DE102021210974A1 - Electrical machine and method for inserting at least one electrical conductor assembly into at least one slot of a stator or rotor for an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund (1) in zumindest eine Nut (2) eines Stators (3) oder Rotors einer elektrischen Maschine (4), wobei der elektrische Leiterverbund (1) mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente (5), insbesondere Fasern und/oder Garne, und eine auf zumindest einem Duroplast (6) basierende Isolation (7) aufweist. Vorgeschlagen wird, dass die einzelnen Leiterelemente (5) mit dem Duroplast (6) umhüllt werden, wobei der Duroplast (6) nach dem Umhüllen nur teilvernetzt wird, dass die die mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelemente (5) zu einem Verbund (8) verbunden werden, dass der Verbund (8) aus den mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen (5) in die zumindest eine Nut (2) eingelegt wird und dass der sich im teilvernetzten Zustand befindende Duroplast (6) thermisch vollvernetzt wird, um die Isolation (7) des elektrischen Leiterverbunds (1) zu bilden. Ferner ist eine elektrische Maschine (4) angegeben, bei der solch ein elektrischen Leiterverbund (1) in zumindest eine Nut (2) eines Stators (3) beziehungsweise Rotors eingelegt ist,Method for inserting at least one electrical conductor assembly (1) into at least one slot (2) of a stator (3) or rotor of an electrical machine (4), the electrical conductor assembly (1) having a plurality of conductor elements (5 ), in particular fibers and/or yarns, and an insulation (7) based on at least one duroplast (6). It is proposed that the individual conductor elements (5) be encased in the thermoset (6), the thermoset (6) being only partially crosslinked after encasing, that the conductor elements (5) encased with the thermoset (6) in the partially crosslinked state are connected to a composite (8), that the composite (8) made up of the conductor elements (5) encased with the thermoset (6) in the partially crosslinked state is inserted into the at least one groove (2) and that the thermoset ( 6) is fully thermally cross-linked in order to form the insulation (7) of the electrical conductor assembly (1). Furthermore, an electrical machine (4) is specified, in which such an electrical conductor assembly (1) is inserted in at least one slot (2) of a stator (3) or rotor,
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund in zumindest eine Nut eines Stators oder Rotors, der für eine elektrische Maschine dient, wobei der elektrische Leiterverbund mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente mit einer auf zumindest einem Duroplast basierende Isolation aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator beziehungsweise einem Rotor, wobei zumindest ein elektrischer Leiterverbund mit solch einem Verfahren in zumindest eine Nut des Stators beziehungsweise Rotors eingebracht ist.The invention relates to a method for inserting at least one electrical conductor assembly into at least one slot of a stator or rotor used for an electrical machine, the electrical conductor assembly having a plurality of conductor elements based on carbon nanotubes and/or graphene with insulation based on at least one duroplast . Furthermore, the invention relates to an electrical machine with a stator or a rotor, wherein at least one electrical conductor assembly is introduced into at least one slot of the stator or rotor using such a method.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Fixierung des Wickelkopfes, damit dieser nach dem thermischen Vollvernetzen des Duroplast als steifer Verbund in der erforderlichen Position vorliegt.In addition, the invention relates to a method for fixing the end winding so that it is present as a rigid composite in the required position after full thermal crosslinking of the thermoset.
Alternative elektrische Leiterwerkstoff basieren auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphenplättchen. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen übertrifft die Leitfähigkeit von Kupfer. Jedoch sind die auf den molekularen Bausteinen (Kohlenstoffnanoröhren und bzw. oder Graphenplättchen) basierenden makroskopischen Leiterwerkstoffe, die u. a. als Filme, Bänder und Garne ausgebildet sein können, Kupfer und Aluminium hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit noch unterlegen und kommen daher bisher nicht zur Anwendung.Alternative electrical conductor materials are based on carbon nanotubes and/or graphene plates. The electrical conductivity of carbon nanotubes and graphene sheets exceeds the conductivity of copper. However, the macroscopic conductor materials based on the molecular building blocks (carbon nanotubes and/or graphene plates), which i.a. as films, tapes and yarns, copper and aluminum are still inferior in terms of electrical conductivity and have therefore not been used to date.
