DE102022111486B3

DE102022111486B3 - Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102022111486B3
Application number: DE102022111486.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Berendes; Vojo Miljanovic; Stefan Oechslen; Michael Kaiser; Johannes Kotzmann; Andreas Hausner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2042-05-10

Abstract

Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, wobei der Stützring ausgebildet ist, einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, der dem Abdichten eines Spalts zwischen einem Stator der elektrischen Maschine und einem Rotor derselben dient, axial neben einem Statorblechpaket des Stators der elektrischen Maschine abzustützen, mit einer Trägermatrix (30) aus einem Polymerwerkstoff, mit mehreren in die Trägermatrix (30) eingebetteten Lagen aus Fasern (31, 32), wobei jede Lage aus Fasern (31, 32) eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern (31, 32) ist, wobei die Fasern (31, 32) von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Lagen überkreuz verlaufen, vorzugsweise derart, dass ein radialer Wärmeausdehnungskoeffizient und vorzugsweise ein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings dem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets entspricht, wobei innerhalb jeder Lage aus Fasern (31, 32) eine einen Zuschnitt (11', 12') der jeweiligen Lage an einer ersten Seite begrenzende Faser (31, 32) spaltfrei an einer den Zuschnitt (11', 12') an einer zweiten Seite begrenzenden Faser (31, 32) anliegt, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß dieser Fasern (31, 32) der jeweiligen Lage parallel zur Richtung der Fasern (31, 32) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen solcher Stützringe.
Aus der Praxis bekannte elektrische Maschinen verfügen über einen Rotor und einen Stator. Der Rotor wird auch als Läufer und der Stator auch als Ständer bezeichnet. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist ein Spalt ausgebildet, wobei insbesondere bei direkt gekühlten elektrischen Maschinen in dem Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor ein Abdichtkörper angeordnet ist. Der Abdichtkörper verhindert, dass Kühlmittel ausgehend vom Stator über den Spalt in Richtung auf den Rotor strömt. Ein solcher Abdichtkörper, der im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor einer elektrischen Maschine angeordnet ist, kann als Spaltrohr oder als sogenannter Liner ausgeführt sein. Ein Spaltrohr ist als solches formstabil und wird in einem bereits ausgehärteten Zustand in dem Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet. Ein Liner wird dadurch ausgebildet, dass ein noch nicht ausgehärteter und noch nicht formstabiler Vorformling des Liners in einem Hohlraum eines Stators angeordnet und anschließend unter Ausbildung des Liners ausgehärtet wird, wobei dann der Liner typischerweise eine materialschlüssige Verbindung mit einem Statorblechpaket des Stators eingeht.
DE 10 2017 102 141 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem zwischen einem Stator und einem Rotor angeordneten Abdichtkörper.
DE 10 2020 106 798 A1 offenbart einen Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
DE 10 2020 205 287 A1 offenbart eine weitere elektrische Maschine mit einem als Spaltrohr ausgebildeten Abdichtkörper. Das Spaltrohr ist dabei aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt.
DE 10 2018 206 787 A1 offenbart eine weitere elektrische Maschine mit einem als Spaltrohr ausgebildeten Abdichtkörper. Das Spaltrohr besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern eine Gewebeschicht bilden.
DE 10 2020 117 266 A1 offenbart, dass insbesondere dann, wenn es sich bei dem Abdichtkörper um einen Liner handelt, die elektrische Maschine über Stützringe verfügt, die axial neben dem Statorblechpaket angeordnet sind und den Liner radial außen stützen. Handelt es sich beim Abdichtkörper um ein eigenstabiles Spaltrohr, kann auf solche Stützringe optional verzichtet werden.
EP 0 678 964 A1 offenbart einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, der zum Abdichten eines Spalts zwischen einem Stator der elektrischen Maschine und einem Rotor derselben ausgebildet ist, wobei der Abdichtkörper eine Trägermatrix aus einem Polymerwerkstoff und mindestens zwei in die Trägermatrix eingebetteten Lagen mit Fasern aufweist,
wobei innerhalb jeder Lage mit Fasern die jeweiligen Fasern durchgehend ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander verlaufen, und wobei die Fasern von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Lagen überkreuz verlaufen.
EP 2 293 417 A1 offenbart weiteren Stand der Technik.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuartigen Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen solcher Stützringe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch einen Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Stützring nach Anspruch 1 weist eine Trägermatrix aus einem Polymerwerkstoff und mehrere in die Trägermatrix eingebettete Lagen aus Fasern auf, wobei jede Lage aus Fasern eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern ist, und wobei die Fasern von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Lagen überkreuz verlaufen. Innerhalb jeder Lage liegt eine einen Zuschnitt der jeweiligen Lage an einer ersten Seite begrenzende Faser spaltfrei an einer den Zuschnitt an einer zweiten Seite begrenzenden Faser an, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß dieser Fasern parallel zur Richtung der Fasern verläuft.
