DE102022108324A1

DE102022108324A1 - Elektrische Maschine, Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Oberfläche an einem Stator oder Rotor

Info

Publication number: DE102022108324A1
Application number: DE102022108324.1A
Authority: DE
Inventors: Lukas Weisenseel; Dennis Sieling; Daniel Dietz; Mario Käpple
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12
Also published as: WO2023194468A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10), deren Betrieb sowie ein Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Oberfläche (28) an einen Stator (12) und/oder einem Rotor (11) der elektrischen Maschine (10). In eine an einem Luftspalt (13) der elektrischen Maschine (10) angrenzende Begrenzungsfläche (22) wird eine Mikrostruktur eingebracht, insbesondere durch ein Material abtragendes Verfahren und/oder ein Umformverfahren. Alternativ kann die Mikrostruktur auch durch ein Urformverfahren erzeugt werden. Die in der Begrenzungsfläche (22) vorhandene Mikrostruktur bildet eine mikrostrukturierte Oberfläche (28) zur Erzeugung von Luftverwirbelungen im Luftspalt (13) .

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine aufweisend einen Stator und einen Rotor, die über einen Luftspalt mit Abstand zueinander angeordnet sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Oberfläche an dem Stator und/oder Rotor für die elektrische Maschine.
DE 10 2020 101 035 A1 beschreibt einen Elektromotor mit einem Rotor, einem Stator sowie einer auf einem Statorkern vorhandene Wicklung. Die Wicklungsenden ragen axial in eine Ringnut eines Gehäusedeckels hinein. In der Ringnut kann ein wärmeleitendes Harz angeordnet werden.
Aus EP 3 866 308 A1 ist es bekannt, an den axialen Enden der Wicklungen Wickelköpfe zu bilden. Die Wickelköpfe sind mit einem elektrisch funktionell gefüllten Reaktivharz imprägniert.
Die in EP 3 565 089 A1 beschriebener elektrischer Maschine weist ein verbessertes Isolationssystem auf, das in Nuten eines Wicklungsträgers vorhanden ist.
In elektrischen Maschinen wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt bzw. umgekehrt, je nachdem, ob die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird. Dabei treten Verluste auf, beispielsweise Lüftungs- und Reibungsverluste. Um die Effizienz zu optimieren, sollten Lüftungsverluste minimiert werden. Andererseits ist es erforderlich, die erzeugte Wärme zuverlässig abzuführen, um eine übermäßige thermische Belastung der Komponenten zu vermeiden, was sich wiederum positiv auf die Lebensdauer der elektrischen Maschine auswirken kann. Außerdem ist es gewünscht, elektrische Maschinen effizient und kostengünstig herstellen zu können.
Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine elektrische Maschine zu schaffen, deren Stator oder Rotor eine gute Wärmeabgabe in die Umgebung ermöglicht und sich dabei einfach und kostengünstig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein Verfahren zum Betreiben dieser elektrischen Maschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 11 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Oberfläche an dem Stator oder Rotor für die elektrische Maschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat einen Stator und einen Rotor. Der Stator und der Rotor sind konzentrisch zu einer gemeinsamen Drehachse angeordnet, derart, dass dazwischen ein Luftspalt begrenzt wird. Die elektrische Maschine kann als Innenläufermaschine oder Außenläufermaschine ausgebildet sein.
An dem Stator oder dem Rotor oder sowohl am Stator, als auch am Rotor ist eine an den Luftspalt angrenzende Begrenzungsfläche vorhanden. Die Begrenzungsfläche weist eine Mikrostruktur auf und bildet somit eine mikrostrukturierte Oberfläche. Durch die mikrostrukturierte Oberfläche werden beim Betrieb der elektrischen Maschine Luftverwirbelungen in der Luft erzeugt, die im Luftspalt entlang der mikrostrukturierten Oberfläche strömt. Die Strömung wird insbesondere durch die Drehung des Rotors der elektrischen Maschine erzeugt und kann optional zusätzlich durch ein Lüfterrad erzeugt bzw. unterstützt werden.