Diese alternativen elektrischen Leiterwerkstoffe zeichnen sich neben ihrer geringen Dicht (ca. 2 g/cm3 - Kupfer 8,95 g/cm3) durch ihre Biegeschlaffheit aus, die es diesen Leiterwerkstoffen erlaubt ihren Querschnitt entsprechend der Wirkung äußerer Kräfte zu verändern. So kann in einer aus vielen Einzelleitern bestehenden Packung die Packungsdichte so erhöht werden, dass kaum mehr Hohlräume vorhanden sind. Dies ist für Kupferleiter, wegen ihrer radialen Steifheit, nicht möglich. Daher wird bei Kupferleitern an Stelle von vielen Einzelleitern die sogenannte Steck- bzw. Stabwicklung verwendet, die aus einem oder mehreren massiven Kupferleitern besteht.In addition to their low density (approx. 2 g/cm 3 - copper 8.95 g/cm 3 ), these alternative electrical conductor materials are characterized by their flexibility, which allows these conductor materials to change their cross-section in accordance with the effects of external forces. In a package consisting of many individual conductors, for example, the packing density can be increased to such an extent that there are hardly any cavities left. This is not possible for copper conductors because of their radial stiffness. For this reason, the so-called plug-in or bar winding, which consists of one or more solid copper conductors, is used with copper conductors instead of many individual conductors.
Graphenfilme oder Kohlennanoröhrenfilme können als Leiterwerkstoff durch verschiedene Methoden hergestellt werden. Leiterwerkstoffen aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) können wie folgt hergestellt werden: In
Auf Graphen basierende Leiterwerkstoffe können wie folgt hergestellt werden, wobei für kommerziell interessanten Herstellvarianten als Rohstoff ausschließlich Graphit verwendet wird. In Form von Filmen oder Bändern kann eine Herstellung beispielsweise wie folgt erfolgen: In
Für Fasern oder Garne kann die Herstellung wie folgt erfolgen: Die Herstellung von Fasern aus Graphen ist in
Besonders bevorzugt für die Herstellung von Graphenfasern ist die Herstellung aus Graphenoxid, das aus Graphit durch nasschemische Oxidation, wie z. B. der Hummers-Methode, hergestellt wird. Da dieser Herstellweg Graphit als Rohstoff verwendet, sind die Rohstoffkosten im Vergleich zum dem oben genannten Verfahren 1-2 Größenordnungen niedriger. Solche Herstellverfahren werden in
Die Isolation von Graphen basierten Leitern, wie beispielsweise Filme, Fasern und Garne, kann, wie in der
Zum Einsatz können solche elektrische Leiter in elektrischen Motoren kommen, wie es in
Durch die oben vorgestellten Spinnverfahren werden Endlosfasern gewonnen. Diese Endlosfasern werden zu Garnen weiterverarbeitet. Dabei können Techniken angewandt werden wie Zwirnen oder Flechten. Ziel all dieser Verfahren ist die Endlosfasern zu einer Einheit, dem Garn, zusammenzufassen. Dadurch wird die Weiterverarbeitung, wie z.B. das Umhüllen mit einem Isolator oder das Wickeln als elektrischer Leiter in einen Rotor, ermöglicht.Endless fibers are obtained by the spinning processes presented above. These endless fibers are processed into yarns. Techniques such as twisting or braiding can be used. The aim of all these processes is to combine the endless fibers into one unit, the yarn. This enables further processing, such as covering with an insulator or winding as an electrical conductor in a rotor.
Alle bekannten Techniken Endlosfasern bzw. Garne aus Graphen und/oder Kohlenstoff zu einem Garn mit größerem Querschnitt zu formen, wie z.B. Zwirnen, Weben oder Flechten, haben den Nachteil, dass der Garn weiterhin biegeschlaff bleibt. Dies ist ein Mangel nach dem Stand der Technik, wenn der Leiter so durch die Nuten bzw. um die Pole eines Stators oder Rotors eines elektrischen Motors geführt wird, dass ein Überstand entsteht.All known techniques for forming endless fibers or yarns made of graphene and/or carbon into a yarn with a larger cross-section, such as twisting, weaving or braiding, have the disadvantage that the yarn remains pliable. This is a deficiency in the prior art when the conductor is routed through the slots or around the poles of a stator or rotor of an electric motor in such a way that an overhang occurs.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.The method according to the invention with the features of
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 11 angegebenen elektrischen Maschine möglich.Advantageous developments of the method specified in
Insbesondere wird ermöglicht, das ein Überstand eines Leiterverbunds auf Basis von Garnen aus Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren, auch als Wickelkopf bezeichnet, nach Fertigstellung der Wicklung versteift werden kann, so dass dieser im Betrieb durch die dabei entstehenden Magnetfelder um den Leiterverbund herum nicht mehr bewegt oder verformt wird.In particular, it is made possible for an overhang of a conductor assembly based on yarns made of graphene and/or carbon nanotubes, also referred to as a winding head, to be stiffened after completion of the winding, so that it no longer moves around the conductor assembly during operation due to the magnetic fields that are created or is deformed.