Der Stützring nach Anspruch 1 verfügt über eine hohe mechanische Stabilität, eine gute Dichtheit und ist einfach herstellbar. Er eignet sich besonders vorteilhaft zur Abstützung eines als Liner ausgebildeten Abdichtkörpers an Enden des Abdichtkörpers, die gegenüber dem Statorblechpaket des Stators der elektrischen Maschine in Axialrichtung vorstehen.
Diese Aufgabe wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung durch einen Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 3 gelöst.
Der Stützring nach Anspruch 3 weist eine Trägermatrix aus einem Polymerwerkstoff und mehrere in die Trägermatrix eingebettete Lagen aus Fasern auf, wobei die Fasern der Lagen überkreuz verlaufen, derart, dass ein radialer Wärmeausdehnungskoeffizient und vorzugsweise ein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings dem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets des Stators entspricht. Innerhalb jeder Lage liegt eine einen Zuschnitt der jeweiligen Lage an einer ersten Seite begrenzende Faser spaltfrei an einer den Zuschnitt an einer zweiten Seite begrenzenden Faser an, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß dieser Fasern parallel zur Richtung der Fasern verläuft.
Der Stützring nach Anspruch 3 erlaubt eine besonders vorteilhafte Abstützung eines Abdichtkörpers einer elektrischen Maschine an dem Statorblechpaket des Stators und den Stützringen.
Vorzugsweise kommen beide Aspekte der Erfindung in Kombination miteinander an einem Stützring zum Einsatz.
Vorzugsweise verlaufen innerhalb jeder Lage aus Fasern die jeweiligen Fasern durchgehend ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander. Dies ist besonders bevorzugt, um bei der Herstellung der Stützringe der Ausbildung von Lufteinschlüssen entgegenzuwirken und den jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszubilden. Der jeweilige Stützring weist eine besonders vorteilhafte mechanische Stabilität und Dichtheit auf.
Das Verfahren zum Herstellen der Stützringe ist in Anspruch 5 definiert.
Das Verfahren umfasst mit zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen mindestens eines Faserhalbzeugs aus Fasern. Zuschneiden des mindestens einen Faserhalbzeugs unter Ausbildung von mehreren Zuschnitten. Aufrollen oder Aufwickeln mehrerer Zuschnitte auf einem zylindrischen Wickelkörper. Aushärten der aufgerollten oder aufgewickelten Zuschnitte auf dem Wickelkörper unter Ausbildung eines Stützringrohrs. Abtrennen der Stützringe vom Stützringrohr durch Durchtrennen des Stützringrohrs in Radialrichtung desselben.
Die obigen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erlauben eine besonders vorteilhafte Herstellung von erfindungsgemäßen Stützringen. Die Stützringe sind automatisiert herstellbar.
Vorzugsweise wird vor dem Aufrollen eines ersten Zuschnitts auf dem zylindrischen Wickelkörper ein Fertigungshilfsmittel, insbesondere eine Folie aus Kunststoff oder ein Schrumpfschlauch aus Kunststoff, auf dem Wickelkörper angeordnet, wobei die Zuschnitte erst anschließend auf dem Fertigungshilfsmittel aufgewickelt oder aufgerollt werden. Die Anordnung des Fertigungshilfsmittels auf dem Wickelkörper vor dem Aufwickeln oder Aufrollen der Zuschnitte ist besonders von Vorteil, um nach dem Aushärten der Zuschnitte die Trennung des Stützringrohrs oder abgetrennter Stützringe vom Wickelkörper zu erleichtern und eine Beschädigung desselben hierbei zu vermeiden.
Das Abtrennen der Stützringe vom Stützringrohr kann dann erfolgen, wenn entweder das Stützringrohr auf dem Wickelkörper angeordnet ist, alternativ nach dem Entfernen des Stützringrohrs vom Wickelkörper. Zur Vermeidung oder Reduzierung einer Beschädigungsgefahr des Stützringrohrs beim Abtrennen der Stützringe vom Stützringrohr erfolgt das Abtrennen vorzugsweise dann, wenn das Stützringrohr auf dem Wickelkörper angeordnet ist.
Der Wickelkörper kann dann, wenn das Trennen der Stützringe vom Stützringrohr auf dem Wickelkörper erfolgt, an den Trennstellen für das Stützringrohr Nuten für ein Schneidwerkzeug aufweisen.
Vorzugsweise wird zum Entfernen des Stützringrohrs von dem Wickelkörper oder zum Entfernen der vom Stützringrohr abgetrennten Stützringe vom Wickelkörper Druckluft zwischen den Wickelkörper und das Stützringrohr oder die Stützringe, insbesondere zwischen den Wickelkörper und das Fertigungshilfsmittel, eingebracht. Hiermit kann die Beschädigungsgefahr für das ausgehärtete Stützringrohr oder für die Stützringe beim Entfernen vom Wickelkörper weiter reduziert werden.
