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Die Erfindung betrifft ein Werkzeugsystem zum Kunststoff-Gießen einer Statorumspritzung, ein Verfahren mit einem solchen Werkzeugsystem zum Kunststoff-Gießen, sowie eine mittels eines solchen Werkzeugsystems mit einer Statorumspritzung versehene Traktionsmaschine.
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Mit der voranschreitenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen sind immer leistungsfähigere und kostengünstigere elektrische Traktionsmaschinen 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 Statorwicklung des Stators. Die Abwärme 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 Dauerleistungen.
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Ein effizienterer Ansatz ist eine direkte Kühlung der elektrischen Traktionsmaschine innerhalb des Stators beziehungsweise innerhalb der Wicklung. Hierzu wird ein Kühlmedium direkt entlang der Wicklung und durch die Statornuten gefördert. Dazu ist jedoch eine mediendichte Trennung zwischen der Statorwicklung und dem Kühlmedium mittels einer entsprechenden Statorumspritzung notwendig.
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Der Stator umfasst zumindest ein Blechpaket, wobei jedes Blechpaket eine Vielzahl von Blechlamellen umfasst, welche eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation gegeneinander aufweisen, welche beispielsweise mit einem sogenannten Backlack gebildet ist. Daher ist ein Stator nicht unbegrenzt mit einem in axialer Richtung wirkenden Druck belastbar, weil sonst die Isolationsschicht beschädigt wird. Zugleich ist aber oftmals eine niedrige Viskosität des Kunststoffs beim Kunststoff-Gießen erforderlich, um eine ausreichende Fließgeschwindigkeit für kurze Prozesszeiten und/oder bei Spritzpressen von einem Duromer für ein ausreichend kurzes Einspritzen vor dem Beginn der Vernetzung des Duromers erreichen zu können.
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Aus
US 2015 / 0 054 196 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Rotorkerns bekannt, umfassend einen ersten Schritt des Positionierens und Montierens eines geschichteten Kernkörpers auf einem Montagetisch eines Trägers, einen zweiten Schritt des Positionierens und Anordnens des auf einem Montagetisch montierten geschichteten Kernkörpers auf einer unteren Matrize, wobei der geschichtete Kernkörper Permanentmagnete aufweist, die in entsprechende Magneteinsetzlöcher eingesetzt sind, und Festklemmen des auf dem Montagetisch montierten laminierten Kernkörpers durch eine obere Matrize und eine untere Matrize, und einen dritten Schritt des Herausdrückens von Harz aus Harzbehältern, die in der unteren Matrize vorgesehen sind, und des Füllens der jeweiligen entsprechenden Magneteinführungslöcher und des laminierten Kernkörpers mit dem Harz durch Harzdurchgänge, die in dem Montagetisch ausgebildet sind.
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Aus
US 2018 / 0272 575 A1 ist beispielsweise eine Form für die Herstellung von Kunststoffen bekannt, welche ein feststehendes Element und ein bewegliches Element umfasst, die einen Formhohlraum bilden, wobei mindestens eines der Elemente mindestens ein Abdichtungssystem des Formhohlraums umfasst.
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Aus
US 2018 / 0 326 636 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Spritzgießen und Umspritzen von Gegenständen bekannt, welche ein oberes und ein unteres Element, die ein zusammenhängendes Volumen umgeben, das aus einem Füllraum zur Aufnahme des Gegenstandes und des Gießmaterials und einem Anguss zur Aufnahme des Gießmaterials besteht. Das obere Element ist in Bezug auf das untere Element beweglich. In dem oberen Element ist ein Kolben integriert, der relativ zum oberen Element beweglich ist. Die Position des Kolbens kann entsprechend einer Abmessung des Objekts in einer axialen Richtung variiert werden, und der Kolben weist einen Vorsprung zur Veränderung eines Volumens als Ausgleichsmenge des Gussmaterials innerhalb des Angusses auf, so dass die Vorrichtung unabhängig von der Abmessung des Objekts in der axialen Richtung mit einer konstanten Menge an Gussmaterial und einem mit der Abmessung des Objekts in der axialen Richtung variierenden Volumen gefüllt wird.
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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 in Verbindung mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden.
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Die Erfindung betrifft ein Werkzeugsystem zum Kunststoff-Gießen einer Statorumspritzung, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine erste Werkzeughälfte mit einer ersten Innendichtfläche; und
- - eine zweite Werkzeughälfte mit einer zweiten Innendichtfläche.
