DE102022208880A1

DE102022208880A1 - Elektromotor und Verfahren zur Montage eines Isolierelements in dem Elektromotor

Info

Publication number: DE102022208880A1
Application number: DE102022208880.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hoffmann; Stephan Gaertner; Steffen Buhl; Jochen Wessner; Markus Pechinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere für eine Gasfördervorrichtung, mit einem Stator (28) und einem Rotor (26), der vom Stator (28) umgeben ist, wobei der Stator (28) einen Statorabschnitt (34) mit Statorwicklungen (36) aufweist und wobei zwischen den Statorwicklungen (36) und dem Rotor (26) eine elektrische Isolierung (40; 50) vorgesehen ist. Die elektrische Isolierung umfasst wenigstens ein elastisch oder plastisch verformbares, schlauchfömiges Isolierelement (40), das zumindest bereichsweise an den Statorwicklungen (36) anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Montage eines Isolierelements in einem Eektromotor gemäß dem Anspruch 9.
Stand der Technik
Ein solcher Elektromotor zum Antrieb einer Gasfördervorrichtung in Form eines Luftverdichters für ein Brennstoffzellensystem ist durch die DE 10 2018 201 162 A1 bekannt. Dieser Luftverdichter weist ein mit einem Rotor verbundendes Verdichterrad auf, wobei der Rotor durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor weist einen den Rotor umgebenden Stator auf, wobei der Stator einen Statorabschnitt mit Statorwicklungen aufweist. Zwischen den Statorwicklungen und dem Rotor ist eine elektrische Isolierung vorgesehen, die beispielsweise als Vergussmasse ausgeführt ist. Die Vergussmasse wird in flüssigem oder plastischem Zustand aufgebracht und härtet anschließend aus. Nach dem Aushärten kann die Vergussmasse verspröden und es können sich Risse in dieser bilden, insbesondere nach längerem Betrieb des Elektromotors infolge der auftretenden Temperaturwechsel, so dass die elektrische Isolierung unter Umständen nicht mehr ausreichend gewährleistet ist.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Elektromotor hat demgegenüber den Vorteil, dass durch das wenigstens eine Isolierelement eine ausreichende elektrische Isolierung über eine lange Betriebsdauer sichergestellt ist, da bei diesem infolge seiner elastischen oder plastischen Verformbarkeit keine Rissbildung auftritt.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ist die Haltbarkeit des Isolierelements weiter verbessert. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist nur ein einziges Isolierelement erforderlich. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 6 ist die Haftung des Isolierelements an den Statorwicklungen und/oder einer Vergussmasse verbessert. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 7 ist die Haftung des Isolierelements an den Statorwicklungen weiter verbessert. Durch das Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10 ist eine einfache Montage des Isolierelements ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer als Luftverdichter ausgeführten Gasfördervorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des Luftverdichters im Bereich eines Elektromotors von 1 in einem Längsschnitt mit verschiedenen Ausführungsbeispielen eines Isolierelements;
3 das Isolierelement in einem Ausgangszustand vor dessen Montage in einem Stator;
4 das Isolierelement mit einem in dieses eingeführten Werkzeug;
5 den Stator mit in diesem eingeführtem Isolierelement;
6 den Stator mit in diesem angeordnetem Isolierelement in durch das Werkzeug aufgeweitetem Zustand; und
7 den Stator mit in diesem angeordnetem Isolierelement und eingebrachter Vergussmasse.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist in vereinfachter schematischer Weise ein Brennstoffzellensystem beispielsweise für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstack 10 auf, dem über ein Anodensystem 12 Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und über ein Kathodensystem 14 Oxidationsmittel, insbesondere Luft, zugeführt wird. Das Kathodensystem 14 weist eine Gasfördervorrichtung 16 in Form eines Luftverdichters auf, durch den dem Brennstoffzellenstack Luft in der für den jeweiligen Betriebszustand erforderlichen Menge mit dem erforderlichen Druck zugeführt wird. Der Luftverdichter 16 weist wie in 2 dargestellt ein mehrteiliges Gehäuse 18 auf, in dem ein Elektromotor 20 als Antrieb angeordnet ist, durch den eine Welle 22 um ihre Längsachse 23 rotierend angetrieben wird, mit der wenigstens ein Verdichterrad 24 verbunden ist. Die Welle 22 ist mit einem Rotor 26 des Elektromotors 20 verbunden oder der Rotor 26 ist Teil der Welle 22. Der Elektromotor 20 weist außerdem einen Stator 28 auf, der den Rotor 26 umgibt.
