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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors, der
- - ein Gehäuse, das einen oder mehrere Gehäusedeckel umfassen kann, mit einem Stator,
- - einen Rotor mit einer Drehachse und
- - ein an der Statorinnenwand des Stators anliegendes Spaltrohr, das eine Fluidkühleinrichtung des Stators zum Rotor hin abdichtet,
aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner einen ebensolchen Elektromotor.
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Derartige Elektromotoren sind bekannt. Das Spaltrohr dient dazu, den Statorraum vom Rotorraum abzuschirmen, um dichtend ein Fluid allein im Statorraum in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Wickelspulen fließen lassen zu können, ohne den Rotor zu beeinflussen. Dies gilt insbesondere für eine Kühlung durch eine Flüssigkeit, die in kaltem Zustand in den Statorraum eingeleitet und im erwärmten Zustand aus dem Statorraum wieder abgeführt wird. Es hat sich herausgestellt, dass ein Thermoöl dafür besonders geeignet ist.
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Die
DE 41 38 268 A1 beschreibt beispielsweise einen im Statorraum wassergekühlten und im Rotorraum luftgekühlten Elektromotor. Die in den Statornuten befindlichen Wicklungen werden direkt vom Kühlwasser umspült. Im Statorblechpaket sind die Nutspalte flüssigkeitsdicht umschlossen. Gegenüber einer Kühlung durch ein Thermoöl sind die Betriebstemperaturen auf das Fenster von 0°C bis 100°C begrenzt. Ein Spaltrohr, das sich axial an der Innenwand des Stators erstreckt - so wie es in dieser Erfindung vorausgesetzt wird - ist nicht vorgesehen. Der Anmelder hat ausgeführt, dass ein Spaltrohr Platz benötigt und welche Nachteile damit verbunden sind. Dieser Platz kann durch einen vergrößerten Luftspalt zwischen Läufer und Stator geschaffen werden. Dadurch verringere sich allerdings die Leistung des Motors und man verschlechtere den Wirkungsgrad.
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In der
EP 1 272 747 A1 wurde dieses Problem erkannt. Aus diesem Grund hat man den Mittelteil eines Spaltrohres dünnwandiger ausgebildet als die Seitenteile (an den axialen Enden des Elektromotors), mit denen das dünnwandigere Mittelteil verbunden werden muss.
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Die Gestaltung und der Einbau eines solchen Spaltrohres ist bei der Herstellung eines Elektromotors sehr aufwändig.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Herstellung eines Elektromotors mit Stator, Rotor und Spaltrohr zu vereinfachen und einen entsprechend vereinfacht hergestellten Elektromotor zu schaffen.
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Verfahrensmäßig wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass
innerhalb des für den Rotor vorgesehenen, aber noch leeren Rotorraums des Gehäuses ein rohrartiger, erwärmter Vorformling aus einem thermoplastischen Material eingeführt wird,
in den Vorformling ein Gasdruck derart eingeleitet wird, dass sich der Vorformling radial ausdehnt, bis er gleichförmig an dem Stator anstößt, sich rohrförmig anschmiegt und somit zumindest teilweise das Spaltrohr bildet, eventuell anfallende Butzen an den Enden des zu einem Spaltrohr aufgeblasenen Vorformlings entfernt werden und schließlich der Rotor in dem Rotorraum gelagert wird.
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So wird durch eine relativ einfache Herstellung des Elektromotors sichergestellt, bei der der Statorraum und dessen Kühlfluid vollständig abgegrenzt sind vom Rotorraum. Er ist insbesondere für die Verwendung von Thermoöl als Kühlfluid geeignet und es wird die Drehung des Rotors nicht in uneffektiver Weise durch das Kühlfluid beeinflusst. Das Kühlfluid kann durch eine Umwälzanlage, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, in den Statorraum hinein- und wieder abgeführt werden.
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Im Grunde sind wenige einfache Schritte bei der Herstellung des Elektromotors gemäß der Erfindung notwendig.