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Das Werkzeugsystem ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Werkzeughälfte sowie die zweite Werkzeughälfte einander entgegengesetzt mit ihrer jeweiligen Innendichtfläche gegen einen dazwischen angeordneten Stator-Rumpf dichtend verpressbar sind, sodass in diesem verpressten Zustand von den Werkzeughälften und dem dazwischen verpressten Stator-Rumpf ein Einspritzraum dicht umschlossen ist,
wobei weiterhin zumindest ein Anschlagzylinder mit einer definierten Formlänge vorgesehen ist, wobei der zumindest eine Anschlagzylinder derart anordenbar ist, dass die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte einen entsprechend der Formlänge des zumindest einen Anschlagzylinders definierten Formabstand aufweisen.
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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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Das Werkzeugsystem ist derart ausgeführt, dass eine Statorumspritzung mittels Einspritzen von (flüssigem) Kunststoff unter hohem Druck ohne Beschädigung des Stator-Rumpfs fertigbar ist. Die Statorumspritzung umfasst eine Nut-Isolation für die Statorwicklung (bevorzugt ersetzend für ein konventionelles Nut-Papier), Liner und/oder zumindest eine Stirnscheibe. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Kunststoff in zumindest eine Kavität mit geringer Querschnittsausdehnung, beispielsweise einem hydraulischen Durchmesser von maximal 0,2 mm [zwei zehntel Millimeter] bis 0,3 mm, eingespritzt. Bei einer elektrischen Traktionsmaschine mit einer dafür notwendigen axialen Ausdehnung sind dafür 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.
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Die erste Werkzeughälfte weist eine erste Innendichtfläche und die zweite Werkzeughälfte weist eine zweite Innendichtfläche auf. Die Innendichtflächen sind mit einem zwischen den Werkzeughälften angeordneten Stator-Rumpf dichtend verpressbar. Die Werkzeughälften umschließen so gemeinsam mit dem Stator-Rumpf einen Einspritzraum. Somit ist das Negativ der späteren Statorumspritzung gebildet. Die jeweilige Innendichtfläche ist in einer Ausführungsform von der jeweiligen Werkzeughälfte separat gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Innendichtflächen einstückig mit der jeweiligen Werkzeughälfte gebildet.
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Um den hohen Druck gewährleisten zu können, müssen die Werkzeughälften des Werkzeugsystems und der Stator-Rumpf mit einem entsprechend höheren Verpressdruck gegeneinander verpresst werden, sodass ein notwendiger Prozessdruck in dem umschlossenen Einspritzraum aufbaubar ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Werkzeughälften einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass weitere Komponenten von dem Werkzeugsystem umfasst sind, welche mit einer der Werkzeughälften einstückig oder separat davon gebildet sind. Beispielsweise sind zumindest eine Stirnkavität (zum Bilden einer Stirnscheibe), ein Werkzeugzentralkern (zum Bilden einer mediendichten Hülse hin zu dem Rotor der elektrischen Traktionsmaschine) und/oder eine Mehrzahl von Nutkernen (zum Bilden einer Nut-Isolation, bevorzugt anstelle von Nut-Papier) umfasst.
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In einer Ausführungsform werden die Werkzeughälften und der Stator-Rumpf druckgesteuert miteinander verpresst. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Werkzeughälften und der Stator-Rumpf weggesteuert miteinander verpresst, wobei aus den bekannten räumlichen Gegebenheiten ein ausreichend hoher Verpressdruck resultiert und somit sicher hergestellt ist.
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Wenn der Einspritzraum dicht verschlossen ist, ist zum Bilden einer Statorumspritzung Kunststoff einspritzbar. Der Stator-Rumpf umfasst zumindest ein (bevorzugt eine Mehrzahl von) Blechpaket(en), welche jeweils eine Mehrzahl von Blechlamellen umfassen, welche wiederum mittels einer Isolationsschicht voneinander elektrisch isoliert sind, beispielsweise mittels eines Backlacks. Der Stator-Rumpf umfasst weiterhin gegebenenfalls weitere Komponenten (beispielsweise endseitig jeweils eine Stirnscheibe) eines Stators.
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Das Werkzeugsystem umfasst weiterhin zumindest einen (bevorzugt eine Mehrzahl von) Anschlagzylinder(n). Der Anschlagzylinder ist dabei derart ausgeführt, dass dieser in einer definierten Formlänge (bevorzugt einstückig) ausgeführt ist. In einer Ausführungsform ist der Anschlagzylinder einstückig mit einer Werkzeughälfte ausgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlagzylinder separat von einer Werkzeughälfte ausgeführt. Bevorzugt ist ein Anschlagzylinder (mit oder ohne Werkzeughälfte) aus einer Reihe von Anschlagzylindern mit unterschiedlichen Formlängen korrespondierend für einen jeweiligen Stator-Rumpf auswählbar und einsetzbar. In einer Ausführungsform ist ein separater Anschlagzylinder frei wählbar in den Einspritzraum anordenbar. In einer Ausführungsform ist der Anschlagzylinder aus dem gleichen Material wie die Werkzeughälften gefertigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Anschlagzylinder zwischen den Werkzeughälften anordenbar. Hierbei ist bevorzugt die Mehrzahl der Anschlagzylinder beim Einspritzen symmetrisch angeordnet, wobei besonders bevorzugt alle Anschlagzylinder dieselbe definierte Formlänge aufweisen.