Vorzugsweise werden die Zuschnitte auf einem segmentierten Wickelkörper aufgewickelt oder aufgerollt und ausgehärtet. So ist es möglich, nach dem Aushärten der Zuschnitte und damit nach Ausbildung des Stützringrohrs den Wickelkörper segmentweise unter Reduzierung benötigter Kräfte vom Stützringrohr oder den bereits abtrennten Stützringen zu entfernen. Hiermit kann die Beschädigungsgefahr für das Stützringrohr oder die Stützringe beim Entfernen vom Wickelkörper weiter reduziert werden.
Vorzugsweise werden die Zuschnitte derart aufgerollt oder aufgewickelt, dass jede Lage von einem einzigen Zuschnitt gebildet ist, und dass innerhalb jeder Lage eine den Zuschnitt an einer ersten Seite begrenzende Faser spaltfrei an einer den Zuschnitt an einer zweiten Seite begrenzenden Faser anliegt, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß der Fasern parallel zur Richtung der Fasern verläuft. Hiermit ist eine besonders bevorzugte, einfache und prozesssichere Herstellung der Stützringe möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Anordnung aus zwei Faserhalbzeugen zusammen mit einem Schneidwerkzeug zur Verdeutlichung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Stützringen für Abdichtkörper elektrischer Maschinen;
2 einen Ausschnitt aus der Anordnung der 1 mit einem Abziehwerkzeug;
3 den Ausschnitt der 2 mit einem Wickelkörper,
4 den Ausschnitt der 2, 3 mit dem Abziehwerkzeug und dem Wickelkörper;
5 den Wickelkörper zusammen mit einer Aushärteeinrichtung;
6 ein ausgehärtes Stützringrohr zusammen mit einem weiteren Schneidwerkzeug; und
7 mehrere vom Stützringrohr abgetrennte Stützringe.

Die Erfindung betrifft einen Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen solcher Stützringe.
Ein Abdichtkörper dient der Abdichtung eines Spalts zwischen einem Stator einer elektrischen Maschine und einem Rotor der elektrischen Maschine, um insbesondere bei direkt gekühlten elektrischen Maschinen zu verhindern, dass Kühlmittel, welches zur Direktkühlung von Statorwicklungen dient, über den Spalt in Richtung auf den Rotor der elektrischen Maschine strömt. Bei dem Abdichtkörper kann es sich sowohl um einen Liner als auch um ein Spaltrohr handeln. Die Stützringe dienen der Abstützung des Abdichtkörpers an seinen axialen Enden, mit welchen derselbe nicht an einem Statorblechpaket des Stators anliegt, sondern vielmehr aus dem Statorblechpaket vorsteht. Die Stützringe können dabei sowohl einen als Liner als auch einen als Spaltrohr ausgebildeten Abdichtkörper radial außen stützen, wobei die Verwendung der Stützringe bei einem Liner zwingend und bei einem Spaltrohr optional ist.
Ein erfindungsgemäßer Stützring 29 verfügt über eine Trägermatrix 30 aus einem Polymerwerkstoff sowie über mehrere in die Trägermatrix 30 aus dem Polymerwerkstoff eingebettete Lagen aus Fasern 31, 32. Bei den Fasern 31, 32 kann es sich zum Beispiel um Kohlestofffasern oder auch um Glasfasern um handeln.
Jede Lage aus Fasern 31, 32 ist eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern 31, 32. Die Fasern 31, 32 innerhalb jeder Lage bilden demnach weder ein Gewebe noch ein Gewirk.
Die Fasern 31, 32 von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Lagen verlaufen überkreuz (siehe 5, Detail I). Vorzugsweise verlaufen die Fasern 31, 32 sämtlicher unmittelbar benachbarter Lagen überkreuz.
Ein Stützring 29 verfügt vorzugsweise über mindestens vier oder mindestens acht Lagen, jeweils bestehend aus Trägermatrix 30 und aus Fasern 31, 32.
Dann, wenn der Stützring 29 über eine ungerade Anzahl an Lagen verfügt, zum Beispiel über fünf oder sieben oder neun Lagen, verlaufen die Fasern 31, 32 aller unmittelbar benachbarter Lagen, die in Radialrichtung des Stützring 29 gesehen übereinander angeordnet sind, überkreuz zueinander.
Dann, wenn der Stützring 29 eine gerade Anzahl an Lagen aufweist, Beispiel über sechs oder acht oder zehn oder zwölf Lagen, kann sowohl ein asymmetrischer Aufbau als auch ein symmetrischer Aufbau für den Stützring 29 in Radialrichtung gesehen gewählt werden, wobei bei einem asymmetrischen Aufbau die Fasern 31, 32 aller unmittelbar benachbarter Faserlagen jeweils überkreuz verlaufen, wohingegen bei einem symmetrischen Aufbau bis auf die Fasern der beiden unmittelbar benachbarten inneren Lagen die Fasern 31, 32 aller unmittelbar benachbarten Lagen überkreuz verlaufen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher innerhalb jeder Lage die jeweiligen Fasern 31, 32 durchgehend und demnach durchtrennungslos ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander verlaufen. Die Fasern 31, 32 sind dabei lediglich an sich gegenüberliegenden Rändern eines Zuschnitts für die jeweilige Lage aus Fasern, der sich quer zur Längserstreckung der Fasern 31, 32 erstreckt, beschnitten. Innerhalb jeder Lage erstrecken sich die durchgehenden Fasern 31, 32 ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander. Jede Lage verfügt demnach vorzugsweise über unidirektionale, durchgehende Fasern 31, 32.