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Zunächst wird der Rotor noch nicht in das Gehäuse mit dem Stator eingebaut, so dass der für ihn vorgesehene Raum frei bleibt. Stattdessen wird ein rohrförmiger erwärmter Vorformling in diesen Bereich eingeführt, der an einem Ende einen Zugang für eine Gasdruckeinleitung aufweist. Die Erwärmungstemperatur des thermoplastischen Materials könnte beispielsweise bei in der Regel 90°C bis 150°C liegen, bei PFA noch wesentlich höher, aber bevorzugt knapp über der Erweichungstemperatur des Materials.
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Durch die Erweichung des thermoplastischen Materials lässt sich der rohrförmige Vorformling regelrecht aufblasen. Das kann mit einem Gasdruck beispielsweise bei 1 bis 2 bar beginnen und mit einem Gasdruck von bis zu 40 bar enden. Dabei bildet das Gehäuse mit Stator die endgültige Form. Man kennt ähnliche Verfahren beispielsweise bei der Herstellung von PET-Flaschen. Bei dem Vorgang verringert sich die Wandstärke, so dass man am Ende nach einer Erkaltung und Aushärtung ein an dem Stator anliegendes dünnes ausgeformtes Spaltrohr erhält, das den Abstand zwischen Stator und Rotor in effektiver Weise sehr geringhält. Damit es unter dem späteren Druck des Kühlfluids nicht kollabiert, könnte mit Vorteil dafür gesorgt sein, dass die Oberfläche des Spaltrohrs eine Verbindung mit der Statorinnenfläche eingeht. Bei dieser Verbindung kann es sich beispielsweise um eine formschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung handeln. Ohne solche weitergehenden Maßnahmen sollte bei dem Elektromotor mit sehr dünnem Spaltrohr die Kühlflüssigkeit im Betrieb auf möglichst niedrigem Druckniveau durch einen Wärmetauscher und den Statorraum umgewälzt werden. Dennoch ist ein Ausgleichsbehälter erforderlich, da sich die Kühlflüssigkeit erwärmt und dabei ausdehnt. Die größte Erwärmung findet in den Spulen des Elektromotors statt. Diese sind zum restlichen Motor hin elektrisch isoliert. Gute elektrische Isolatoren sind in der Regel auch gute thermische Isolatoren. Somit kann ein elektrischer Motor allein dadurch verbessert werden, wenn man eine thermische Brücke zwischen der Spule und dem Wärmetauscher schafft. Diese Brücke kann in einer möglichen Ausprägung die Kühlflüssigkeit sein. Der Wärmetauscher ist im einfachsten Fall die glatte Oberfläche des Motors oder eine Rippenstruktur auf der Oberfläche.
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Der an den Enden des (durch das Aufblasen der Vorformlings entstandenen) Spaltrohrs noch vorhandene Deckel und/oder Boden und/oder Hals mit dem Gasdruckanschluss muss als überschüssiges Material entfernt werden. Hier werden diese Enden als Butzen bezeichnet. So erhält man ein vorzugsweise vorwiegend zylindrisches, aber an die Statorinnenwand angepasstes Rohr in Kontakt mit dem Stator.
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Durch das Abtrennen der Butzen wird auch der Freiraum für den Rotor geschaffen, der in üblicher Weise eingeschoben und gelagert werden kann.
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Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Elektromotors ist es demnach, dass das Spaltrohr mit seinen endgültigen Abmessungen und insbesondere hinsichtlich des Durchmessers angepasst an die geometrischen Verhältnisse innerhalb des Gehäuses erzeugt werden kann. Es entfallen die externen Fertigungs- und Formgebungsprozesse für ein Spaltrohr sowie dessen Einbau in den herzustellenden Elektromotor also vollständig.
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Bevorzugt wird als Vorformling ein thermoplastischer, vorzugsweise polymerer Kunststoff verwendet.