Die mikrostrukturierte Oberfläche kann Vertiefungen und/oder Vorsprünge aufweisen, so dass eine Rauheit im Mikrometerbereich gebildet ist. Als Mikrometerbereich wird hier der Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm und vorzugsweise bis 100 µm verstanden. Verglichen mit einer ideal glatten Oberfläche (Rauheit = Null) hat die mikrostrukturierte Oberfläche einen größeren Oberflächeninhalt, der beispielsweise mindestens um den Faktor 2-3 oder mindestens um den Faktor 4-5 größer sein kann.
Die mikrostrukturierte Oberfläche wird insbesondere ausschließlich durch das Bearbeiten der Begrenzungsfläche nach deren Herstellung und/oder durch Formgebung während der Herstellung erzeugt. Beispielsweise kann zur Erzeugung der mikrostrukturierten Oberfläche Material an der Begrenzungsfläche abgetragen werden. Optional zusätzlich kann die Mikrostruktur durch Aufbringen einer Beschichtung erfolgen, die Partikel im Mikrometerbereich aufweist. Die Beschichtung kann anschließend materialabtragend bearbeitet werden, insbesondere um Vertiefungen in der Beschichtung zu erzeugen.
Das Erzeugen der mikrostrukturierten Oberfläche umfasst insbesondere das Einbringen von Vertiefungen in die Begrenzungsfläche, vorzugsweise durch Materialabtrag. Alternativ oder zusätzlich können die Vertiefungen auch beim Urformen der Begrenzungsfläche und/oder durch Umformen der Begrenzungsfläche erzeugt werden. Beispielsweise können die Vertiefungen entstehen, wenn der Stator und/oder Rotor in einer Gießform mit einer Beschichtung versehen wird. Die Gießform kann derart ausgebildet sein, dass die mikrostrukturierte Oberfläche beim Herstellen der Beschichtung gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Mikrostruktur der mikrostrukturierten Oberfläche auch nach dem Aufbringen der Beschichtung in der Begrenzungsfläche erzeugt werden, beispielsweise durch Umformung und/oder Materialabtrag. Der Materialabtrag kann beispielsweise durch Lasergravur und/oder Laserablation und/oder ein Ätzverfahren oder ein anderes geeignetes Verfahren erfolgen.
Durch die mikrostrukturierte Oberfläche wird eine Luftströmung verwirbelt, die entlang der mikrostrukturierten Oberfläche strömt. Es werden insbesondere Luftverwirbelungen in Form von Mikroturbulenzen gebildet. Die Luftströmung im Bereich der mikrostrukturierten Oberfläche ist turbulent und nicht laminar.
Durch die Erzeugung der Mikroturbulenzen in der Luftströmung im Luftspalt wird im Stator oder Rotor erzeugte Wärme besser an die Umgebung abgegeben. Der Wärmeübergangskoeffizient α nimmt zu. Auch eine Erhöhung der Raynoldszahl und/oder der Nusseltzahl und/oder der Prandtlzahl kann erreicht werden.
Der Stator und/oder der Rotor hat bzw. haben vorzugsweise einen Wicklungsträger sowie eine am Wicklungsträger angeordnete Wicklung. Der Wicklungsträger kann beispielsweise durch ein Blechpaket aufweisen. Der Wicklungsträger hat sich radial zur Drehachse erstreckende Zähne, die in Umfangsrichtung um die Drehachse mit Abstand zueinander angeordnet sind. Dadurch ist zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Zähnen eine Wicklungsnut gebildet. In Axialrichtung erstrecken sich die Zähne parallel zur Drehachse. In Radialrichtung erstrecken sich die Zähne von einer Basis zu einem Kopf. Der Kopf jedes Zahns ist benachbart zum Luftspalt angeordnet. Die wenigstens eine Wicklung ist um die Zähne herum gewickelt und ist - abgesehen von den axialen Endbereichen - ganz oder teilweise in den Wicklungsnuten angeordnet. Insbesondere ist um jeden Zahn zumindest ein Abschnitt der wenigstens einen Wicklung gewickelt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest der Teil oder Abschnitt des Stators und/oder Rotors mit der mikrostrukturierten Oberfläche versehen, der benachbart zum Luftspalt angeordnet ist. Der die mikrostrukturierte Oberfläche aufweisende Abschnitt des Stators und/oder Rotors kann die dem Luftspalt zugewandten Flächen der Köpfe der Zähne und/oder die dem Luftspalt zugewandten Flächen der wenigstens einen Wicklung aufweisen.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die optionale Beschichtung die Wicklungsnuten zwischen den Zähnen und somit die dort angeordneten Abschnitte der wenigstens einen Wicklung abdeckt.
