzt wird. Damit wird eine vorbestimmte Prozesstemperatur eingestellt. Die vorbestimmte Prozesstemperatur ist in einer Ausführungsform konstant oder in einer anderen Ausführungsform folgt sie einem vorgegebenen und/oder geregelten Temperaturverlauf. Die Prozesstemperatur ist bevorzugt mittels eines Thermoelements (beispielsweise im Inneren des zylindrischen Außenmantels) erfassbar. In einer alternativen Ausführungsform ist die Prozesstemperatur über ein zuvor bestimmtes Materialmodell über die Bestromungsdauer berechnet beziehungsweise näherungsweise auf Basis von außenseitigen Messungen (beispielsweise in der Werkzeugform) bekannt. Die Prozesstemperatur ist dabei so gewählt, dass das eingesetzte Kunststoffmaterial über die Dauer des späteren Haupt-Einspritz-Vorgangs (vergleiche Schritt c.) in seinem niedrig-viskosen Zustand verweilt.
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In dem anschließenden Schritt c. wird mittels der bestromten Induktionsspule und/oder des Temperiermediums in der Medienleitung die vorbestimmte Prozesstemperatur eingeregelt. Dabei wird mittels der Induktionsspule der Außenmantel auf der vorbestimmten Prozesstemperatur gehalten beziehungsweise geführt. Während dessen wird die Temperatur des Werkzeugzentralkerns beispielsweise konstant gehalten. Dabei werden ideale Bauteilqualitäten und Oberflächen erreicht. Das Kühlmedium wird dann nur bei Bedarf zugeschaltet, um Hotspots im Werkzeug zu verhindern.
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In dem Haupt-Einspritz-Vorgang wird unter hohem Druck (beispielsweise150 bar [einhundertundfünfzig bar]) Kunststoffmaterial in den Einspritzspalt eingespritzt, sodass der Stator-Rumpf mit dem eingespritzten Kunststoffmaterial umspritzt wird.
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Nach außen hin wird das eingespritzte Kunststoffmaterial von der Werkzeugform zurückgehalten.
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Nach dem Ende des Haupt-Einspritz-Vorgangs wird in dem Schritt c. der Kühleintrag (mittels Volumenstrom und/oder geringere Temperatur) des Temperiermediums erhöht und/oder die Bestromung der Induktionsspule Temperatur-verringernd variiert, sodass gezielt eine Vernetzung des Kunststoffmaterials um den Stator-Rumpf gestartet wird. Es wird dabei eine vorbestimmte Aushärttemperatur eingeregelt. Für eine ideale Vernetzung eines Duromers bei einem Spritzpressen können exakt an das Kunststoffmaterial angepasste Wärmezyklen abgefahren werden, wobei Aufheizvorgänge und Abkühlvorgänge stattfinden, welche beispielsweise jeweils mit hohen Temperaturgradienten durchgeführt werden.
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In dem anschließenden Schritt e. wird der zylindrische Außenmantel mittels des Temperiermediums unterkühlt. Dabei wird der Außenmantel auf eine Entformtemperatur gebracht, bei der sich der gesamte Werkzeugzentralkern aufgrund der thermischen Schrumpfung staucht und ein Untermaß abbildet. Die damit einhergehende Verringerung des Umfangs des Werkzeugzentralkerns ermöglicht ein Entnehmen des Werkzeugzentralkerns aus der nun urgeformten und ausgehärteten Statorumspritzung.
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Bei der Entnahme wird der Werkzeugzentralkern in axialer Richtung aus der Statorumspritzung herausbewegt. Aufgrund der Unterkühlung des Außenmantels und der thermischen Schrumpfung, ist eine Entnahme des Werkzeugzentralkerns aus dem Stator ohne Entformungsschrägen ermöglicht. Damit ist ein konstantes und gerades Spaltmaß erzielbar und somit ein mediendicht umspritzter Stator beziehungsweise eine elektrische Antriebsmaschine mit hohem Wirkungsgrad herstellbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt b. und/oder in Schritt c. die Induktionsspule mittels des Temperiermediums auf eine korrespondierend zu einer Prozessphase vorbestimmte Soll-Temperatur eingeregelt wird.