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Dabei ist darauf zu achten, dass er als später ausgebildetes Spaltrohr den Betriebstemperatur des Elektromotors standhält. Häufig in ähnlichen Aufblasverfahren verwendete Kunststoffe sind Polyolefine, Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), welche vor allem zu Verpackung von Lebensmitteln eingesetzt werden. Diese eignen sich aufgrund der geringen Gebrauchstemperatur für diese Anwendung eher nicht. Ebenso sind die gängigen Polypropylene und Polycarbonate (PC) nur für Motoren mit einer geringen Betriebstemperatur geeignet, werden in den meisten Fällen allerdings ausreichen. Neben den gängigen Polyamiden (PA6 und PA6.6) eigen sich sogenannte Hochleistungsthermoplaste in besonderer Weise: Polyphthalamid (PPA), PA 4.6, Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketon (PEK), Polyamidimide (PAI), Polysulfone (PSU, PES, PPSU) und Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), um nur einige bekannte Werkstoffe zu nennen.
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Neben der beschriebenen optional vorgesehenen formschlüssigen oder stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Oberfläche des Spaltrohrs und der Statorinnenfläche, ist bevorzugt, dass der Vorformling auf dem Außenumfang einen Klebstoff oder eine adhäsive Oberfläche aufweist.
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Das Spaltrohr geht also während des Aushärtens eine Fügeverbindung mit dem Stator ein. Das hat den positiven Effekt zur Folge, dass insbesondere eine großflächige Verklebung dazu beiträgt, dass ein Kollabieren des Spaltrohrs durch den Kühlfluiddruck unmöglich wird und zudem eine verbesserte Abdichtung an den Enden erreicht werden kann.
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Man kennt zwei unterschiedlich Aufblasverfahren eines erwärmten Vorformlings. Diese sind das Streckblasverfahren und das Extrusionsblasverfahren. Beide Verfahren können in diesem Herstellprozess eines Elektromotors gemäß der Erfindung bevorzugt eingesetzt werden. Gemäß Wikipedia handelt es sich bei dem a) Streckblasen oder auch Spritzstreckblasen um ein Verfahren, bei dem Hohlkörper hergestellt werden, die in Umfangs- und Längsrichtung verstreckt sind (z. B. PET-Flaschen), und dem b) Extrusionsblasformen, auch Hohlkörperblasen genannt, um ein Verfahren der Kunststoffverarbeitung zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen. Bei letztgenanntem wird das aufgeschmolzene Polymer über eine Förderschnecke durch die Düse gepresst, so dass ein schlauchförmiger Vorformling entsteht (Extrusion). Dieser wird in eine Blasform übergeben und durch Innendruck den Innenkonturen der Form angepasst (Blasformen). Auf diese Weise hergestellte Hohlkörper finden sowohl als Primärpackmittel wie Kanister oder Fässer als auch als technische Bauteile wie Kraftstofftanks oder Lüftungskanäle Verwendung.
Man erkennt deutlich, dass es den Erfindern gelungen ist, fachübergreifende und artfremde Verfahren bei der Herstellung eines Elektromotors einzusetzen.
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Um die Ausdehnung des Vorformlings während des Aufblasvorgangs zu einem Spaltrohr zu begrenzen, ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Gehäuse während der Einleitung des Gasdrucks mit zumindest einem ersten Gehäusedeckel verschlossen wird. Nach Fertigstellung des Spaltrohres kann der erste Gehäusedeckel abgenommen werden, um die Butzen abzuschneiden und den Rotor einbauen zu können.
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Nach Ausbildung des Spaltrohres inklusive des Entfernens der Butzen und anschließendem Einsetzen des Rotors in den Rotorraum ist vorzugsweise wenigstens ein zweiter Lagerdeckel an wenigstens einem Gehäuseende anzubringen, in dem ein Lager für den Rotor integriert ist.