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Die Formlänge des Anschlagzylinders ist derart definiert, dass (im verpressten Zustand) die Werkzeughälften einen definierten Formabstand aufweisen. Dabei ist die Formlänge des Anschlagzylinders derart ausgeführt, dass aus dem Verpressdruck auf den zwischen den Werkzeughälften angeordneten Stator-Rumpf eine reduzierte (stirnseitige) Flächenpressung resultiert. Wenn der Verpressdruck an den Werkzeughälften anliegt, erfährt der Anschlagzylinder eine (axiale) Stauchung. Mittels dieser Stauchung wird ein (vorbestimmter) Teil des Verpressdrucks von dem Stator-Rumpf abgeleitet. Die Formlänge ist also größer als der Formabstand und größer als die Nennlänge des Stator-Rumpfs. Der Stator-Rumpf ist somit vor einer zu großen Flächenpressung geschützt und wird somit nicht übermäßig gestaucht. Es ist dabei sichergestellt, dass die Isolationsschicht zwischen den Blechlamellen des zumindest einen Blechpakets beziehungsweise auch zwischen den mehreren Blechpaketen unbeschädigt bleibt oder zumindest für ihre Aufgabe der elektrischen Isolation der Blechlamellen zueinander ausreichend intakt bleibt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Formlänge größer ist als die Summe aus dem Formabstand und dem Betrag der Stauchung unter dem vorbestimmten Verpressdruck. Dies ist der Fall, wenn der Anschlagzylinder in zumindest eine Werkzeughälfte (also in eine entsprechende Aufnahmeöffnung) eintauchend ausgeführt ist. Dann entspricht die Formlänge der Summe aus dem Formabstand, dem Betrag der vorbestimmten Stauchung und der axialen (Gesamt-) Tiefe einer solchen zumindest einen Aufnahmeöffnung.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugsystems vorgeschlagen, dass die definierte Formlänge des zumindest einen Anschlagzylinders derart zu einer Toleranzbreite einer Stator-Länge eines Stator-Rumpfs korreliert, dass im verpressten Zustand der Werkzeughälften der Stator-Rumpf auf eine der definierten Formlänge des zumindest einen Anschlagzylinders entsprechende Nennlänge gestaucht ist.
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In einer kostengünstigen Herstellung von Stator-Rümpfen ist die (axiale) Toleranzbreite bezogen auf die Stator-Länge nicht vernachlässigbar. Die Stator-Länge ist hier diejenige axiale Abmessung eines Stator-Rumpfs, welche beispielsweise in den technischen Zeichnungen beziehungsweise in einem Pflichtenheft eingetragen ist. Die tatsächliche Länge weicht innerhalb der (gegebenenfalls ebenfalls eingetragenen) Toleranzbreite davon ab. Die Nennlänge ist die tatsächliche Länge des Stator-Rumpfs unter dem Einfluss der (verbleibenden) Flächenpressung in dem verpressten Werkzeugsystem, also wenn die Werkzeughälften mittels des vorbestimmten Verpressdrucks miteinander verpresst und der zumindest eine Anschlagzylinder gestaucht ist.
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Daher ist hier vorgeschlagen, dass die Formlänge des Anschlagzylinders derart definiert ist, dass diese zu einer vorbestimmten Nennlänge des Stator-Rumpfs in dem verpressten Zustand des Werkzeugsystems korreliert.