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Die Induktionsspule erfährt im Betrieb, also bei der Bestromung, oftmals eine starke Materialerwärmung aufgrund von einer hohen elektrischen Flussdichte. Daher wird in einem Schritt b. und/oder in Schritt c. die bestromte Induktionsspule vor einer Überhitzung oder Materialermüdung geschützt, dazu wird die Induktionsspule gekühlt. Die Kühlung der Induktionsspule erfolgt mittels des Temperiermediums, welches die Induktionsspule auf eine vorbestimmte Soll-Temperatur einregelt. Die Soll-Temperatur der Induktionsspule ist derart geregelt, dass diese korrespondierend zu einer in einer entsprechenden Prozessphase von der Induktionsspule zu erzeugenden Temperatur abgestimmt ist.
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Die Induktionsspule wird während des Aufheizens auf die Prozesstemperatur und/oder während des Haltens der Prozesstemperatur des Werkzeugzentralkerns strominduziert mit einer Temperaturlast beaufschlagt, wobei diese Temperaturlast mittels des Temperiermediums aus der Induktionsspule abtransportiert wird. In einer Ausführungsform ist die Soll-Temperatur, eine maximale Temperatur der Induktionsspule, welche die maximale Temperaturbelastung der Induktionsspule darstellt und mittels des Temperiermediums vermieden wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Soll-Temperatur eine Funktion der Prozessphase und wird mittels eines Regelkreises kontinuierlich angepasst, wobei die maximale Temperatur der Induktionsspule dabei eine Randbedingung der Funktion darstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Induktionsspule als Hohlleiter wie vorhergehend beschrieben ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich ist eine externe Kühlleitung zum Temperaturführen der Induktionsspule vorgesehen.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt c. die Induktionsspule pulsierend bestromt wird.
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Um bei dem Haupt-Einspritz-Vorgang das Kunststoffmaterial in seinem niedrig-viskosen Zustand zu halten und um den Stator-Rumpf mit dem Kunststoffmaterial zu umspritzen, ist es vorteilhaft, in Schritt c. eine pulsierende Bestromung an die Induktionsspule anzulegen. Mittels der pulsierenden Bestromung der Induktionsspule wird die vorbestimmte Prozesstemperatur an der werkstück-seitigen Außenfläche gehalten, sodass das Kunststoffmaterial in seiner niedrig-viskosen Phase verbleibt.
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In einer Ausführungsform ist die Prozesstemperatur mittels einer sogenannten Look-Up-Tabelle und der Bestromungsdauer ermittelbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Prozesstemperatur mittels zumindest eines, bevorzugt einer Mehrzahl von, Thermoelement(en) des Werkzeugzentralkerns ermittelbar.
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Aufgrund von Hysterese-Effekten bei der Induktion innerhalb des Werkzeugzentralkerns und/oder ungewollten stark exothermen Reaktionen des Kunststoffmaterials ist ein Auftreten von Hotspots möglich. Hotspots sind Bereiche innerhalb des Werkzeugzentralkerns, welche eine überhöhte Temperatur aufweisen. Die Temperatur in Hotspots weicht von der vorbestimmten Prozesstemperatur ab und führt unter Umständen zu einem frühzeitigen Aushärten des Kunststoffs mit der Folge einer unvollständigen Statorumspritzung. Daher werden in einer bevorzugten Ausführungsform (bevorzugt mittels einer Mehrzahl von Thermoelementen innerhalb von einer entsprechenden Anzahl von Messzonen) Hotspots erkannt und mittels geeigneter kurzzeitiger (bevorzugt räumlich begrenzter) Abkühlung vermieden.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt d. bei einem Nachdrück-Vorgang Einspritzen von weiterem Kunststoffmaterial und damit Urformen der Statorumspritzung um den Stator-Rumpf.
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Nachdem in dem Schritt c. das Kunststoffmaterial die Komponenten des Stator-Rumpfs umschlossen hat, wird gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform in einem anschließenden Schritt d. weiteres Kunststoffmaterial in die Werkzeugform nachgedrückt. In diesem Nachdrück-Vorgang werden Schrumpfungen beim Aushärtvorgang ausgeglichen. Um ein kontrolliertes Aushärten zu ermöglichen ist mit dem präzise Temperatur-geführten Werkzeugzentralkern ein Aushärten ausreichend und sehr exakt verlangsamt.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt e. die Induktionsspule abgeschaltet ist, wobei bevorzugt der Werkzeugzentralkern unterkühlt wird mittels eines maximalen Volumenstroms von dem Temperiermedium.