Somit kann ein Verbund aus Leiterelementen geschaffen werden, der mit teilvernetztem Duroplast beschichtet wurde. Dieser noch weiche Verbund kann als elektrischen Leiter in den Motor eingebracht werden und dort dann aushärten, so dass sich dann die biegeschlaffen Leiterelemente in einen steifen Verbund verwandeln.In this way, a composite of conductor elements can be created that has been coated with partially cross-linked duroplast. This composite, which is still soft, can be introduced into the engine as an electrical conductor and then harden there, so that the flexible conductor elements are then transformed into a rigid composite.
Die Isolation ist vorzugsweise nicht nur außen auf dem Verbund zu finden, sondern auch im Verbund zwischen den Leiterelementen, die mit dem Duroplast umhüllt sind. Dies ist vorteilhaft, da dadurch nach der thermischen Vollvernetzung nicht nur die elektrische Isolation gegenüber dem Rotor oder Stator geschaffen wird, sondern sowohl eine elektrische Isolation der Leiterelemente gegeneinander, die eine hohe Wirksamkeit gegen Stromverdrängungseffekte besitzt, als auch eine Matrix, die dem Verbund strukturelle Festigkeit verleiht.The insulation is preferably not only to be found on the outside of the composite, but also in the composite between the conductor elements that are encased with the duroplast. This is advantageous because, after full thermal crosslinking, it not only creates electrical insulation from the rotor or stator, but also electrical insulation of the conductor elements from one another, which is highly effective against current displacement effects, and a matrix that gives the composite structural strength gives.
Vorteilhaft ist es, dass die Isolation so ausgebildet wird, dass der elektrische Leiterverbund biegesteif ausgestaltet ist. Hierdurch wird ein Verformen oder Bewegen insbesondere am Wickelkopf im Betrieb verhindert.It is advantageous that the insulation is designed in such a way that the electrical conductor assembly is designed to be rigid. This prevents deformation or movement, particularly at the end winding, during operation.
Vorteilhaft ist es, dass dem Duroplast zumindest ein thermolatenter Katalysator, insbesondere zumindest ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, weiter insbesondere BF3-Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid, beigemischt ist. Hierdurch kann die vollständige Vernetzung unterstützt und/oder beschleunigt werden.It is advantageous that at least one thermolatent catalyst, in particular at least one adduct of boron trifluoride with amines, more particularly BF 3 -monoethylamine, and/or at least one quaternary phosphonium compound and/or a dicyandiamide, is admixed to the thermoset. This can support and/or accelerate complete crosslinking.
Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch ein Tauchbaud mit dem Duroplast umhüllt werden. Hierdurch kann im jeweiligen Anwendungsfall eine vorteilhafte Umhüllung der Leiterelemente in einfacher Weise erfolgen.It is advantageous that the individual conductor elements are encased in the duroplast by means of an immersion baud. In this way, the conductor elements can be advantageously encased in a simple manner in the respective application.
Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch einen Sprühprozess mit dem Duroplast umhüllt werden. Im jeweiligen Anwendungsfall kann hierdurch eine vorteilhafte Verfahrensdurchführung mit einem optimierten Einsatz der Produktionsfaktoren ermöglicht werden.It is advantageous that the individual conductor elements are encased with the duroplast by a spraying process. In the respective application, an advantageous implementation of the method with an optimized use of the production factors can thereby be made possible.
Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch ein Pultrusionsverfahren mit dem Duroplast umhüllt werden. Hierdurch können besondere Vorteile realisiert werden. Insbesondere kann der Duroplast gut haftend und/oder dünn aufgebracht werden. Dadurch kann auch ein niedriger Wärmewiderstand realisiert werden. Speziell wenn das Leiterelement als Garn ausgebildet ist, dann ist es vorteilhaft, dass nur das Garn isoliert bzw. beschichtet wird und keine Infiltration durch das Isolationsmaterial in dem Garn stattfindet, was durch das Pultrusionsverfahren erreicht werden kann.It is advantageous that the individual conductor elements are encased with the duroplast by a pultrusion process. This allows special advantages to be realized. In particular, the duroplast can be applied with good adhesion and/or thinly. A low thermal resistance can also be realized as a result. Especially when the conductor element is designed as a yarn, it is advantageous that only the yarn is insulated or is coated and there is no infiltration by the insulation material in the yarn, which can be achieved by the pultrusion process.