Vorzugsweise ist die mikrostrukturierte Oberfläche und/oder die Beschichtung abschnittsweise koaxial zur Drehachse der elektrischen Maschine angeordnet.
Die optionale Beschichtung kann ein Überzugslack oder Tränklack sein. Der Überzugslack kann beispielsweise durch Aufstreichen oder Aufsprühen aufgebracht werden. Die Beschichtung kann auch durch ein Gießverfahren, beispielsweise Spritzgießverfahren hergestellt werden. Die Beschichtung wird in fließfähigem Zustand aufgebracht und härtet am Stator bzw. Rotor aus.
Die optionale Beschichtung kann ein Kunststoffmaterial sein oder enthalten, z.B. ein Harz. Bei dem Harz kann es sich insbesondere um ein Esterimidharz, ein Polyesterharz oder ein Alkydharz handeln. Das Harz kann modifiziert sein, beispielsweise ölmodifiziert oder urethanmodifiziert. Die Beschichtung kann Partikel in dem Kunststoffmaterial bzw. Harz aufweisen. Die Partikelgröße dieser Partikel kann definiert sein durch den volumenäquivalenten oder oberflächenäquivalenten Äquivalentdurchmesser. Die Partikel haben vorzugsweise eine Partikelgröße im Bereich von 10 µm bis 40 µm. Alternativ kann zumindest eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 10 µm bis 40 µm liegen. Der Anteil der Partikel in der Beschichtung liegt bevorzugt im Bereich von 10 Gew.-% bis 15 Gew.-% bezogen auf die gesamte Beschichtung. Als Partikel können beispielsweise Bornitridpartikel, Grafitpartikel, Aluminiumoxidpartikel, Magnesiumpartikel oder eine beliebige Kombination davon verwendet werden.
Die Begrenzungsfläche, die bevorzugt durch mehrere Abschnitte der Beschichtung gebildet ist, lässt sich sehr gut zur Erzeugung der Mikrostruktur bearbeiten. Beispielsweise können mit Hilfe eines Lasers sehr genau die Mikrostruktur und mithin die gewünschte Rauheit der mikrostrukturierten Oberfläche erreicht werden. Die Mikrostruktur kann alternativ auch durch ein Umformverfahren, beispielsweise ein Prägeverfahren in der Beschichtung erzeugt werden. Ein derartiges Prägeverfahren kann sehr effizient mit einer hohen Produktivität durchgeführt werden. Dazu kann der Rotor bzw. Stator durch wenigstens ein Prägewerkzeug - und beispielsweise durch zwei oder mehr Prägewerkzeuge gleichzeitig - radial zur Drehachse der elektrischen Maschine beaufschlagt werden, wodurch sehr einfach und schnell die gewünschte Mikrostruktur eingeprägt werden kann.
Irgendein Ausführungsbeispiel der vorstehenden elektrischen Maschine wird wie folgt betrieben:
Im Luftspalt der elektrischen Maschine wird eine Luftströmung erzeugt. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass der Rotor um die Drehachse rotiert. Die Luftströmung kann durch den Rotor oder ein separates, am Rotor abgeordnetes Lüfterrad erzeugt werden. Durch die mikrostrukturierte Oberfläche werden zumindest in der entlang der mikrostrukturierten Oberfläche strömenden Luftschicht Luftverwirbelungen, insbesondere Mikroturbulenzen erzeugt. Es entsteht eine turbulente Strömung. Dadurch wird die Wärmeabgabe vom Stator und/oder Rotor an die Umgebung deutlich verbessert.
Zur Herstellung irgendeines Ausführungsbeispiels der mikrostrukturierten Oberfläche am Stator und/oder Rotor irgendeines Ausführungsbeispiels einer vorstehend beschriebenen elektrischen Maschine wird beispielsgemäß wir folgt vorgegangen:
Zunächst kann beispielsweise ein Wicklungsträger bereitgestellt werden. Um die Zähne des Wicklungsträgers kann dann wenigstens eine Wicklung angeordnet werden, so dass sich zumindest Abschnitte der wenigstens einen Wicklung in den Wicklungsnuten befinden. Die wenigstens eine Wicklung kann axial aus den Wicklungsnuten herausragen. Vorzugsweise ragt die wenigstens eine Wicklung radial nicht aus den Wicklungsnuten heraus.