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In dem abschließenden Schritt e. des Verfahrens zum Kunststoff-Gießen, wird in dieser vorteilhaften Ausführungsform die Bestromung der Induktionsspule abgeschaltet und somit ein Aufheizen beendet. Zusätzlich wird bevorzugt in dem Schritt e. der Volumenstrom des Temperiermediums auf ein Maximum derart erhöht, dass eine Unterkühlung des Werkzeugzentralkerns mit einem hohen Temperaturgradienten erfolgt. Aufgrund der Unterkühlung des Werkzeugzentralkerns wird dieser thermisch komprimiert und zugleich der Einfluss auf die Statorumspritzung minimiert, sodass der Werkzeugzentralkern eine deutlich stärkere (oder sogar allein eine) Schrumpfung erfährt. Der Werkzeugzentralkern lässt sich so aus der Statorumspritzung axial herausziehen. Aufgrund dieser thermischen Schrumpfung ist keine Entformungsschräge benötigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Traktionsmaschine vorgeschlagen, aufweisend einen Rotor mit einer Rotorwelle und einen Stator, welcher mittels des Verfahrens nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung mit einer Statorumspritzung versehen ist, wobei bevorzugt Pins als Statorwicklung vorgesehen sind.
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Die elektrische Traktionsmaschine ist bevorzugt funktional konventionell ausgeführt und ersetzend für eine konventionelle elektrische Traktionsmaschine einsetzbar, mittels welcher ein Drehmoment beispielsweise für ein Kraftfahrzeug erzeugbar ist. Das Drehmoment der elektrischen Traktionsmaschine ist von einem Rotor mittels einer Rotorwelle übertragbar. Mittels magnetischer Wechselwirkung ist das Drehmoment im Zusammenhang mit einem Stator erzeugbar, wobei der Stator eine Statorumspritzung umfasst. Die Statorumspritzung ist nach einem Verfahren nach der obigen Beschreibung ausgeführt, wobei die Statorumspritzung Leerstellen (sogenannte Nute) aufweisen, welche zur Aufnahme von einer Statorwicklung eingerichtet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Statorwicklung von sogenannten Pins (beispielsweise Hair-Pin oder i-Pin) gebildet. Die Statorumspritzung ist besonders bevorzugt derart ausgeführt, dass mittels der Werkzeugform beziehungsweise entsprechende Nut-Kerne außenseitige Nute in der Statorumspritzung für die Pins vorgehalten sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Statorumspritzung derart ausgeführt, dass die Nute für die Statorwicklung frei von einem Nutpapier befüllbar sind. Die Aufgabe des Nutpapiers (Sicherungsisolierung der Statorwicklung gegenüber dem zumindest einen Blechpaket) ist also von der Statorumspritzung übernommen.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Werkzeugzentralkern in einer schematischen Schnittansicht;
- 2: ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Kunststoff-Gießen;
- 3: eine Statorumspritzung in einer Schnittansicht; und
- 4: schematisch ein Kraftfahrzeug mit eine elektrischen Traktionsmaschine in einer Draufsicht.