Ob eine Infiltration stattfindet hängt im geringen Umfang vom Verfahren ab. Maßgeblich für die Infiltration ist die Benetzungsfähigkeit des Harzes gegenüber dem Garn und insbesondere die Viskosität des Harzes. Je niederviskoser umso mehr Harz kann in den Garn infiltrieren.Whether an infiltration takes place depends to a small extent on the procedure. The ability of the resin to wet the yarn and, in particular, the viscosity of the resin are decisive for the infiltration. The lower the viscosity, the more resin can infiltrate into the yarn.
Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente mit dem Duroplast im flüssigen Zustand umhüllt werden. Dadurch können Lufteinschlüsse beziehungsweise Hohlräume soweit wie möglich vermieden werden.It is advantageous that the individual conductor elements are encased with the duroplast in the liquid state. As a result, air inclusions or cavities can be avoided as far as possible.
Vorteilhaft ist es, dass der Duroplast aus einem Harzsystem ausgebildet wird, das zumindest ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und/oder einem Epoxidharz vom Typ Novolac und einem Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und/oder Diaminodiphenylsulfon aufweist. Hierdurch kann das System bei einer gewissen Mischviskosität, beispielsweise von 750 mPa * s, bei einer vorteilhaften Verarbeitungstemperatur, beispielsweise von 25 °C, noch ausreichend niederviskos sein. It is advantageous that the duroplast is formed from a resin system which has at least one resin based on tetraglycidyldiaminodiphenylmethane and/or an epoxy resin of the novolac type and a hardener based on microencapsulated imidazole and/or diaminodiphenylsulfone. As a result, the system can still be sufficiently low-viscous at a certain mixed viscosity, for example 750 mPa*s, at an advantageous processing temperature, for example 25°C.
Vorteilhaft ist es, dass der Verbund aus den mit dem Duroplast im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen mit einem Silikonschlauch umhüllt wird und dass der mit dem Silikonschlauch umhüllte Verbund aus den mit dem Duroplast im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen in die zumindest eine Nut eingelegt wird. Hierdurch kann der Verbund insbesondere für das Einlegen in die Nut weiter stabilisiert werden.It is advantageous that the composite of the conductor elements encased with the thermoset in the partially crosslinked state is encased in a silicone tube and that the composite of the conductor elements encased with the thermoset in the partially crosslinked state, encased with the silicone tube, is inserted into the at least one groove. As a result, the composite can be further stabilized, in particular for insertion into the groove.
Die elektrische Maschine, insbesondere die elektrische Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge, umfasst in vorteilhafter Weise zumindest einen elektrischen Leiterverbund, der in zumindest eine Nut eines Stators beziehungsweise Rotors eingelegt ist, wobei der elektrische Leiterverbund mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente und eine auf zumindest einem Duroplast basierende Isolation aufweist. Da das Leiterelement mit Duroplast umhüllt sein kann, bildet sich im Leiterverbund dann aus dem Duroplast eine Matrix, die den Leiterverbund zusammenhält.The electric machine, in particular the electric drive machine for motor vehicles, advantageously comprises at least one electrical conductor assembly that is inserted into at least one slot of a stator or rotor, the electrical conductor assembly having a plurality of conductor elements based on carbon nanotubes and/or graphene and a conductor element based on at least one Has thermoset based insulation. Since the conductor element can be encased in duroplast, a matrix then forms from the duroplast in the conductor assembly, which matrix holds the conductor assembly together.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine mit einem teilvernetzten Duroplast umhülltes Leiterelement 5, die Fasern oder Garne mit niedrigem Durchmesser sind, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 die in1 dargestellte, mit einem teilvernetzten Duroplast umhüllten Leiterelemente entsprechend einer abgewandelten Ausgestaltung; -
3 einen als Garn ausgestalteten Verbund aus mehreren in1 dargestellten Leiterelementen in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel; -
4 den in3 dargestellten Verbund entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung; -
5 den in3 dargestellten Verbund, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch umhüllt ist, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel; -
6 den in5 dargestellten Verbund, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch umhüllt ist, entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung und -
7 eine auszugsweise, schematische Schnittdarstellung einer Nut eines Stators einer elektrischen Maschine, in die der in5 dargestellte, mit dem Elastomerschlauch umhüllte Verbund als elektrischer Leiterverbund eingelegt ist, um eine Wicklung des Stators zu bilden.