Der Stator 28 ist im Gehäuse 18 angeordnet und kann von einer Kühlhülse 30 umgeben sein. Der Stator 28 weist einen Statorgrundkörper 32 auf, der aus einer Mehrzahl von zu einem Paket zusammengesetzten Statorblechen aufgebaut sein kann. Zumindest auf einem in Richtung der Längsachse 23 der Welle 22 gesehen mittleren Statorabschnitt 34 des Statorgrundkörpers 32 sind Statorwicklungen 36 angeordnet. Die Statorwicklungen 36 verlaufen zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnenden des Stators entlang der Längsachse 23. An den Stirnenden ragen die Statorwicklungen 36 über den Statorgrundkörper 32 in Längsrichtung hinaus und bilden hierbei sogenannte Wickelköpfe 38. Im Bereich dieser Wickelköpfe 38 verlaufen die einzelnen Statorwicklungen 36 quer zur Längsachse 23 des Stators 28 etwa in dessen Umfangsrichtung. Im Bereich der Wickelköpfe 38 weist der Stator 28 jeweils einen größeren Innendurchmesser auf als im mittleren Statorabschnitt 34.
Der Rotor 26 ist mit geringem radialem Abstand zu den Statorwicklungen 36 innerhalb des Stators 28 angeordnet und zwischen den Statorwicklungen 36 und dem Rotor 26 ist eine elektrische Isolierung vorgesehen. Die elektrische Isolierung weist wenigstens ein nachfolgend noch näher erläutertes Isolierelement 40 und eine Vergussmasse 50 auf. In 2 sind dabei unterschiedliche Ausführungsbeispielse des Isolierelements 40 dargestellt.
Bei allen Ausführungsbeispielen besteht das Isolierelement 40 aus einem elektrisch isolierenden, elastisch oder plastisch verformbaren Kunststoffmaterial und ist schlauchförmig ausgebildet. Das Isolierelement 40 liegt in radialer Richtung an den Statorwicklungen 36 an und zwar zumindest über einen Teil der Längserstreckung der Statorwicklungen 36 in Richtung der Längsachse 23 gesehen. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Isolierelement 40a über die gesamte Längserstreckung der Statorwicklungen 36 und liegt an diesen an. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Isolierelement 40b nur über die Statorwicklungen 36 im mittleren Statorabschnitt 34 und liegt an diesen an. Bei einem dritten Ausführungsbeispiel sind zwei separate Isolierelemente 40c vorgesehen, die sich jeweils in den sich an den mittleren Statorabschnitt 34 anschließenden Endabschnitten der Statorwicklungen 36 im Bereich der Wickelköpfe 38 angeordnet sind und an diesen anliegen.
Die Vergussmasse 50 ist auf der den Statorwicklungen 36 abgewandten Innenseite 42 des Isolierelements 40 angeordnet und liegt an dieser an. Das Isolierelement 40 kann an seiner den Statorwicklungen 36 abgewandten Innenseite 42 und/oder an seiner den Statorwicklungen 36 zugewandten Außenseite 44 eine Oberfläche mit hoher Rauhigkeit aufweisen. Hierdurch kann die Haftung der Vergussmasse am Isolierelement 40 und/oder die Haftung des Isolierelements 40 an den Statorwicklungen 36 verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Isolierelement 40 an seiner Innenseite 42 und/oder seiner Außenseite 44 mit einer haftvermittelnden Beschichtung 46 versehen sein, durch die die Haftung der Vergussmasse 50 und/oder der Statorwicklungen 36 verbessert wird. Zusätzlich oder alternativ können auch die Statorwicklungen 36 mit einer haftvermittelnden Beschichtung 46 versehen sein. Die Beschichtung 46 kann beispielsweise als sogenanntes Prepreg ausgeführt sein, das eine ungehärtete duroplastische Kunststoffmatrix sein kann, die mit Fasern verstärkt sein kann.
Das Isolierelement 40 kann eine stabilisierende Einlage 48 aufweisen, durch die die Festigkeit des Isolierelements 40 erhöht wird und durch die eine Ausdehnung von unter Umständen auftretenden Rissen verhindert wird.
Anhand der 3 bis 6 wird die Montage des Isolierelements 40 im Stator 28 erläutert. In 3 ist das Isolierelement 40 in einem Ausgangszustand dargestellt, in dem dieses außerhalb des Stators 28 angeordnet ist und die Form eines langgestreckten Schlauches aufweist. Im Zustand gemäß 4 ist ein Werkzeug 60 in das Isolierelement 40 eingeführt, das sich über die gesamte Länge des Isolierelements 40 erstreckt. Das Werkzeug 60 ist beispielsweise ballonförmig ausgebildet und ist elastisch aufweitbar. Hierzu kann in das Innere des Werkzeugs 60 Druckluft zugeführt werden. Das Isolierelement 40 mit dem in diesem angeordneten Werkzeug 60 wird wie in 5 dargestellt in den Stator 28 eingeführt. Anschließend wird in das Werkzeug 60 Druckluft eingeführt, so dass sich dieses und damit auch das Isolierelement 40 radial aufweitet und in Anlage an die Statorwicklungen 36 gedrückt wird. Anschließend wird das Werkzeug 60 wieder druckentlastet, so dass dieses aus dem Isolierelement 40 entfernt werden kann während das Isolierelement 40 in Anlage an den Statorwicklungen 36 bleibt. Anschließend wird die Vergussmasse 50 eingebracht, die die Innenseite 42 des Isolierelements 40 überdeckt. Nach Aushärten der Vergussmasse 50 kann der Rotor 26 in den Stator 28 eingeführt werden und die Montage der weiteren Bauteile des Elektromotors 20 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018201162 A1 [0002]