Jede Lage ist vorzugsweise von einem entsprechenden Zuschnitt der jeweiligen Lage gebildet. Dabei liegt eine den jeweiligen Zuschnitt an einer ersten Seite der jeweiligen Lage begrenzende Faser 31, 32 spaltfrei an einer den Zuschnitt an einer zweiten Seite begrenzenden Fasern 31, 32 an. Ein hierbei ausgebildeter Stoß dieser Fasern 31, 32 verläuft parallel zur Richtung der Fasern 31, 32.
Ein solcher Stützring 29 verfügt über eine hohe mechanische Stabilität und ist dicht. Ein solcher Stützring 29 kann einen Abdichtkörper wie einen Liner vorteilhaft stützen.
Ferner besteht keine Gefahr, dass über den Stützring 29 Flüssigkeit strömt. Dadurch, dass jede Lage eine gewebelose oder gewirklose Anordnung aus Fasern 31, 32 ist, besteht keine Gefahr, dass sich bei der Herstellung des Stützrings 29 Lufteinschlüsse, Poren oder Hohlräume ausbilden.
Die Dicke oder die Anzahl an Lagen des Stützrings 29 beträgt vorzugweise das 1-fache bis 5-fache, insbesondere das 3-fache bis 5-fache, der Dicke oder der Anzahl an Faserlagen eines abzustützenden Abdichtkörpers.
Besonders bevorzugt verlaufen die Fasern 31, 32 der Lagen derart überkreuz, dass zumindest ein radialer Wärmeausdehnungskoeffizient und vorzugsweise auch ein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings 29 dem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets des Stators entspricht.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen solcher Stützringe 29 für Abdichtkörper von elektrischen Maschinen. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

Bereitstellen mindestens eines Faserhalbzeugs 11, 12 aus Fasern 31, 32, wobei innerhalb jedes Faserhalbzeugs 11, 12 die Fasern 31, 32 vorzugsweise durchgehend ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander verlaufen.

Innerhalb jedes Faserhalbzeugs 11, 12 bilden die Fasern eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern 31, 32.
Zuschneiden des mindestens einen Faserhalbzeugs 11, 12 unter Ausbildung von mehreren Zuschnitten 11', 12'. Innerhalb jedes Zuschnitts 11', 12' verlaufen die Fasern 31, 32 wiederum durchgehend ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander. Die Fasern 31, 32 sind lediglich an den Rändern, an welchen der Beschnitt des Faserhalbzeugs 11, 12 erfolgt, durchtrennt.
Aufrollen oder Aufwickeln von mehreren Zuschnitten 11 `, 12', vorzugsweise von mindestens vier oder mindestens acht Zuschnitten 11', 12', auf einen zylindrischen Wickelkörper 24, wobei jede Lage aus Fasern 31, 32 eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern 31, 32 ist.
Aushärten der aufgerollten oder aufgewickelten Zuschnitte 11', 12' auf dem Wickelkörper 24 unter Ausbildung eines Stützringrohrs 27.
Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 durch Durchtrennen des Stützringrohrs 27 in radialer Richtung desselben.
Das Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 kann nach einem Entfernen des Stützringrohrs 27 von dem Wickelkörper 24 erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt das Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 dann, wenn das Stützringrohr 27 noch auf dem Wickelkörper 24 angeordnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben.
1 zeigt einen Fertigungstisch 10, der bei der Herstellung der Stützringe 29 zum Einsatz kommt. In 1 sind auf dem Fertigungstisch 10 zwei Faserhalbzeuge 11, 12 bereitgehalten, wobei jedes dieser Faserhalbzeuge 11, 12 jeweils eine gewirklose und gewebelose Anordnung aus sich in einer einzigen Richtung erstreckenden und parallel zueinander verlaufenden Fasern 31, 32 aufweist. Die Gerade 13 visualisiert eine Faserrichtung der Fasern 31 des Faserhalbzeugs 11, eine Gerade 14 visualisiert eine Faserrichtung der Fasern 32 des Faserhalbzeugs 12. Die beiden Geraden 13, 14 können einen beliebigen Winkel einschließen.
In 1 sind lediglich für das Faserhalbzeug 12 die Fasern 32 in gestrichelter Linienführung gezeigt. Im Zustand der 1 sind die Fasern 31, 32 des jeweiligen Faserhalbzeugs 11, 12 von einer oberen Schutzfolie 22 bedeckt.
1 zeigt im Bereich des Faserhalbzeugs 11 Ansauglöcher 15 des Fertigungstischs 10, über welche das Faserhalbzeug 11 angesaugt und exakt ausgerichtet werden kann, nämlich für eine nachfolgende Bearbeitung desselben.