-
1 aconductor element 5 sheathed with a partially cross-linked duroplast, which are fibers or yarns with a small diameter, in a schematic sectional view for explaining a method according to an embodiment of the invention; -
2 in the1 illustrated conductor elements covered with a partially cross-linked duroplast according to a modified embodiment; -
3 a composite designed as a yarn consisting of several in1 illustrated conductor elements in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment; -
4 the in3 composite shown according to the modified embodiment; -
5 the in3 shown composite, which is additionally covered with an elastomer tube, in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment; -
6 the in5 shown composite, which is additionally covered with an elastomer tube, according to the modified embodiment and -
7 a partial, schematic sectional view of a slot of a stator of an electrical machine, in which the5 is inserted as an electrical conductor assembly in order to form a winding of the stator.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
An Hand von
Wenn die einzelnen Leiterelemente 5 mit dem Duroplast 6 umhüllt werden, wie es in
Die einzelnen Leiterelemente 5 können durch ein Tauchbad, einen Sprühprozess oder ein Pultrusionsverfahren mit dem Duroplast 6 umhüllt werden. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann der Duroplast 6 im flüssigen Zustand aufgebracht werden.The
Die auf Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren basierenden Leiterelementen 5, die aus Endlosfasern oder aus den daraus geformten Garnen kleineren Querschnitts und dem teilvernetzten Duroplast 6 bestehen, werden zu dem Verbund 8 in Form eines Garns 8 mit größerem Querschnitt weiterverarbeitet. Die Leiterelemente 5 sind biegeschlaff und deformieren sich bei der Herstellung des Garns 8. Dazu werden Endlosfasern 5 beziehungsweise die Garne mit kleinerem Querschnitt mit dem vernetzbaren Duroplast 6 beschichtet. Besonders vorteilhaft ist, wenn dies vor dem Zwirnen, Weben oder Flechten geschieht, wie es auch an Hand
Die Herstellung eines solchen Verbundes 8 kann also beispielsweise erfolgen, indem die Garne mit kleinerem Querschnitt beziehungsweise Endlosfasern 5 durch ein Tauchbad oder durch Sprühen mit dem vernetzungsfähigen Duroplast 6 beschichtet werden. Dieser Verbund 8 kann anschließend durch ein konisches Loch geführt werden. Dadurch werden die Endlosfasern 5 zu einem Garn 8 kompaktiert und der Duroplast 6 teilvernetzt, so dass der Verbund 8 noch verformbar ist. Je nach Wahl der Geometrie des Querschnitts kann der Garn 8 aus parallelen Endlosfasern 5 beispielsweise einen Querschnitt mit runder, ovaler, dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger oder sternförmiger Geometrie besitzen.Such a composite 8 can thus be produced, for example, by coating the yarns with a smaller cross section or
Der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllte Verbund 8 kann durch Schlauchextrusion mit gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung des Verbundes 8 in den sich bildenden Elastomerschlauch 9, hergestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Verbund 8 nicht zerfällt, die Verarbeitbarkeit beim Wickeln verbessert und darüber hinaus verhindert ist, dass der Verbund 8 beim Lagern auf einer Spule mit sich selbst verklebt beziehungsweise, dass der auf der Oberfläche befindliche Duroplast sich mit dem Duroplast der nächsten Lage vernetzt.The composite 8 encased with the
Besonders vorteilhaft ist die Umhüllung des Verbundes 8 mit einem Silikonschlauch 9. Dieser kann durch Schlauchextrusion mit gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung des Verbundes 8 in den extrudierten Silikonschlauch 9 hergestellt werden.The encasing of the composite 8 with a