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In 1 ist ein Werkzeugzentralkern 1 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Rein schematisch sind außen eine Werkzeugform 13 und dazwischen ein Stator-Rumpf 14 (mit einer Mehrzahl von Blechpaketen 21) und Nutkerne 22 angedeutet. Dazwischen sind die Einspritzspalte 15 gebildet. Der Werkzeugzentralkern 1 ist zum Kunststoff-Gießen (bevorzugt Spritzpressen) einer Statorumspritzung 2 eines Stators 19 einer elektrischen Traktionsmaschine 3 aus einem Stator-Rumpf 14 eingerichtet. Der Werkzeugzentralkern 1 umfasst einen zylindrischen Außenmantel 4, welcher (bevorzugt einstückig) aus einem mittels Induktionsspule 7 erhitzbaren Material gebildet und frei von Entformungsschrägen ist. In dieser Ausführungsform umfasst der Werkzeugzentralkern 1 eine (rein optional separat gebildete) Innenaufnahme, wobei in der Innenaufnahme eine Induktionsspule 7 von einem Füllmaterial 23 umschlossen eingegossen ist. In dieser Ausführungsform sind rein optional Thermoelemente 6 vorgesehen, welche hier ebenfalls in das Füllmaterial 23 mit eingegossen sind. Die Induktionsspule 7 ist hier rein optional als ein Hohlleiter 9 ausgeführt, wobei in dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der Hohlleiter 9 mit der Medienleitung 8 identisch ist. Die Medienleitung 8 ist zum Durchleiten eines Temperiermediums, beispielsweise Wasser oder einer ÖI-Wasser-Emulsion, eingerichtet. Das Temperiermedium ist derart dimensioniert, dass sowohl die Induktionsspule 7 als auch der zylindrische Außenmantel 4 kühlbar sind. Der zylindrische Außenmantel 4 umfasst eine werkstück-seitige Außenfläche 5, wobei der zylindrische Außenmantel 4 und die werkstück-seitige Außenfläche 5 rein optional einstückig gebildet sind. Bevorzugt ist die werkstück-seitige Außenfläche 5 poliert. Die Induktionsspule 7 ist dabei derart eingerichtet, dass der Außenmantel 4 mittels Bestromung der Induktionsspule 7 induktiv aufheizbar ist. Der Werkzeugzentralkern 1 ist hier (rein optional beziehungsweise rein repräsentativ) in drei Messzonen 10,11,12 unterteilt. Es sei darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform weniger (beispielsweise eine einzige) oder mehr Messzonen vorgesehen sind. Die Thermoelemente 6 sind dabei zum Erfassen der Prozesstemperatur und damit als Eingangselemente zum Temperaturführen beim Kunststoff-Gieß-Verfahren eingerichtet.
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In 2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Kunststoff-Gießen dargestellt. Das Verfahren zum Kunststoff-Gießen wird mit Bezug auf den Werkzeugzentralkern 1 gemäß 1 beschrieben. In einem Schritt a. wird der Stator-Rumpf 14 in den Werkzeugzentralkern 1 und die Werkzeugform 13 eingesetzt. Dabei umschließt die Werkzeugform 13 den Werkzeugzentralkern 1 derart, dass die Einspritzspalte 15 zwischen dem Werkzeugzentralkern 1 der Werkzeugform 13 und dem Stator-Rumpf 14, sowie den Nutkernen 22 vorgehalten ist.
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In dem anschließenden Schritt b. wird die Induktionsspule 7 bestromt, sodass der Werkzeugzentralkern 1 beziehungsweise der zylindrische Außenmantel 4 und seine werkstück-seitige Außenfläche 5 induktiv aufgeheizt wird. Dabei wird die werkstück-seitige Außenfläche 5 auf eine vorbestimmte Prozesstemperatur aufgeheizt. Hier ist die vorbestimmte Prozesstemperatur derart gewählt, dass ein Kunststoffmaterial 16 (beispielsweise ein Duromer) in einem sehr nieder-viskosen Zustand gehalten wird, beispielsweise auf 150 °C [einhundertundfünfzig Grad Celsius]. Die Temperatur der Induktionsspule 7 wird mittels des Temperiermediums auf einer Soll-Temperatur gehalten, wobei die Soll-Temperatur bevorzugt eine Funktion der aktuellen Prozessphase des Verfahrens zum Kunststoff-Gießen ist.
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In dem folgenden Schritt c. wird in einem Haupt-Einspritz-Vorgang das Kunststoffmaterial 16 unter hohen Druck beispielsweise 150 bar [einhundertundfünfzig bar] in die Einspritzspalte 15 eingespritzt. Hierbei wird das Kunststoffmaterial 16 so lange in dem sehr nieder-viskosen Zustand gehalten, bis alle Komponenten des Stator-Rumpfs 14 homogen umschlossen sind. Während des Schritts c. wird mittels einer pulsierenden Bestromung der Induktionsspule 7 und einem Volumenstrom des Temperiermediums in dem Hohlleiter 9 die Prozesstemperatur eingeregelt. Die Prozesstemperatur wird in einer bevorzugten Ausführungsform mittels der Thermoelemente 6 innerhalb der Messzonen 10,12,11 hinreichend eingeregelt. Alternativ oder zusätzlich ist mittels der Thermoelemente 6 eine Vermeidung von Hotspots innerhalb des Werkzeugzentralkerns 1 ermöglicht.