Anschließend kann optional eine Beschichtung auf den dem Luftspalt zugeordneten Abschnitt des Stators und/oder Rotors aufgebracht werden, die die Begrenzungsfläche bildet.
In der Begrenzungsfläche wird die mikrostrukturierte Oberfläche durch Umformen und/oder Urformen und/oder durch ein Material abtragendes Verfahren, beispielsweise Lasergravur bzw. Laserablation, hergestellt. Die mikrostrukturierte Oberfläche kann bereits beim Herstellen der die Begrenzungsfläche aufweisenden Teile des Stators oder Rotors erzeugt werden, beispielsweise wenn der Rotor oder Stator in einer Spritzgussform beschichtet wird, wobei die Beschichtung die Begrenzungsfläche aufweist. Bereits beim Herstellen der Beschichtung kann durch das Formwerkzeug die mikrostrukturierte Oberfläche erzeugt werden. Es ist auch möglich, die mikrostrukturierte Oberfläche erst nach dem Herstellen der Begrenzungsfläche in die Begrenzungsfläche einzubringen, beispielsweise durch Umformen, wie etwa Prägen, oder ein materialabtragendes Verfahren.
Optional zusätzlich können zumindest Teile der Mikrostruktur durch Partikel gebildet werden, die in der optionalen Beschichtung enthalten sind. Vorzugsweise wird das Beschichtungsmaterial in fließfähigem Zustand auf dem Stator oder Rotor aufgebracht und dort ausgehärtet. Das Aufbringen kann durch Einbringen des Beschichtungsmaterials in eine Gießform, durch Streichen oder Sprühen oder durch Eintauchen in ein Tauchbad erfolgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit Blick in Axialrichtung entlang einer Drehachse,
2 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit Blick in Axialrichtung entlang der Drehachse,
3-5 jeweils eine schematisierte Prinzipdarstellung für die Ausgestaltung unterschiedlicher Beschichtungen für einen Stator der elektrischen Maschine gemäß 1 oder 2,
6 eine Prinzipdarstellung der Erzeugung von Mikroturbulenzen in einer Luftströmung durch eine mikrostrukturierte Oberfläche der Beschichtung und
7 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators oder Rotors der elektrischen Maschine gemäß der 1 oder 2.

In den 1 und 2 sind jeweils Ausführungsbeispiele einer elektrischen Maschine 10 in stark schematisierter Prinzipdarstellung veranschaulicht. Die elektrische Maschine 10 hat einen Rotor 11 und einen Stator 12. Der Rotor 11 und der Stator 12 sind koaxial um eine gemeinsame Drehachse D angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel nach 1 umschließt der Stator 12 den Rotor 11 in einer Umfangsrichtung U um die Drehachse D. Demgegenüber umgibt der Rotor 11 den Stator 12 beim Ausführungsbeispiel nach 2 in Umfangsrichtung U. Eine Richtung parallel zur Drehachse D wird als Axialrichtung bezeichnet.
Die elektrische Maschine 10 kann beispielsweise als permanenterregte Maschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 10 kann als Motor oder als Generator betrieben werden.
Die nachfolgend erläuterte erfindungsgemäße Beschichtung des Rotors 11 und/oder Stators 12 wird beispielhaft anhand des Stators 12 erläutert. Die im Zusammenhang mit dem Stator 12 erläuterten Merkmale und Verfahrensschritte können zusätzlich oder alternativ auch beim Rotor 11 der elektrischen Maschine 10 realisiert werden.
Zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 der elektrischen Maschine 10 ist ein Luftspalt 13 begrenzt, der beim Betrieb der elektrischen Maschine 10 von einem Magnetfeld durchsetzt wird, das den Rotor 11 mit dem Stator 12 magnetisch koppelt. Der Luftspalt 13 ist koaxial zur Drehachse D angeordnet und hat insbesondere eine hohe zylindrische Gestalt.