Die Garne 8 beziehungsweise Garnbündel 8 können bei einem Ausführungsbeispiel eingepresst oder gewickelt werden und dann, falls kein Wickelzug vorhanden ist, je nach Einbausituation ggf. unter mechanischen Druck auf 120°C erwärmt und ausgehärtet werden. Dabei schmiegen sich die Garne 8 spaltfrei an die Nut 2 an. Isolationspapier ist nicht notwendig, wenn die Durchschlagsfestigkeit des Elastomer- beziehungsweise Silikonschlauchs 9 für den anliegenden Potentialunterschied ausreicht.In one exemplary embodiment, the
Wenn der Verbund 8 aus den mit dem Duroplast 6 im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelement 5, die Fasern oder Garne mit niedrigem Durchmesser sind, in die zumindest eine Nut 2 eingelegt ist, dann erfolgt eine Wärmebehandlung. Dadurch wird der sich im teilvernetzten Zustand befindende Duroplast 6 thermisch vollvernetzt. Dadurch wird dann die Isolation 7 des elektrischen Leiterverbunds 1 gebildet. Der elektrische Leiterverbund 1 weist dann mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente 5 und eine auf dem Duroplast 6 basierende Isolation 7 auf. Die Isolation 7 kann dann so ausgebildet sein, dass der elektrische Leiterverbund 1 biegesteif ausgestaltet ist. Der Leiter ist dann biegesteif ausgestaltet, wenn die Vernetzung der Isolation der Leiterelemente mit der Isolation angrenzender Leiterelemente während der thermischen Vollvernetzung zu einem biegesteifen Verbund führt.If the
Dem Duroplast 6 kann ein thermolatenter Katalysator beigemischt sein, der bei der Wärmebehandlung die Vollvernetzung unterstützt und beschleunigt. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann als Katalysator ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, insbesondere BF3-Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid beigemischt sein.A thermolatent catalyst can be added to the duroplast 6, which supports and accelerates the full crosslinking during the heat treatment. In one possible embodiment, an adduct of boron trifluoride with amines, in particular BF 3 monoethylamine, and/or at least one quaternary phosphonium compound and/or a dicyandiamide can be admixed as a catalyst.
Bei einer möglichen Ausgestaltung kann der Duroplast 6 aus einem Harzsystem ausgebildet werden, das ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und ein Epoxidharz vom Typ Novolac und Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und Diaminodiphenylsulfon aufweist.In one possible embodiment, the thermoset 6 may be formed from a resin system comprising a tetraglycidyldiaminodiphenylmethane-based resin and a novolac-type epoxy resin and microencapsulated imidazole and diaminodiphenylsulfone-based hardeners.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine mögliche Durchführung von Verfahrensschritten des Verfahrens angegeben. Ein Beispiel für die Zusammensetzung eines Harzsystems in Gewichtsanteilen kann hierfür wie folgt angegeben werden, wobei HX3722 und DDS die Härter sind:
- Ep604: 50,
- Ep1032: 50,
- HX3722: 25 und
- DDS: 20.
- Ep604: 50,
- Ep1032: 50,
- HX3722: 25 and
- DDS: 20.
Die chemische Zusammensetzung ist:
- Ep604: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Japan Epoxy Resins Co., Ltd.;
- Ep1032: Epoxidharz vom Typ Novolac (siehe
US 2003/0135011 A1 - HX3722: Mikroverkapseltes Imidazol, Asahi-Ciba Co., Ltd.; und
- DDS: Diaminodiphenylsulfon, Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.
- Ep604: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, Japan Epoxy Resins Co., Ltd.;
- Ep1032: Novolac type epoxy resin (see
U.S. 2003/0135011 A1 - HX3722: Microencapsulated Imidazole, Asahi-Ciba Co., Ltd.; and
- DDS: Diaminodiphenylsulfone, Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.