Zur exakten Ausrichtung dienen ferner in 1 gezeigte Anschläge 16, 17, wobei der Anschlag 16 mit einer Vorderkante des Faserhalbzeugs 11 und der Anschlag 17 mit einer Seitenkante des Faserhalbzeugs 11 zusammenwirkt. Obwohl nicht gezeigt, weist der Fertigungstisch 10 auch für das Faserhalbzeug 12 derartige Ansaugöffnungen 15 und Anschläge 26, 27 auf.
1 zeigt weiterhin eine einen Roboterarm 18 aufweisende Handhabungseinrichtung 19. In 1 trägt der Roboterarm 18 der Handhabungseinrichtung 19 eine Schneideinrichtung 20, wobei mithilfe der Schneideinrichtung 20 von dem Faserhalbzeug 11, 12 Zuschnitte 11', 12' abgetrennt werden.
Bei der Ausbildung der Zuschnitte 11', 12' werden die Fasern 31, 32 des jeweiligen Faserhalbzeugs 11, 12 an zwei sich gegenüberliegenden Rändern beschnitten, wobei diese Ränder schräg zur Faserrichtung 13, 14 des jeweiligen Faserhalbzeugs 11, 12 verlaufen.
Beim Faserhalbzeug 11, 12 handelt es sich um ein Prepreg-Halbzeug, zum Beispiel um ein Glasfaser-Prepreg oder um ein Kohlestofffaser-Prepreg, bei welchem die Fasern 31, 32 in einer Trägermatrix 30 aus einem nicht ausgehärteten Polymerwerkstoff eingebettet sind. Das Faserhalbzeug 11, 12 kann dabei als Prepreg-Rolle bereitgehalten werden, alternativ auch als Prepreg-Zuschnitt, jeweils mit einem Gelege aus unidirektionalen Fasern 31, 32, die weder ein Gewirk noch ein Gewebe ausbilden.
In 2 ist ein Ausschnitt des Fertigungstischs 10 mit einem Zuschnitt 11' des Faserhalbzeugs 11 zusammen mit der Handhabungseinrichtung 19 und dem Roboterarm 18 gezeigt. In 2 trägt der Roboterarm 18 ein Werkzeug 21, mit Hilfe dessen vom Zuschnitt 11' die obere Schutzfolie 22 vom eigentlichen Prepreg 23 und damit einer klebenden Seite des Zuschnitts 11 abgezogen werden kann.
Bei diesem Abziehvorgang kann ein Kältemittel, insbesondere ein Kältespray, wie zum Beispiel ein CO₂ Kältespray, genutzt werden, um örtlich die Klebrigkeit des Prepregs 23 zu reduzieren und die Anhaftung der oberen Schutzfolie 22 an dem Prepreg 23 und damit der klebenden Oberseite des Zuschnitts 11' zu reduzieren. Bei dem Werkzeug 21 kann es sich um einen Saugnapf oder dergleichen handeln.
Nachfolgend wird gemäß 4 der Zuschnitt 11' auf einem Wickelkörper 24, der vom Roboterarm 18 der Handhabungseinrichtung 19 getragen wird, aufgewickelt oder aufgerollt. Bei diesem Aufwickelvorgang oder Aufrollvorgang wird der Wickelkörper 24 rotatorisch um seine Drehachse 33 bewegt, insbesondere kann hierbei der Wickelkörper 24 auch senkrecht zu seiner Drehachse 33 translatorisch verlagert werden. 3 zeigt den Wickelkörper 24 beim Aufwickeln eines ersten Zuschnitts 11' auf demselben. Gemäß 3 verfügt der Wickelkörper 24 über Saugbohrungen 25, über die der aufzuwickelnde Zuschnitt 11' beim Aufwickelvorgang oder Aufrollvorgang angesaugt werden kann.
Vor dem Aufwickeln oder Aufrollen eines ersten Zuschnitts 11' auf dem Wickelkörper 24 kann ein nicht gezeigtes Fertigungshilfsmittel auf dem Wickelkörper 24 angeordnet werden. Bei diesem Fertigungshilfsmittel kann es sich zum Beispiel um eine Folie aus Kunststoff oder um einen Schrumpfschlauch aus Kunststoff handeln, der auf der Oberfläche des Wickelkörpers 24 angeordnet wird. In diesem Fall werden dann erst anschließend hieran Zuschnitte 11', 12' lagenweise auf dem Fertigungshilfsmittel aufgewickelt oder aufgerollt.
Nach dem Aufwickeln oder Aufrollen des ersten Zuschnitts 11' auf dem Wickelkörper 24 wird gemäß 4 von einer zweiten Seite des Zuschnitts 11', nämlich von seiner zunächst auf dem Fertigungstisch 10 positionierten und nicht zugänglichen Unterseite, die im in 4 aufgewickelten Zustand nunmehr radial außen positioniert ist, eine weitere Schutzfolie 22 abgezogen.