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Die beiden Werkzeughälften und der Verpressdruck sind derart ausgeführt, dass der zwischen den Werkzeughälften angeordnete Stator-Rumpf von dem Verpressdruck beziehungsweise der Flächenpressung auch bei einer maximalen Stator-Länge innerhalb der zulässigen Toleranzbreite auf die Nennlänge stauchbar ist. In diesem verpressten Zustand des Werkzeugsystems stauchen die Werkzeughälften mit dem (beziehungsweise mit einem mittels des zumindest einen Anschlagzylinders verringerten Anteil des) Verpressdrucks den Stator-Rumpf auf eine (nahezu) konstante Nennlänge beziehungsweise auf eine Nennlänge mit einer deutlich kleineren Toleranzbreite.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Nennlänge des Stator-Rumpfs nach der Verpressung, also bei wieder geöffnetem Werkzeugsystem, aufgrund von elastischen Verformungsanteilen nicht mehr vorliegt, sondern eine größere Länge. Allerdings ist (zumindest inklusive der Statorumspritzung) die resultierende Länge des Stators unabhängig von der Toleranzbreite der Stator-Länge stets gleich beziehungsweise innerhalb eines Toleranzbereichs, welcher (zumindest hinreichend genau) allein aus der Genauigkeit der Einstellung des Formabstands beziehungsweise des Verpressdrucks resultiert.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugsystems vorgeschlagen, dass zwischen dem Stator-Rumpf und zumindest einer der Innendichtflächen einer der Werkzeughälften eine an den Stator-Rumpf angrenzende Teil-Kavität des Einspritzraums abdichtbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird an zumindest einer Stirnseite des Stator-Rumpfs (bevorzugt unmittelbar auf das endseitige Blechpaket oder eine Wuchtscheibe) eine Stirnscheibe zusammen mit der Statorumspritzung gebildet. In einer Ausführungsform wird (beispielsweise allein) eine Nut-Isolation mit der Statorumspritzung gebildet. Dies ist über die jeweilige Innendichtfläche sichergestellt, welche mit der zuvor beschriebenen Flächenpressung auf den Stator-Rumpf wirkt. Diese Innendichtfläche umschließt zusammen mit dem Stator-Rumpf eine Teil-Kavität für die mit der Statorumspritzung zu bildende Komponente(n) und gegebenenfalls für einen notwendigen Anguss.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Kunststoff-Gießen mittels eines Werkzeugsystems nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, aufweisend die folgenden Schritte in der genannten Reihenfolge:
- a. Bereitstellen der Werkzeughälften, des zumindest einen Anschlagzylinders und des Stator-Rumpfs;
- b. Anordnen des zumindest einen Anschlagzylinders und des Stator-Rumpfs zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte;
- c. Aufbringen eines Verpressdrucks auf die Werkzeughälften, sodass die Werkzeughälften mittels des Anschlagzylinders einen definierten Formabstand aufweisen und die Innendichtflächen der Werkzeughälften dichtend gegen den Stator-Rumpf verpresst sind, sodass ein dicht geschlossener Einspritzraum zwischen den Werkzeughälften gebildet ist;
- d. Einspritzen von Kunststoff in den Einspritzraum und Bilden einer Statorumspritzung; und
- e. Aufheben des Verpressdrucks und Entformen des nun mit der gebildeten Statorumspritzung versehenen Stator-Rumpfs.
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Hier ist nun das Verfahren zum Kunststoff-Gießen mittels des oben beschriebenen Werkzeugsystems vorgeschlagen, sodass auf einem Stator-Rumpf eine Statorumspritzung urformbar ist. Dazu werden in dem Schritt a. die Werkzeughälften, zumindest ein Anschlagzylinder und der Stator-Rumpf bereitgestellt. Es wird insoweit auf die obige Beschreibung verwiesen.
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In dem anschließenden Schritt b. wird der zumindest eine Anschlagzylinder und der Stator-Rumpf zwischen den Werkzeughälften angeordnet. In einer Ausführungsform ist von einer der Werkzeughälften ein Boden gebildet ist, auf welchem der zumindest eine Anschlagzylinder und der Stator-Rumpf angeordnet werden. Anschließend wird dann die jeweils andere Werkzeughälfte als Deckel auf den zumindest einen Anschlagzylinder aufgesetzt. Zwischen dem Deckel (Werkzeughälfte) und dem Stator-Rumpf ist ein (zumindest geringer) Abstand gebildet oder maximal eine kraftlose Berührung eingestellt. Mit dem Aufsetzen der zweiten Werkzeughälfte wird der Einspritzraum verschlossen. Es wird also das Negativ der Statorumspritzung gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Werkzeughälften fest mit jeweils einer Seite einer Presse verbunden und dabei so orientiert, dass beim Schließen der Presse der Einspritzraum dicht verschlossen wird.
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Der Stator-Rumpf wird mit seiner Rotationsachse zu derjenigen Achse, welche quer zu den Innendichtflächen ausgerichtet ist, beispielsweise zugleich einer zentralen Symmetrieachse des Werkzeugsystems, parallel, bevorzugt koaxial zu einer zentralen Achse, angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Anschlagzylindern zwischen den Werkzeughälften angeordnet. In einer Ausführungsform ist der zumindest eine Anschlagzylinder einstückig mit der ersten Werkzeughälfte gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stator-Rumpf zwischen den Werkzeughälften mittels Schlüssel-Schloss-Prinzip positionierbar, bevorzugt mittels der genannten Innendichtfläche der Werkzeughälfte.