Dieses System ist mit seiner Mischviskosität ausreichend niederviskos. Je nach Auswahl und Mischungsanteil der Komponenten kann eine Mischviskosität variieren, wobei beispielsweise eine Mischviskosität von etwa 750 mPas bei 25°C als noch ausreichend niederviskos betrachtet werden kann. Die oben genannten Komponenten des Epoxidharzsystems werden auf 25 °C temperiert und dann im angegebenen Verhältnis gemischt. Die Mischung wird in einen Behälter gegeben. Dieser besitzt einen Doppelmantel mittels dem die Mischung auf 25°C temperiert wird. Im Behälter befindet sich eine Umlenkrolle, die so positioniert ist, dass die Endlosfasern 5 kontinuierlich durch das im Behälter befindliche Epoxidharzsystem geführt werden können. Somit ist ein kontinuierliches Tauchbad realisiert.With its mixed viscosity, this system is sufficiently low in viscosity. Depending on the selection and mixing ratio of the components, a mixed viscosity can vary, with a mixed viscosity of around 750 mPas at 25° C., for example, still being considered to be sufficiently low in viscosity. The components of the epoxy resin system mentioned above are heated to 25 °C and then mixed in the specified ratio. The mixture is placed in a container. This has a double jacket by means of which the mixture is tempered to 25°C. There is a deflection roller in the container, which is positioned in such a way that the
Sobald die Endlosfasern 5 aus dem Tauchbad austreten, werden sie durch eine Vorrichtung gezogen, deren erster Teil aus einem Metallsegment besteht, das ein konisches Loch von 5 cm Länge mit einem kreisrunden Querschnitt besitzt. Der Durchmesser des Lochs beträgt am Anfang 5 mm und am Ende 1,5 mm. Daran schließt sich in dem Metallsegment ein Loch mit 2 cm Länge an, das einen kreisrunden Querschnitt von 1,5 mm Durchmesser besitzt. Dieses erste Metallsegment wird auf 20°C gekühlt. An das erste Metallsegment schließt sich ein weiteres Metallsegment an. Dieses ist durch eine Isolationsschicht thermisch vom ersten Metallsegment getrennt. Das Loch in zweiten Metallsegment ist 50 cm lang und besitzt einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Dieses zweite Metallsegment wird beheizt, um es auf einer Temperatur von 80°C zu halten. Wenn die Endlosfasern 5 durch diese beiden Metallsegmente gezogen werden, werden sie im ersten Metallsegment durch den Konus kompaktiert und im zweiten Metallsegment durch das thermische Teilvernetzen des Epoxidharzsystems zu einem Garn 8 geformt, in dem die Endlosfasern 5 parallel zueinander angeordnet sind. Die Verweilzeit des Garns im zweiten Metallsegment beträgt 2 s. Danach erfolgt die Umhüllung des Garns 8 mit einem Silikonschlauch 9 durch Koextrusion.As soon as the
Durch Lagerung bei Temperaturen < 0°C nach der Herstellung kann in diesem Verbund über Wochen hinweg die Nachvernetzung unterdrückt werden und so eine ausreichende Verformbarkeit und somit die Verarbeitbarkeit sichergestellt werden. Wenn aus dem Verbund die Wicklung hergestellt wurde, muss diese thermisch nachbehandelt werden, damit die maximale Temperaturfestigkeit von 180°C erreicht wird. Dazu wird das Bauteil wärmebehandelt, Dabei wird das Epoxidharzsystem durch Temperaturstufen mit 30 min bei 100°C und 30 min bei 145°C und 30 min bei 180°C voll vernetzt. Anschließend ist der Verbund so steif, dass dieser im Betrieb durch Magnetkräfte nicht mehr verformt werden kannPost-crosslinking can be suppressed in this composite for weeks by storage at temperatures < 0°C after production, thus ensuring adequate deformability and thus processability. Once the winding has been made from the composite, it must be thermally post-treated so that the maximum temperature resistance of 180°C is achieved. For this purpose, the component is heat-treated. The epoxy resin system is fully crosslinked through temperature stages of 30 minutes at 100°C and 30 minutes at 145°C and 30 minutes at 180°C. The composite is then so stiff that it can no longer be deformed by magnetic forces during operation
Die Leiterelemente 8 können dadurch durchgehend mit aushärtbarem Harz beschichtet sein. Die Leiterelemente 8, die in der Nut liegen, sind nach der Wärmebehandlung durch das Harz miteinander stoffschlüssig verbunden. Hierbei ergibt sich ein Unterschied zum Gießen mit einem Harz. Sowohl beim Gießen als auch beim vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Hohlräume zwischen den Leiterelementen in der Regel nicht vollständig vermeiden. Im Bereich der Hohlräume ist ein Leiterelement, wenn das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommt, aber in der Regel immer mit Harz beschichtet, während beim Gießen die an Hohlräume angrenzenden Leiterelemente partiell nicht mit Harz beschichtet sindAs a result, the
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Isolierung durch Nutzung eines Pultrusionsverfahrens hergestellt werden, wie es im Folgenden beschrieben ist.In another preferred embodiment, the insulation may be made using a pultrusion process, as described below.
Leiterelemente 5 in Form von Garnen und Bändern auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder Graphen sind Leiterwerkstoffe, die in axialer Richtung eine hohe Zugfestigkeit besitzen aber gleichzeitig in radialer Richtung biegeschlaff sind. Um das volle Potential von CNT-Garnen und -Bändern hinsichtlich ihrer Biegeschlaffheit und der damit verbundenen Designfreiheit für elektrische Leiter (extrem kleine Biegeradien, sehr hohe Zugbeanspruchung, sehr hohe Wickelgeschwindigkeit und so weiter) zu heben, soll die elektrische Isolationsschicht so flexibel und gut haftend sein, dass auch bei sehr kleinen Biegeradien die Isolationsschicht nicht reißt oder sich ablöst. Gleichzeitig soll die Isolationsschicht möglichst dünn sein, um einen niedrigen Wärmewiderstand zu realisieren. Die Isolationsschicht wird deshalb möglichst gleichmäßig und in einem Prozessschritt dünn sowie mit niedrigen Prozesszeiten aufgetragen.