Der Stator 12 weist beispielsgemäß einen Wicklungsträger 17 auf. Der Wicklungsträger 17 kann durch ein Blechpaket aus einer Mehrzahl von einzelnen Blechen gebildet sein, die in Axialrichtung aufeinander gestapelt sind. Der Wicklungsträger 17 hat einen ringförmigen Basisabschnitt 18, der koaxial zur Drehachse D angeordnet ist. Von dem Basisabschnitt 18 ragen mehrere Zähne 19 weg. Die Zähne 19 sind in Umfangsrichtung U gleichmäßig beabstandet angeordnet. Zwischen zwei in Umfangsrichtung U unmittelbar benachbarten Zähnen 19 ist jeweils eine Wicklungsnut 20 gebildet. Die Wicklungsnuten 20 und die Zähne 19 erstrecken sich in Axialrichtung vollständig entlang des Wicklungsträgers 17.
Der Wicklungsträger 17 kann aus einer metallischen Legierung bestehen, beispielsweise aus einer Eisen-Silizium-Legierung.
In den 1 und 2 ist nur ein Teil der Zähne 19 und Wicklungsnuten 20 dargestellt. Die nicht dargestellten Zähne 19 und Wicklungsnuten 20 sind durch die strichpunktierte Line symbolisiert.
Jeder Zahn 19 hat an seinem dem Basisabschnitt 18 entgegengesetzten Ende einen Kopf 21. Der Kopf 21 kann gegenüber dem sich anschließenden Abschnitt des Zahns 19 in Umfangsrichtung U erweitert sein, so dass er eine oder beide benachbarte Wicklungsnuten 20 teilweise abdeckt.
Angrenzend an den Luftspalt 13 hat der Stator 12 eine Begrenzungsfläche 22. Die Begrenzungsfläche 22 ist in Umfangsrichtung um die Drehachse D nicht unterbrechungsfrei, sondern beispielsgemäß durch die Wicklungsnuten 20 unterbrochen. Die Begrenzungsfläche 22 ist beim Ausführungsbeispiel durch die Flächen gebildet, die an den Zähnen 19 und insbesondere den Köpfen 21 vorhanden sind und sich unmittelbar an den Luftspalt 13 anschließen. Diese einzelnen Flächen der Zähne 19 bzw. der Köpfe 21 sind auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche um die Drehachse D angeordnet.
Der Stator 12 hat außerdem wenigstens eine Wicklung 25. Die wenigstens eine Wicklung 25 ist zumindest abschnittsweise um jeden Zahn 19 herum gewickelt, wobei die wenigstens eine Wicklung 25 überwiegend in den Wicklungsnuten 20 aufgenommen ist. An den axialen Enden der Zähne 19 ragt die wenigstens eine Wicklung 25 aus den Wicklungsnuten 20 heraus und bildet dort sogenannte Wickelköpfe. Radial zur Drehachse D ragt die wenigstens eine Wicklung 25 nicht über die Köpfe 21 der Zähne 19 hinaus in den Luftspalt 13 hinein. Die wenigstens eine Wicklung 25 ist in den Zeichnungen durch eine Kreuzschraffur in den Wicklungsnuten 20 symbolisiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Begrenzungsfläche 22 unmittelbar durch die Zähne 19 bzw. Zahnköpfe 21 gebildet sein. Bei dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Zähne 19 bzw. Köpfe 21 zumindest teilweise mit einer Beschichtung 26 versehen. Die Beschichtung 26 ist somit zumindest auf einen Abschnitt 27 (beispielsgemäß des Stators 12 und alternativ oder zusätzlich auf einen Abschnitt 27 des Rotors 11) aufgebracht, der benachbart zum Luftspalt 13 angeordnet ist. Die Begrenzungsfläche 22 ist ganz oder vollständig durch die Beschichtung 26 gebildet.
Die Beschichtung 26 kann in Umfangsrichtung U die einzelnen Zähne 19 oder Teile davon individuell umschließen (3-5).
Bei einem Ausführungsbeispiel werden lediglich die dem Luftspalt 13 zugewandten Zahnflächen bzw. Zahnenden beschichtet (4). Es ist auch möglich jeden Zahn 19 und den daran angeordneten Abschnitt der wenigstens einen Wicklung 25 zu beschichten (3). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den gesamten Stator 12 zu beschichten (5). Anhand dieser Beispiele wird deutlich, dass die Anordnung und/oder der Oberflächeninhalt der Beschichtung 26 variieren können, insbesondere im Hinblick auf die Bereiche des Stators, die an die Wicklungsnuten 20 angrenzen. Der beschichtete Abschnitt 27 weist beispielsgemäß zumindest die an den Luftspalt 13 angrenzenden Begrenzungsfläche 22 des Stators 12 auf. Wie es in den 1 bis 5 schematisch dargestellt ist, gehört zu dem Abschnitt 27, auf den die Beschichtung 26 aufgebracht ist, zumindest die Flächen der Zähne 19, die dem Luftspalt 13 zugewandt sind. Beschichtung.