Dieser Abziehvorgang erfolgt vorzugsweise wiederum über das in 2 gezeigte, insbesondere als Saugnapf ausgebildete Werkzeug 21, welches dann von einem weiteren Roboterarm 18` der Handhabungseinrichtung 19 getragen wird. Hierbei kann wiederum ein Kältemittel, wie zum Beispiel CO₂, genutzt werden, um örtlich die Klebrigkeit des Prepregs 23 zu reduzieren und die Anhaftung der unteren Schutzfolie 22 an dem Prepreg 23 zu reduzieren.
Im Anschluss hieran können die Verfahrensschritte der 2 und 3 so oft wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl an Zuschnitten 11', 12' aufgewickelt wurde und demnach die gewünschte Anzahl an Lagen auf dem Wickelkörper 24 angeordnet ist.
Wie bereits oben ausgeführt, werden dabei die Zuschnitte 11', 12' unmittelbar benachbarter Lagen derart aufgewickelt, dass sich die Fasern 31, 32 derselben kreuzen.
Vorzugsweise werden mehrere erste Zuschnitte 11' in einer ersten Orientierung derart bereitgestellt, dass die Fasern 31 derselben beim Aufwickeln oder Aufrollen auf dem Wickelkörper 24 einen ersten Winkel mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen. Mehrere zweite Zuschnitte 12' werden in einer zweiten Orientierung derart bereitgestellt, dass die Fasern 32 derselben beim Aufwickeln oder Aufrollen auf dem Wickelkörper 24 einen zweiten Winkel mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen. Der erste Winkel und der zweite Winkel sind in entgegengesetzte Richtung geneigt.
Der erste Winkel und der zweite Winkel können betragsmäßig gleich groß oder unterschiedlich groß sein.
Jede Lage aus Fasern 31, 32 kann beim Aufwickeln oder Aufrollen auf dem Wickelkörper 24 betragsmäßig einen individuellen Winkel mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen.
Die ersten Zuschnitte 11' werden in der ersten Orientierung auf dem Wickelkörper 24 aufgewickelt oder aufgerollt. Die zweiten Zuschnitte 12' werden in der zweiten Orientierung auf dem Wickelkörper 24 aufgewickelt oder aufgerollt. Vorzugsweise werden wechselweise erste Zuschnitte 11' und zweite Zuschnitte 12' auf dem Wickelkörper 24 aufgewickelt oder aufgerollt, derart, dass die Fasern 31, 32 aller unmittelbar benachbarter Lagen, die von den Zuschnitten gebildet sind, überkreuz verlaufen. Jede Lage wird von einem einzigen Zuschnitt 11', 12` gebildet.
Vorzugsweise werden die Zuschnitte 11', 12' derart aufgerollt oder aufgewickelt, dass innerhalb jeder Lage eine den Zuschnitt 11', 12' an einer ersten Seite begrenzende Faser 31, 32 spaltfrei an einer den Zuschnitt 11', 12' an einer zweiten Seite begrenzenden Faser 31, 32 anliegt, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß der Fasern 31, 32 parallel zur Richtung der Fasern 31, 32 verläuft.
Es ist möglich, dass die Fasern 31 einer ersten Lage bzw. eines ersten Zuschnitts 11' einen ersten Winkel zwischen +6° und +10°, insbesondere einen Winkel von +8±1 °, mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen, dass die Fasern 32 einer auf der ersten Lage angeordneten zweiten Lage bzw. eines zweiten Zuschnitts 12' einen zweiten Winkel zwischen -6° und -10°, insbesondere einen Winkel von -8±1°, mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen, dass die Fasern 31 einer auf der zweiten Lage angeordneten weiteren ersten Lage bzw. eines weiteren ersten Zuschnitts 11' einen ersten Winkel zwischen +80° und +85°, insbesondere einen Winkel von +82±1 ° oder +83±1°, mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen, und dass die Fasern 32 einer auf der weiteren ersten Lage angeordneten weiteren zweiten Lage bzw. eines weiteren zweiten Zuschnitts 12' einen zweiten Winkel zwischen -80° und -85°, insbesondere einen Winkel von -82±1° oder +83±1°, mit der Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 einschließen, jeweils beim Aufwickeln oder Aufrollen auf dem Wickelkörper 24.
Diese Anordnung aus vier Lagen kann dann einmal oder zweimal zur Bereitstellung von acht oder zwölf Lagen wiederholt werden. Hierdurch lässt sich der radiale Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings 29 und vorzugsweise auch der axiale Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings 29 an den jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets anpassen.
Insbesondere weisen jeweils zwei unmittelbar benachbarte Lagen aus Fasern 31, 32 einen betragsmäßig gleich großen jedoch in unterschiedliche Richtungen zur Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 geneigten Winkel für die Richtung der Fasern 31, 32 auf. Die Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 entspricht einer Längsachse des Stützrings 29 und damit des Stützringrohrs 27. Überall, dort, wo auf die Drehachse 33 des Wickelkörpers 24 Bezug genommen wird, kann auch auf die Längsachse des Stützrings 29 oder des Stützringrohrs 27 Bezug genommen werden.