Die Isolation des CNT-Garns oder anderen elektrisch leitfähigen Fasern 5 ist mittels Pultrusion möglich. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn anstelle einer Faser 5 ein Garn mit kleinerem Querschnitt zum Einsatz kommt. Hierbei ist es wichtig, dass nur das Garn isoliert bzw. beschichtet wird und keine Infiltration durch das Isolationsmaterial in dem Garn stattfindet. Weiterhin kann hierzu die Viskosität des Material auf den Prozess fein abgestimmt werden, um zum einen die Beschichtung beziehungsweise Isolation zu ermöglichen und zum anderen die Infiltration zu verhindern. Durch eine Infiltration würde die elektrische Leitfähigkeit im Garn selbst sinken. Ferner kann vorgegeben werden, wie hoch die Porosität des Garns/Bands maximal sein soll, damit die Reaktion nur auf der Oberfläche und nicht im Kern des Garns/Bands stattfindet. Eine Reaktion im Kern ist zu vermeiden, da diese die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen kann. Vorteilhaft ist es, dass eine besonders dünne, temperaturbeständige und sehr stark dehnbare Isolationsschicht durch die Pultrusion erzeugt wird. Das Verfahren ist einfach skalierbar.The CNT yarn or other electrically
Darüber hinaus besitzt bei Verwendung von Silikonen, insbesondere Flüssigsilikonen, die Oberfläche einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Dies bietet, wenn ohne weitere Beschichtung verwendet, insbesondere bei Wickelprozessen große Vorteile in Bezug auf die mögliche Wickelgeschwindigkeit und die Fähigkeit auch in komplizierten Geometrien der Wickeltasche eine hohe Packungsdichte der Wicklung zu erreichen. Neben Silikonen lassen sich auch alle thermoplastischen Werkstoffe, wie auch thermoplastische Elastomere als Isolator durch die Pultrusion auf das Garn aufbringen.In addition, when using silicones, especially liquid silicones, the surface has a very low coefficient of friction. If used without further coating, this offers great advantages in relation to the possible winding speed and the ability to achieve a high packing density of the winding even in complicated geometries of the winding pocket, especially in winding processes. In addition to silicone, all thermoplastic materials as well as thermoplastic elastomers can be applied to the yarn as an insulator by pultrusion.
Neben dem bereits beschriebenen Verfahren lassen sich auch mehrere Garne nebeneinander eng aufreihen und dennoch jeweils einzelnen isolieren. Dabei entsteht eine breite Leiterbahn, die sich entsprechend einfach um eine Spule wickeln lässt. Weitere Anordnungen, die beispielsweise übereinander liegen, sind ebenfalls möglich und durch den hohen Biegegrad des Garns weiterhin einfach zu wickeln. Beispielsweise können die Garne über Kreuz ins Werkzeug geführt werden und mit der Isolationsschicht überzogen werden. Für die elektrische Leitfähigkeit ist es besonders vorteilhaft, dass die Faser nicht mit einem Isolator infiltriert wird. Hierzu kann die Faser stark gekühlt werden, um die Viskosität des Isolators an der Faser zu erhöhen und dadurch eine Infiltration zu verhindern. In addition to the method already described, several yarns can also be lined up next to each other and still be insulated individually. This creates a wide conductor track that can be easily wound around a coil. Other arrangements, for example one on top of the other, are also possible and still easy to wind due to the high degree of bending of the yarn. For example, the yarns can be fed crosswise into the tool and covered with the insulating layer. It is particularly advantageous for the electrical conductivity that the fiber is not infiltrated with an insulator. For this purpose, the fiber can be strongly cooled to reduce the viscosity of the To increase the insulator on the fiber and thereby prevent infiltration.
Eine andere Möglichkeit ist, die Faser mittels Strom zu erhitzen und somit für eine schnelle Aushärtung auf der Faseroberfläche zu sorgen.Another option is to heat the fiber with electricity and thus ensure rapid hardening on the fiber surface.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the exemplary embodiments described.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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