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In dem auf Schritt b. folgenden Schritt c. wird ein Verpressdruck auf die Werkzeughälften derart aufgebracht, dass mittels des zumindest einen Anschlagzylinders die Werkzeughälften einen definierten Formabstand aufweisen. In einer Ausführungsform wird der Verpressdruck kraftgesteuert auf die Werkzeughälften aufgebracht, sodass der Verpressdruck auf den zumindest einen Anschlagzylinder und auf die Außendichtflächen aufgebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verpressdruck weggesteuert auf die Werkzeughälften aufgebracht, sodass bei bekannter Formlänge des Anschlagzylinders der Verpressdruck sich als Funktion des Weges beziehungsweise des erreichten Formabstands ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stator-Rumpf mittels einer Flächenpressung auf eine Nennlänge gestaucht, wobei die Flächenpressung denjenigen Anteil des Verpressdrucks darstellt, welcher nicht von dem zumindest einen Anschlagzylinder und den Werkzeughälften aufgenommen ist.
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Dabei werden die Innendichtflächen mit dem Stator-Rumpf derart in kraftübertragenden Kontakt gebracht, dass diese mittels des Verpressdrucks dichtend gegenüber dem unter hohem Druck eingespritzten niedrig-viskosen Kunststoff verpresst sind.
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In dem nun folgenden Schritt d. wird der (flüssige) Kunststoff unter hohem Druck (und bevorzugt hoher Temperatur) in den Einspritzraum eingespritzt. Beispielsweise werden in oder nach Schritt c. die Werkzeughälften auf eine Prozesstemperatur gebracht beispielsweise auf 150 °C [einhundertfünfzig Grad Celsius], wobei die Prozesstemperatur derart gewählt ist, dass der zuvor erhitzte Kunststoff vor dem Vernetzen alle Kavitäten füllt.
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In einem abschließenden Schritt e. wird (bevorzugt erst nach einer Aushärtphase und/oder einer Abkühlphase) der Verpressdruck aufgehoben. Der Stator-Rumpf ist nun mit einer Statorumspritzung versehen, welche in Schritt d. mittels des Einspritzens geformt worden ist. Dieser umspritzte Stator-Rumpf wird nun entformt, also aus dem Werkzeugsystem entnommen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der umspritzte Stator-Rumpf bereits ein nahezu fertiger Stator, wobei lediglich noch die Statorwicklung (beispielsweise Hair-Pins oder i-Pins) einzubringen ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass wobei mittels zumindest einer Innendichtfläche nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung mit dem Stator-Rumpf eine Teil-Kavität umschlossen ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform bilden der Stator-Rumpf mit zumindest einer der Innendichtfläche der jeweiligen Werkzeughälfte eine Teil-Kavität. Die zumindest eine Teil-Kavität und der Stator-Rumpf werden in Schritt d. von dem Kunststoff derart umspritzt, dass stirnseitig des Stator-Rumpfs eine Komponente der Statorumspritzung urgeformt wird, beispielsweise eine Stirnscheibe und/oder eine Nut-Isolation (als Ersatz für Nut-Papier).
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Traktionsmaschine vorgeschlagen, aufweisend einen Rotor mit einer Rotorwelle und einen Stator, welcher mittels des Werkzeugsystems nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, und bevorzugt einem Verfahren nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, mit einer Statorumspritzung versehen ist.
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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 mittels eines Werkzeugsystems (und bevorzugt mittels eines Verfahrens) nach der obigen Beschreibung gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Statorumspritzung Leerstellen (sogenannte Nute) auf, welche zur Aufnahme von Pins als 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 Werkzeughälften 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 Nut-Papier befüllbar sind. Die Aufgabe des Nut-Papiers (Sicherungsisolierung der Statorwicklung gegenüber dem zumindest einen Blechpaket) ist also von der Statorumspritzung übernommen.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Traktionsmaschine vorgeschlagen, dass der Stator-Rumpf mittels des Anschlagzylinders auf eine vorbestimmte Nennlänge gestaucht ist.
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Wie bereits oben beschrieben, ist hier vorgeschlagen, dass der Stator-Rumpf mittels des aufgebrachten Verpressdrucks auf eine vorbestimmte axiale Nennlänge gestaucht ist. Damit ist eine im Vergleich zu vorbekannten Ausführungsformen exaktere Länge eines derart gefertigten Stators erzielbar und damit eine höhere Präzision der Verbausituation und/oder des zu erzeugenden Statorfelds für den Betrieb der elektrischen Traktionsmaschine.