Nachdem sämtliche Zuschnitte 11', 12' und demnach sämtliche Lagen aus Fasern 31, 32 auf dem Wickelkörper 24 aufgewickelt oder aufgerollt wurden, erfolgt nachfolgend ein Aushärten der auf dem Wickelkörper 24 aufgewickelten oder aufgerollten Zuschnitte 11', 12', wobei dem Detail I der 5 entnommen werden kann, dass sich die Fasern 31, 32 unmittelbar benachbarter Lagen bzw. unmittelbar benachbarter Zuschnitte 11', 12' kreuzen.
Zum Aushärten der auf dem Wickelkörper 24 aufgewickelten oder aufgerollten Zuschnitte 11', 12' werden dieselben zusammen mit dem Wickelkörper 24 vorzugsweise in einem Ofen 26 angeordnet. Bei dem Ofen 26 handelt es sich vorzugsweise um einen Autoklav oder Umluftofen. Unter Erhitzung der auszuhärtenden Zuschnitte 11', 12' werden dieselben im Ofen 26 ausgehärtet. Während der Aushärtung kann der Wickelkörper 24 gedreht werden.
Nach dem Aushärten der aufgerollten Zuschnitte 11', 12' auf dem Wickelkörper 24 können die ausgehärteten Zuschnitte 11', 12', die ein Stützringrohr 27 ausbilden, vom Wickelkörper 24 unter Bereitstellung des Stützringrohrs 27 entfernt werden. Das Stützringrohr 27 ist eigenstabil bzw. formstabil.
Vorzugsweise wird zum Entfernen der ausgehärteten Zuschnitte 11', 12' und damit des Stützringrohrs 27 von dem Wickelkörper 24 Druckluft zwischen den Wickelkörper 24 und das Stützringrohr 27, insbesondere zwischen den Wickelkörper 24 und das Fertigungshilfsmittel eingebracht. Die Druckluft kann über Löcher im Wickelkörper 24, vorzugsweise über die oben beschriebenen Saugbohrungen 25, aufgebracht werden. Hiermit kann die Beschädigungsgefahr für das ausgehärtete Stützringrohr 27 beim Entfernen desselben vom Wickelkörper 24 reduziert werden.
Vorzugsweise werden die Zuschnitte 11', 12' auf einem segmentierten Wickelkörper 24 aufgewickelt oder aufgerollt und ausgehärtet. So ist es möglich, nach dem Aushärten der Zuschnitte 11', 12' und damit des Stützringrohrs 27 den Wickelkörper 24 segmentweise unter Reduzierung benötigter Kräfte vom Stützringrohr 27 zu entfernen. Hiermit kann die Beschädigungsgefahr für das ausgehärtete Stützringrohr 27 beim Entfernen desselben vom Wickelkörper 24 weiter reduziert werden.
Vorzugsweise sind zwischen den Segmenten eines segmentierten Wickelkörpers 24 Nuten ausgebildet. In diesem Fall ist es dann vorteilhaft möglich, die Stützringe 29 bereits dann vom Stützringrohr 27 abzutrennen, wenn das Stützringrohr 27 noch auf dem Wickelkörper 24 angeordnet ist. Das Schneidwerkzeug 28 kann dann beim Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 in die Nuten des Wickelkörpers 24 eindringen.
Das Stützringrohr 27 wird mithilfe der Handhabungseinrichtung 19 bearbeitet, und zwar zumindest derart, dass das Stützringrohr 27 mithilfe der Schneideinrichtung 28 in Segmente getrennt wird, wobei die Segmente einzelne Stützringe 29 bilden.
Vor dem Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 und/oder nach dem Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 kann eine weitere mechanische Bearbeitung erfolgen, wie ein Aufrauen späterer Klebeflächen der Stützringe 29.
Falls erforderlich, wird vor dem Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 das Fertigungshilfsmittel von einer Innenkontur oder Innenwand des Stützringrohrs 27 entfernt. Dann, wenn die Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 auf dem Wickelkörper 24 abgetrennt werden, erfolgt das Entfernen des Fertigungshilfsmittels nach dem Abtrennen der Stützringe 29 vom Stützringrohr 27 und nach dem Entfernen derselben vom Wickelkörper 24.

Claims

Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, wobei der Stützring (29) ausgebildet ist, einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, der dem Abdichten eines Spalts zwischen einem Stator der elektrischen Maschine und einem Rotor derselben dient, axial neben einem Statorblechpaket des Stators der elektrischen Maschine abzustützen, gekennzeichnet durch eine Trägermatrix (30) aus einem Polymerwerkstoff, mehrere in die Trägermatrix (30) eingebettete Lagen aus Fasern (31, 32), wobei jede Lage aus Fasern (31, 32) eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern (31, 32) ist, wobei die Fasern (31, 32) von mindestens zwei unmittelbar benachbarten Lagen überkreuz verlaufen, innerhalb jeder Lage aus Fasern (31, 32) eine einen Zuschnitt (11', 12') der jeweiligen Lage an einer ersten Seite begrenzende Faser (31, 32) spaltfrei an einer den Zuschnitt (11', 12') an einer zweiten Seite begrenzenden Faser (31, 32) anliegt, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß dieser Fasern (31, 32) der jeweiligen Lage parallel zur Richtung der Fasern (31, 32) verläuft.