Die Begrenzungsfläche 22 weist eine mikrostrukturierte Oberfläche 28 auf. Die Mikrostruktur in der Begrenzungsfläche 22 zur Bildung der mikrostrukturierten Oberfläche kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Sie kann nachträglich in die vorhandene Begrenzungsfläche eingebracht werden, beispielsweise durch ein materialabtragendes Verfahren und/oder durch ein Umformverfahren. Dabei können materialabtragende Verfahren, wie Lasergravieren bzw. Laserablation und/oder Ätzverfahren eingesetzt werden. Als Umformverfahren kann beispielsweise ein Prägeverfahren mit einem oder mehreren Prägewerkzeugen eingesetzt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Mikrostruktur auch durch ein Urformverfahren erzeugt werden, beispielsweise wenn die Beschichtung 26 in einer Gießform hergestellt wird, wobei die Gießform dazu eingerichtet ist, bereits beim Herstellen der Beschichtung die mikrostrukturierte Oberfläche 28 in der Begrenzungsfläche 22 aufweisenden Beschichtung 26 zu erzeugen. Die mikrostrukturierte Oberfläche 28 entsteht in diesem Fall bereits während des Aushärtens der Beschichtung 26.
Die optional vorhandene Beschichtung 26 kann zur Erzeugung der Mikrostruktur beitragen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 26 Trägermaterial 29 mit darin eingebetteten Partikeln 30 auf (gestrichelt in 6 dargestellt). Als Trägermaterial 29 kann beispielsweise an Luft aushärtbares Harz verwendet werden, wie etwa ein Esterimidharz, ein Polyesterharz oder ein Alkydharz. Als Partikel 30 können eine oder mehrere der nachfolgend genannten Partikel individuell oder in beliebiger Kombination verwendet werden: Bornitridpartikel, Grafitpartikel, Aluminiumoxidpartikel, Magnesiumpartikel.
Vorzugsweise haben die Partikel 30 in der Beschichtung 26 einen Anteil von 10 Gew.-% bis 15 Gew.-%.
Die mittlere Schichtdicke des Trägermaterials 29 beträgt beispielsgemäß 10 µm bis 20 µm.
Das Trägermaterial 29 kann farblos bzw. transparent sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Trägermaterial 29 zumindest nach dem Aushärten eine dunkle Farbe haben, vorzugsweise schwarz sein. Dadurch kann die thermische Wärmestrahlung und damit auch die Wärmeabgabe des Stators 12 (und/oder Rotors 11) in die Umgebung verbessert werden. Wenn das Trägermaterial 29 für das beispielsweise durch Farbpartikel gefärbt ist, beziehen sich die relativen Angaben (Gew.-%) der Partikel 30 auf die Gesamtheit des Trägermaterials 29 einschließlich optional vorhandener Farbpartikel zu anderer Additive.
Die im Trägermaterial 29 eingebetteten Partikel 30 sind in 6 lediglich schematisch in Form von Kugeln veranschaulicht. Die Geometrie der Partikel 30 kann beliebig sein. Vorzugsweise sind die Partikel 30 anisometrisch und weisen daher in unterschiedliche Raumrichtungen unterschiedliche Dimensionen auf. Beim Ausführungsbeispiel ist das Aspektverhältnis der Partikel 30 kleiner als 5 und vorzugsweise kleiner als 3. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können auch isometrische Partikel 30 verwendet werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Partikel 30 eine Partikelgröße oder eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 10 µm bis 40 µm aufweisen. Als Partikelgröße wird beispielsgemäß ein volumenäquivalenter oder oberflächenäquivalenter Äquivalentdurchmesser verwendet.