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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. Es ist anzumerken, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Werkzeugsystem in einer vereinfachten Ausbruchszeichnung in einem verpressten Zustand;
- 2: ein Detailausschnitt des Werkzeugsystems gemäß 1;
- 3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kunststoff-Gießen; und
- 4: schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Traktionsmaschine in einer Draufsicht.
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In 1 ist ein Werkzeugsystem 1 in einer vereinfachten Ausbruchszeichnung in einem verpressten Zustand gezeigt. Zentral ist ein Stator-Rumpf 7 zu erkennen, welcher zwischen einer ersten Werkzeughälfte 3 und einer zweiten Werkzeughälfte 5 mit seiner Rotationsachse 20 darstellungsgemäß senkrecht ausgerichtet platziert ist. Die erste Werkzeughälfte 3 ist mit ihrer ersten Innendichtfläche 4 von unten gegen den Stator-Rumpf 7 und die zweite Werkzeughälfte 5 mit ihrer zweiten Innendichtfläche 6 von oben gegen den Stator-Rumpf 7 gepresst. Von den Werkzeughälften 3,5 und dem Stator-Rumpf 7 ist so ein Einspritzraum 8 umschlossen, welcher hier nicht genauer dargestellt ist. Der Stator-Rumpf 7 umfasst zumindest ein Blechpaket und ist mittels Einspritzen von Kunststoff in den Einspritzraum 8 mit einer Statorumspritzung 2 zu versehen. Zwischen den Werkzeughälften 3,5 sind zudem (hier rein optional) eine Mehrzahl von Anschlagzylindern 9 parallel zu der Rotationsachse 20 ausgerichtet platziert, von denen hier zwei, jeweils (darstellungsgemäß) links und rechts des Stator-Rumpfs 7, zu erkennen sind. Die Anschlagzylinder 9, welche zum Aufnehmen eines Teils des Verpressdrucks 15 eingerichtet sind, sind vorgesehen, damit der Stator-Rumpf 7 (und vor allem das zumindest eine druckempfindliche Blechpaket) vor einer übermäßigen Stauchung infolge des Verpressdrucks 15 auf die Werkzeughälften 3,5 geschützt ist. Dies wird genauer im Zusammenhang mit der Detailansicht in 2 erläutert.
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Beispielsweise ist (in Richtung der Rotationsachse 20) an der Endseite (Stirnseite) des Stator-Rumpfs 7 über zumindest eine Teilfläche mittels Einspritzen ein Volumen bildbar, beispielsweise eine sogenannte Stirnscheibe und/oder ein Liner, und/oder bevorzugt mithilfe von Nutkernen eine Nut-Isolation.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Werkzeughälften 3,5 jeweils bevorzugt aus einer Mehrzahl von Teilkomponenten zusammengesetzt sind, welche einzelne Funktionen erfüllen, wie beispielsweise das Ausbilden einer Innendichtfläche 4,6, die Aufnahme eines Kerns und gegebenenfalls die Aufnahme zumindest eines der Anschlagzylinder 9. Beispielsweise ist das gezeigte Werkzeugsystem 1 in einer üblichen Presse mit Eignung zum Einspritzen von Kunststoff, besonders bevorzugt zum Spritzpressen von Duromeren, einsetzbar.
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In 2 ist ein Detailausschnitt des Werkzeugsystems 1 gemäß 1 gezeigt und es wird insoweit auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen. Die Darstellung ist für eine bessere Übersichtlichkeit übertrieben und rein für das Verständnis der Vorgänge heranzuziehen. Links in der Darstellung ist ein Anschlagzylinder 9 und daneben der Stator-Rumpf 7 mit seiner Rotationsachse 20 zu erkennen. Das Werkzeugsystem 1 ist in einem offenen Zustand (also nicht verpressten Zustand) gezeigt, wobei die erste Werkzeughälfte 3 auf dem Anschlagzylinder 9 im unbelasteten Zustand mit seiner Formlänge 10 aufliegt, und der Einspritzraum 8 noch nicht verschlossen beziehungsweise noch nicht ausreichend flüssigkeitsdicht für die Drücke und Viskosität des einzuspritzenden Kunststoffs ist. Infolge des Verpressdrucks 15 wird die Formlänge 10 des Anschlagzylinders 9 auf den Formabstand 11 gestaucht. Aber nicht allein die Anschlagzylinder 9 werden gestaucht, sondern auch der Stator-Rumpf 7 mit seiner Stator-Länge 13 auf den Formabstand 11. Wenn der Formabstand 11 eingestellt ist, ist der Einspritzraum 8 ausreichend flüssigkeitsdicht verschlossen. Die Stator-Länge 13 variiert aufgrund der Fertigungsweise, vor allem in Hinsicht auf