Stützring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (31, 32) der Lagen so überkreuz verlaufen, dass ein radialer und ein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings (29) dem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets entspricht.
Stützring für einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, wobei der Stützring (29) ausgebildet ist, einen Abdichtkörper einer elektrischen Maschine, der dem Abdichten eines Spalts zwischen einem Stator der elektrischen Maschine und einem Rotor derselben dient, axial neben einem Statorblechpaket des Stators der elektrischen Maschine abzustützen, gekennzeichnet durch eine Trägermatrix (30) aus einem Polymerwerkstoff, mehrere in die Trägermatrix (30) eingebettete Lagen aus Fasern (31, 32), wobei die Fasern (31, 32) der Lagen derart überkreuz verlaufen, dass ein radialer Wärmeausdehnungskoeffizient und ein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings (29) dem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets entspricht, wobei innerhalb jeder Lage aus Fasern (31, 32) eine einen Zuschnitt (11', 12') der jeweiligen Lage an einer ersten Seite begrenzende Faser (31, 32) spaltfrei an einer den Zuschnitt (11', 12') an einer zweiten Seite begrenzenden Faser (31, 32) anliegt, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß dieser Fasern (31, 32) der jeweiligen Lage parallel zur Richtung der Fasern (31, 32) verläuft.
Stützring nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jeder Lage aus Fasern (31, 32) die jeweiligen Fasern (31, 32) durchgehend ausschließlich in einer einzigen Richtung und damit parallel zueinander verlaufen.
Verfahren zum Herstellen von Stützringen (29) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit zumindest folgenden Schritten: Bereitstellen mindestens eines Faserhalbzeugs (11, 12) aus einer Trägermatrix (30) und Fasern (31, 32), Zuschneiden des mindestens einen Faserhalbzeugs (11, 12) unter Ausbildung von mehreren Zuschnitten (11', 12'), Aufrollen oder Aufwickeln der Zuschnitte (11', 12') auf einem zylindrischen Wickelkörper (24), Aushärten der aufgerollten oder aufgewickelten Zuschnitte (11', 12') auf dem Wickelkörper (24) unter Ausbildung eines Stützringrohrs (27), Abtrennen der Stützringe (29) vom Stützringrohr (27) durch Durchtrennen des Stützringrohrs (27) in Radialrichtung desselben.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschnitte derart aufgewickelt oder aufgerollt werden, dass die Fasern der gebildeten Lagen so überkreuz verlaufen, dass ein radialer Wärmeausdehnungskoeffizient und ein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient des Stützrings dem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Statorblechpakets des Stators entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jeder Lage aus Fasern (31, 32) dieselben eine gewebelose und gewirklose Anordnung aus Fasern (31, 32) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufrollen oder Aufwickeln eines ersten Zuschnitts auf dem zylindrischen Wickelkörper (24) ein Fertigungshilfsmittel, eine Folie aus Kunststoff oder ein Schrumpfschlauch aus Kunststoff, auf dem Wickelkörper (24) angeordnet wird, und dass erst anschließend die Zuschnitte (11', 12') auf dem Fertigungshilfsmittel aufgerollt oder aufgewickelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen des Stützringrohrs (27) oder von vom Stützringrohr (27) abgetrennter Stützringe (29) von dem Wickelkörper (24) Druckluft zwischen den Wickelkörper (24) und das Stützringrohr oder die Stützringe, zwischen den Wickelkörper (24) und das Fertigungshilfsmittel, eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschnitte (11', 12') derart aufgerollt oder aufgewickelt werden, dass jede Lage von einem einzigen Zuschnitt (11', 12') gebildet ist, innerhalb jeder Lage eine den Zuschnitt (11', 12') an einer ersten Seite begrenzende Faser (31, 32) spaltfrei an einer den Zuschnitt (11', 12') an einer zweiten Seite begrenzenden Faser (31, 32) anliegt, wobei ein hierbei ausgebildeter Stoß der Fasern (31, 32) parallel zur Richtung der Fasern (31, 32) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Zuschnitte (11') in einer jeweiligen Orientierung derart bereitgestellt werden, dass die Fasern (31) derselben einen ersten Winkel mit einer Drehachse (33) des Wickelkörpers (24) einschließen, mehrere zweite Zuschnitte (12') in einer jeweiligen Orientierung derart bereitgestellt werden, dass die Fasern (32) derselben einen zweiten Winkel mit der Drehachse (33) des Wickelkörpers (24) einschließen, der erste Winkel und der zweite Winkel in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Zuschnitte (11') in der ersten Orientierung auf dem zylindrischen Wickelkörper (24) aufgewickelt oder aufgerollt werden, die zweiten Zuschnitte (12') in der zweiten Orientierung auf dem zylindrischen Wickelkörper (24) aufgewickelt oder aufgerollt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (24) beim Aufwickeln der Zuschnitte (11', 12') rotatorisch um seine Drehachse (33) bewegt wird.