Der Stator 12 kann gemäß einem Verfahren V ( 7) hergestellt werden:
Zunächst wird beispielsgemäß der Wicklungsträger 17 bereitgestellt (erster Schritt S1). An dem Wicklungsträger 17 wird die wenigstens eine Wicklung 25 angeordnet (zweiter Schritt S2). Die wenigstens eine Wicklung 25 kann in Axialrichtung aus den Wicklungsnuten 20 herausragen. In Radialrichtung ragt die wenigstens eine Wicklung 25 nicht über die Zähne 19 hinaus in den Luftspalt 13 hinein.
Anschließend kann der Wicklungsträger beschichtet werden, um die optionale Beschichtung 26 zu erzeugen (dritter Schritt S3).
Die Schritte S1 bis S3 sind optional und können entfallen bzw. in einer anderen Form ausgeführt werden. Beispielsgemäß wird durch die ersten drei Schritte S1 bis S3 ein Stator 12 mit der Begrenzungsfläche 22 bereitgestellt, in dem dann anschließend die Mikrostruktur zur Erzeugung der mikrostrukturierten Oberfläche 28 eingearbeitet wird (vierter Schritt S4). Wie erläutert, kann dies durch ein Umformverfahren (z.B. Prägen) oder ein Material abtragendes Verfahren (z.B. Lasergravieren) durchgeführt werden. Dabei können in die Begrenzungsfläche 22 Vertiefungen 31 eingebracht werden. Die Form der Geometrie der Vertiefungen 31 kann beliebig gewählt werden und kann auch von dem verwendeten Verfahren abhängen. In 6 sind die Vertiefungen 31 lediglich beispielhaft schematisch als sphärische Vertiefungen 31 dargestellt.
Die Vertiefungen 31 sind mit Abstand zueinander verteilt über die Begrenzungsfläche 22 angeordnet. Im Querschnitt rechtwinklig zur Begrenzungsfläche 22 betrachtet können die Vertiefungen 31 eine runde oder polygonale oder eine sonstige beliebige Kontur aufweisen. Vorzugsweise ist die Anordnungsdichte der Vertiefungen 31 in den Flächenabschnitten der Begrenzungsfläche 22, die an den unterschiedlichen Zähnen 19 vorhanden sind, im Wesentlichen gleich groß, wobei vorzugsweise eine maximale Abweichung von 10% oder 5% zwischen zwei beliebigen Zähnen 19 vorliegt.
Zusätzlich zu den Vertiefungen kann die Beschichtung 26 Partikel 30 enthalten, die Vorsprünge in der mikrostrukturierten Oberfläche 28 bilden. Solche optional vorhandenen Partikel 30 sind in 6 gestrichelt dargestellt.
Bei einem alternativen Verfahren wird die mikrostrukturierte Oberfläche 28 bereits beim Herstellen der Beschichtung 26 erzeugt. Hierzu kann eine Gießform, beispielsweise eine Spritzgießform, bereitgestellt werden, in der der Rotor 11 oder Stator 12 angeordnet wird, um eine Beschichtung 26 aufzubringen. In der Gießform kann bereits eine Mikrostruktur vorhanden sein, so dass nach dem Einfüllen des fließfähigen Materials für die Beschichtung 26 während des Aushärtens des Materials, die durch die Gießform vorgegebene mikrostrukturierte Oberfläche 28 an der Begrenzungsfläche 22 hergestellt wird.
Beim Betrieb der elektrischen Maschine 10 ist die mikrostrukturierte Oberfläche 28 dazu eingerichtet, Mikroturbulenzen bzw. Mikrowirbel zu erzeugen, wenn Luft L entlang der mikrostrukturierten Oberfläche 28 im Luftspalt 13 strömt. Dabei entstehen Mikroturbulenzen in der an der mikrostrukturierte Oberfläche 28 angrenzenden Luftschicht, wie es in der Prinzipskizze in 6 gezeigt ist. Die Wärmeabgabe vom Stator 12 in die Umgebung und mithin der Wärmeübergangskoeffizient α wird erhöht. Dadurch erhöhen sich auch die Raynoldszahl und/oder die Nusseltzahl und/oder die Prandtlzahl. Die im Stator 12 erzeugte Wärme kann verbessert an die Umgebung abgeführt werden, was zu einer Verringerung der thermischen Belastung des Stators 12 führt.