die Blechlamellen, welche zu einem Blechpaket gefügt werden (beispielsweise mittels Backlack). Dies ist mit der Toleranzbreite 12 dargestellt. Der Anschlagzylinder 9 beziehungsweise dessen Formlänge 10 (im Zusammenspiel mit der axialen Steifigkeit) ist derart eingerichtet, dass der Stator-Rumpf 7 vor einer übermäßigen Stauchung geschützt ist. Die Anschlagzylinder 9 sind daher nach der Soll-Länge des Stator-Rumpfs 7 einzusetzen beziehungsweise mit einer entsprechenden Formlänge 10 auszuwählen. Bevorzugt sind die Anschlagzylinder 9 jeweils einstückig gebildet. In einer Ausführungsform sind separate Stellscheiben einsetzbar. Der Anschlagzylinder 9 beziehungsweise dessen Formlänge 10 (im Zusammenspiel mit der axialen Steifigkeit) ist bevorzugt aber derart eingerichtet, dass (mit gleicher Soll-Länge) Stator-Rümpfe 7 mittels plastischer Verformung beim Verpressen der Werkzeughälften 3,5 auf eine einheitliche Stator-Länge 13 gebracht werden. Eine plastische Verformung tritt dabei maßgeblich in der Zwischenlamellen-Isolation zwischen den Blechlamellen eines Blechpakets beziehungsweise zwischen zwei Blechpaketen auf, wobei die plastische Verformung derart gering ist, dass die Isolationswirkung für die erforderliche elektrische Isolation der Blechlamellen untereinander nicht beeinträchtigt wird. Der Stator-Rumpf 7 wird dabei auf seine Nennlänge 14 gebracht, wobei darauf hingewiesen sei, dass hier ein elastischer Verformungsanteil vorliegt, welcher nach Entnahme des Stator-Rumpfs 7 (beziehungsweise Stators 19) zu einer etwas größeren Länge führt, beispielsweise der Stator-Länge 13 (zuzüglich endseitig angespritzte Komponenten und gegebenenfalls Überstände von der noch einzubringenden Statorwicklung, aber bevorzugt ohne die Toleranzbreite 12).
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In 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kunststoff-Gießen dargestellt. Das Verfahren zum Kunststoff-Gießen ist mittels eines Werkzeugsystems 1 ausführbar, sodass auf einem Stator-Rumpf 7 eine Statorumspritzung 2 urformbar ist. Die nachfolgende Beschreibung des Verfahrens nimmt Bezug auf die Komponenten des Werkzeugsystems 1 und es insoweit rein beispielhaft auf die vorhergehende Beschreibung in den 1 und 2 verwiesen.
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Dazu werden in dem Schritt a. des Verfahrens zum Kunststoff-Gießen die Werkzeughälften 3,5, zumindest ein Anschlagzylinder 9 und der Stator-Rumpf 7 bereitgestellt. In dem anschließenden Schritt b. wird der zumindest eine Anschlagzylinder 9 und der Stator-Rumpf 7 zwischen den Werkzeughälften 3,5 angeordnet. Der Stator-Rumpf 7 wird beispielsweise mit seiner Rotationsachse 20 zu einer Symmetrieachse des Werkzeugsystems 1 koaxial angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Anschlagzylindern 9 zwischen den Werkzeughälften 3,5 angeordnet. In dem auf Schritt b. folgenden Schritt c. wird ein Verpressdruck 15 auf die Werkzeughälften 3,5 derart aufgebracht, dass mittels des zumindest einen Anschlagzylinders 9 die Werkzeughälften 3,5 einen definierten Formabstand 11 aufweisen. Hierbei werden die Innendichtflächen 4,6 derart mit dem Stator-Rumpf 7 in kraftübertragenden Kontakt gebracht, dass der so gebildete Einspritzraum 8 mittels des Verpressdrucks 15 dichtend gegenüber dem unter hohem Druck eingespritzten niedrig-viskosen Kunststoff verschlossen ist. In einer Ausführungsform wird der Verpressdruck 15 kraftgesteuert auf die Werkzeughälften 3,5 aufgebracht, sodass der Verpressdruck 15 auf den zumindest einen Anschlagzylinder 9 und auf die Innendichtflächen 4,6 aufgebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verpressdruck 15 weggesteuert auf die Werkzeughälften 3,5 aufgebracht, sodass (aufgrund der bekannten Formlänge 10 des Anschlagzylinders 9) der Verpressdruck 15 sich als Funktion des Weges beziehungsweise des erreichten Formabstands 11 ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stator-Rumpf 7 mittels einer Flächenpressung auf eine Nennlänge 14 gestaucht, wobei die Flächenpressung denjenigen Anteil des Verpressdrucks 15 darstellt, welcher nicht von dem zumindest einen Anschlagzylinder 9 und den Werkzeughälften 3,5 aufgenommen ist.