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In dem anschließenden Schritt d. wird nach Beendigung des Haupt-Einspritz-Vorgangs die Bestromung der Induktionsspule 7 und/oder die Kühlleistung der Medienleitung 8 derart geregelt, dass die Prozesstemperatur auf eine Aushärttemperatur abgesenkt wird. Die Aushärttemperatur ist dabei so gewählt, dass ein kontrolliertes (und gleichmäßiges) Aushärten des Kunststoffmaterials 16 stattfindet. Bevorzugt wird weiteres Kunststoffmaterial 16 nachgedrückt, um beim Aushärten damit Schrumpfungserscheinungen des Kunststoffmaterials 16 auszugleichen. Die Aushärttemperatur ist zu diesem Zweck bevorzugt für ein entsprechend langsames Aushärten geregelt.
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In dem abschließenden Schritt e. wird die Induktionsspule 7 abgeschaltet und der Volumenstrom des Temperiermediums auf einen maximalen Volumenstrom gesteigert, sodass die werkstück-seitige Außenfläche 5 mit einem hohen Temperaturgradienten unterkühlt wird. Die Außenfläche 5 wird dabei auf eine Entformtemperatur gebracht. Die Entformtemperatur ist so gewählt, dass eine thermische Schrumpfung des Werkzeugzentralkerns 1 und keine oder nur eine geringe Schrumpfung der Statorumspritzung 2 eintritt. Aufgrund der thermischen Schrumpfung des Werkzeugzentralkerns 1 (und bevorzugt unterstützt von einer polierten Außenfläche 5), löst sich der Werkzeugzentralkern 1 von der nun urgeformten Statorumspritzung 2. Der Werkzeugzentralkern 1 wird dann axial aus der Statorumspritzung 2 heraus gezogen.
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In 3 ist eine Statorumspritzung 2 in einer Schnittansicht gezeigt. Die Statorumspritzung 2 ist zur Rotationsachse 24 rotationssymmetrisch ausgeführt, wobei die Rotationsachse 24 darstellungsgemäß vertikal verläuft. Die Statorumspritzung 2 ist beispielsweise mittels eines Werkzeugzentralkerns 1 gemäß 1 erzeugt. Innerhalb des Raums zwischen der Rotationsachse 24 und der Statorumspritzung 2 ist im späteren Betrieb in einer elektrischen Traktionsmaschine 3 ein Rotor 17 (vergleiche 4) vorgesehen. Die Statorumspritzung 2 ist dabei derart ausgeführt, dass die Begrenzung zwischen der Statorumspritzung 2 und dem Rotor 17 als mediendichte Hülse 25 ausgeführt ist und eine geringe Toleranz in axialer Länge einhaltbar ist. Die Statorumspritzung 2 ist bevorzugt im Resultat einstückig, beispielsweise aus einem Duromer, gebildet. Radial außerhalb sind darstellungsgemäß links und rechts jeweils eine Nut 26 zum Aufnehmen einer Statorwicklung 20 (bevorzugt als Pins) angeordnet.
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In 4 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 27 mit einer elektrischen Traktionsmaschine 3 in einer Draufsicht gezeigt. Hier weist das Kraftfahrzeug 27 rein optional zwei elektrische Traktionsmaschinen 3 auf, von denen beispielsweise einer als Heckantrieb und ein zweiter als Frontantrieb eingerichtet ist, wobei hier lediglich die elektrische Traktionsmaschine 3 im Heck des Kraftfahrzeugs 27 im größeren Detail dargestellt ist. Die elektrischen Traktionsmaschinen 3 sind zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs 27 jeweils mit einem linken Vortriebsrad 28 und einem rechten Vortriebsrad 29 mit einer gemeinsamen Radachse drehmomentübertragend verbunden. Beispielsweise ist somit das Kraftfahrzeug 27 mit Allradantrieb, einzig mittels Heckantrieb oder einzig mittels Frontantrieb vortreibbar. Die Traktionsmaschine 3 umfasst einen Rotor 17 mit einer Rotorwelle 18 zum Abgeben eines Drehmoments. Mittels des Stators 19, in welchem rein schematisch die Statorwicklung 20 und die Blechpakete 21 dargestellt sind, ist elektrische Energie in eine Rotation des Rotors 17 und damit in ein Drehmoment und somit in Vortrieb des Kraftfahrzeugs 27 wandelbar.
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Mit dem hier vorgeschlagen Werkzeugzentralkern ist ein mediendichter Stator ohne Entormungsschrägen mittels eines Kunststoff-Gießens herstellbar.