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine 10, deren Betrieb sowie ein Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Oberfläche 28 an einen Stator 12 und/oder einem Rotor 11 der elektrischen Maschine 10. In eine an einem Luftspalt 13 der elektrischen Maschine 10 angrenzende Begrenzungsfläche 22 wird eine Mikrostruktur eingebracht, insbesondere durch ein Material abtragendes Verfahren und/oder ein Umformverfahren. Alternativ kann die Mikrostruktur auch durch ein Urformverfahren erzeugt werden. Die in der Begrenzungsfläche 22 vorhandene Mikrostruktur bildet eine mikrostrukturierte Oberfläche 28 zur Erzeugung von Luftverwirbelungen im Luftspalt 13.
Bezugszeichenliste:

10: Elektrische Maschine
11: Rotor
12: Stator
13: Luftspalt
17: Wicklungsträger
18: Basisabschnitt
19: Zahn
20: Wicklungsnut
21: Kopf
22: Begrenzungsfläche
25: Wicklung
26: Luftverwirbelungsbeschichtung
27: Abschnitt
28: mikrostrukturierte Oberfläche
29: Trägermaterial
30: Partikel
31: Vertiefung
D: Drehachse
L: Luft
S1: erster Schritt
S2: zweiter Schritt
S3: dritter Schritt
S4: vierter Schritt
U: Umfangsrichtung
V: Verfahren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020101035 A1 [0002]
EP 3866308 A1 [0003]
EP 3565089 A1 [0004]

Claims

Elektrische Maschine (10), aufweisend: - einen Stator (12) und einen Rotor (11), die unter Bildung eines Luftspalts (13) mit Abstand zueinander angeordnet sind, - eine an den Luftspalt (13) angrenzende Begrenzungsfläche (22) des Stators (12) und/oder Rotors (11), die eine mikrostrukturierte Oberfläche (28) zur Erzeugung von Luftverwirbelungen in der Luft (L) aufweist, die im Luftspalt (13) entlang der mikrostrukturierten Oberfläche (28) strömt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche (28) in die Begrenzungsfläche (22) eingebrachte Vertiefungen (31) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei die Vertiefungen (31) durch einen Materialabtrag in einem die Begrenzungsfläche (22) aufweisenden Abschnitt (27) des Rotors (11) und/oder des Stators (12) gebildet sind, insbesondere durch Lasergravieren.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Begrenzungsfläche (22) an einer Beschichtung (26) des Rotors (11) und/oder des Stators (12) vorhanden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche (28) Vorsprünge aufweist, die durch in der Beschichtung (26) enthaltene Partikel (30) gebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem aufweisend einen Wicklungsträger (17) des Rotors (11) und/oder des Stators (12) mit mehreren nebeneinander angeordneten Zähnen (19), wobei wenigstens eine Wicklung (25) an den Zähnen (19) des Wicklungsträgers (17) angeordnet ist und sich zumindest abschnittsweise in zwischen den Zähnen (19) vorhandenen Wicklungsnuten (20) erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5 und nach Anspruch 6, wobei die Beschichtung (26) zumindest auf die dem Luftspalt (13) zugewandte Fläche jedes Zahns (19) abdeckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, wobei die Beschichtung (26) zumindest einen Teil der wenigstens einen Wicklung (25) abdeckt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Beschichtung (26) ein Überzugslack oder ein Tränklack ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei die Begrenzungsfläche (22) die dem Luftspalt (13) zugewandten Flächen der Zähne (19) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: - Erzeugen einer Luftströmung in einem Luftspalt (13) der elektrischen Maschine (10), - Erzeugen von Luftverwirbelungen benachbart zu der mikrostrukturierten Oberfläche (28).
Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Oberfläche (28) an einem Rotor (11) oder Stator (12) für eine elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren das Herstellen von Vertiefungen (31) an der dem Luftspalt (13) zugewandten Begrenzungsfläche (22) des Rotors (11) oder Stators (12) zur Erzeugung der Mikrostruktur in der Begrenzungsfläche (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Herstellen von Vertiefungen (31) in der Begrenzungsfläche (22) mittels eines Umformverfahrens und/oder eines materialabtragenden Verfahrens nach dem Herstellen der Begrenzungsfläche (22) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei deine Beschichtung (26) auf den Rotor (11) oder Stator (12) aufgebracht wird, die die Begrenzungsfläche (22) bildet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Beschichtung im nicht ausgehärteten Zustand aufgebracht wird und anschließend am Rotor (11) oder Stator (12) ausgehärtet wird.