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Anschließend an Schritt c. wird in Schritt d. der (flüssige) Kunststoff unter hohem Druck (und bevorzugt hoher Temperatur) in den Einspritzraum 8 eingespritzt. Beispielsweise werden in oder nach oder während Schritt c. die Werkzeughälften 3,5, der Stator-Rumpf 7 und/oder einiges dessen, was den Einspritzraum 8 begrenzt beziehungsweise in dem Einspritzraum 8 angeordnet ist, (bevorzugt alle diese Komponenten) auf eine Prozesstemperatur gebracht, beispielsweise auf 150 °C [einhundertfünfzig Grad Celsius], wobei die Prozesstemperatur derart gewählt ist, dass der zuvor erhitzte Kunststoff vor dem Vernetzen alle vorgesehenen Kavitäten füllt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden der Stator-Rumpf 7 mit zumindest einer Innendichtfläche 4,6 (vergleiche obige Beschreibung) der Werkzeughälften 3,5 eine Teil-Kavität. Die zumindest eine Teil-Kavität und der Stator-Rumpf 7 werden in Schritt d. von dem Kunststoff derart umspritzt, dass stirnseitig des Stator-Rumpfs 7 eine Komponente der Statorumspritzung 2 urgeformt wird, beispielsweise eine Stirnscheibe und/oder eine Nut-Isolation (als Ersatz für Nut-Papier).
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Im abschließenden Schritt e. wird (bevorzugt erst nach einer Aushärtphase und/oder einer Abkühlphase) der Verpressdruck 15 aufgehoben. Der Stator-Rumpf 7 ist nun mit einer Statorumspritzung 2 versehen, welche in Schritt d. mittels des Einspritzens geformt worden ist. Dieser umspritzte Stator-Rumpf 7 wird nun entformt, also aus dem Werkzeugsystem 1 entnommen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der umspritzte Stator-Rumpf 7 bereits ein nahezu fertiger Stator 19, wobei lediglich noch die Statorwicklung (beispielsweise Hair-Pins oder i-Pins) einzubringen ist. Besonders bevorzugt ist zudem, wie oben beschrieben, eine vorbestimmte Nennlänge 14 des Stators 19 erzielt.
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In 4 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 21 mit einer elektrischen Traktionsmaschine 16 in einer Draufsicht gezeigt. Hier weist das Kraftfahrzeug 21 rein optional zwei elektrische Traktionsmaschinen 16 auf, von denen einer als Heckantrieb und ein zweiter als Frontantrieb eingerichtet ist, wobei hier lediglich die elektrische Traktionsmaschine 16 im Heck des Kraftfahrzeugs 21 im größeren Detail dargestellt ist. Die elektrischen Traktionsmaschinen 16 sind zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs 21 jeweils mit einem linken Vortriebsrad 22 und einem rechten Vortriebsrad 23 mit einer gemeinsamen Radachse drehmomentübertragend verbunden. Beispielsweise ist somit das Kraftfahrzeug 21 mit Allradantrieb, einzig mittels Heckantrieb oder einzig mittels Frontantrieb vortreibbar. Die Traktionsmaschine 16 umfasst einen Rotor 17 mit einer Rotorwelle 18 zum Abgeben eines Drehmoments. Mittels des Stators 19, in welchem rein schematisch der Stator 19 mit Statorumspritzung 2 und seine Blechpakete dargestellt sind, ist elektrische Energie in eine Rotation des Rotors 17 und damit in ein Drehmoment und somit in Vortrieb des Kraftfahrzeugs 21 wandelbar.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Werkzeugsystem ist mit einfachen Mitteln und ohne Beschädigung ein Stator mit einer Statorumspritzung versehbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugsystem
- 2
- Statorumspritzung
- 3
- erste Werkzeughälfte
- 4
- erste Innendichtfläche
- 5
- zweite Werkzeughälfte
- 6
- zweite Innendichtfläche
- 7
- Stator-Rumpf
- 8
- Einspritzraum
- 9
- Anschlagzylinder
- 10
- Formlänge
- 11
- Formabstand
- 12
- Toleranzbreite
- 13
- Stator-Länge
- 14
- Nennlänge
- 15
- Verpressdruck
- 16
- elektrische Traktionsmaschine
- 17
- Rotor
- 18
- Rotorwelle
- 19
- Stator
- 20
- Rotationsachse
- 21
- Kraftfahrzeug
- 22
- linkes Vortriebsrad
- 23
- rechtes Vortriebsrad