Claims

Elektromotor, insbesondere für eine Gasfördervorrichtung, mit einem Stator (28) und einem Rotor (26), der vom Stator (28) umgeben ist, wobei der Stator (28) einen Statorabschnitt (34) mit Statorwicklungen (36) aufweist, wobei zwischen den Statorwicklungen (36) und dem Rotor (26) eine elektrische Isolierung (40; 50) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung wenigstens ein elastisch oder plastisch verformbares, schlauchfömiges Isolierelement (40) umfasst, das zumindest bereichsweise an den Statorwicklungen (36) anliegt.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolierelement (40) wenigstens eine stabilisierende Einlage (48) aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das wenigstens eine Isolierelement (40a) in Richtung der Drehachse (23) des Rotors (26) gesehen über die gesamte Längserstreckung der Statorwicklungen (36) erstreckt.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das wenigstens eine Isolierelement (40b) in Richtung der Drehachse (23) des Rotors (26) gesehen in einem mittleren Bereich der Statowicklungen (36) erstreckt.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Drehachse (23) des Rotors (26) gesehen in den beiden Endbereichen der Statotwicklungen (36) jeweils ein Isolierelement (40c) angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolierelement (40) an seiner den Statorwicklungen (36) abgewandten Innenseite (42) und/oder seiner der Statorwicklungen (36) zugewandten Außenseite (44) eine hohe Oberflächenrauhigkeit aufweist.
Elektromotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (36) und/oder das wenigstens eine Isolierelement (40) zumindest bereichsweise eine haftvermittelnde Beschichtung (46) aufweisen.
Elektromotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung eine auf der den Statorwicklungen (36) abgewandten Innenseite (42) des Isolierelements (40) angeordnete Vergussmasse (50) umfasst.
Verfahren zur Montage des wenigstens einen Isolierelements (40) in einem Elektromotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das wenigstens eine Isolierelement (40) ein aufweitbares Werkzeug (60) eingebracht wird und durch Aufweiten des Werkzeugs (60) und des wenigstens einen Isolierelements (40) das wenigstens eine Isolierelement (40) in Anlage an die Statorwicklungen (36) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug durch Zuführung eines unter erhöhtem Druck stehenden Mediums, insbesondere Druckluft, aufgeweitet wird.