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Sofern ein größerer offener Raum seitlich des Stators, insbesondere dessen Blechpakets, und dem Gehäusedeckel vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn dort vor der Einführung des Vorformlings eine Stützeinrichtung für das Spaltrohr eingebracht wird.
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Diese Stützeinrichtung könnte beispielsweise ein den Zwischenraum überdeckender Ring sein, dessen Innenumfang dem Innenumfang des Stators entspricht. Damit ist sichergestellt, dass das Spaltrohr, das sich dann an Stator und Abstützung anlehnt, über die ganze Länge den gleichen Durchmesser hat. Die Stützeinrichtung kann nach dem Herstellen des Spaltrohres auch wieder entfernt werden.
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Es kann auch von Vorteil sein, entweder den Vorgang des Aufblasens eines Vorformlings mehrfach durchzuführen oder als Multilayer- oder Coextrusionsverfahren durchzuführen, so dass das Spaltrohr aus mehreren Schichten aufgebaut wird. In besonders vorteilhafter Weise können die Schichten im späteren Betrieb sogar unterschiedliche Funktionen, beispielsweise hinsichtlich der Dichtigkeit, der Isolation oder chemischer Eigenschaften, wahrnehmen. So kann beispielsweise zum Statorraum hin ein Material verwendet werden, der sich gut mit dem Blechpaket und der Stützeinrichtung verbindet. Für eine weitere Schicht wird ein Material gewählt, das eine besondere Beständigkeit gegenüber dem Kühlmedium aufweist und die Dichtigkeit herstellt. Andere Schichten können beispielsweise eine höhere Festigkeit aufweisen, indem diese beispielsweise mit einem Füllstoff, insbesondere einem faserigen Stoff, beispielsweise Glasfasern, Karbonfasern oder ähnlichem versehen sind.
In einer weiteren Ausgestaltung können Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften in axialer und/oder Umfangsrichtung getrennt eingebracht werden.
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Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Elektromotors wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruch 11 und insbesondere dadurch gelöst, dass das Spaltrohr innerhalb des Gehäuses durch ein Streckblasverfahren oder Extrusionsblasverfahren aus einem (erwärmten) Vorformling aus einem thermoplastischen Material erzeugt ist.
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Die im Herstellverfahren betonten Vorteile des zu bildenden Elektromotors gelten selbstverständlich auch hier und sollen nicht unnötigerweise wiederholt werden.
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Als rein vorrichtungsmäßiges Merkmal wird noch auf den Vorteil einer separaten Dichtung zwischen dem Spaltrohr und dem Gehäusedeckel hingewiesen, die auch bei Wärmeausdehnungen des Spaltrohres einen Austritt der Kühlflüssigkeit aus dem Statorraum in den Motorraum verhindert. Die Dichtung kann beispielsweise als einfacher O-Ring in dem Gehäusedeckel eingebettet sein.
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Das hat zur Folge, dass die Wandstärke lediglich bei 0,05 bis 0,5 mm liegen muss. Der Vorteil des geringen Abstandes zwischen Stator und Rotor mit einer hohen Motoreffektivität liegt auf der Hand. So ist es auch besonders vorteilhaft, wenn das Spaltrohr über die gesamte Länge eine konstante Wandstärke hat.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und sechs Figuren weiter erläutert werden.
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Dabei zeigen
- 1 bis 5 einen Elektromotor in 5 Herstellungsschritten,
- 6a und 6b einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor und einen Detailausschnitt.
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1 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel für das Herstellverfahren des Elektromotors in fünf Zwischenschritten. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich insbesondere auf ein Streckblasverfahren, wobei es sich analog auch auf ein Extrusionsblasverfahren beziehen kann.
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1 stellt das Gehäuse 2 mit Stator 3 als Ausgangspunkt und 5 schließlich den fertiggestellten Elektromotor dar. Alle Darstellungen zeigen einen Längsschnitt.
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Im ersten Schritt, in 1 dargestellt, wird das Gehäuse 2, das bereits den Stator 3 mit seinem Blechpaket 16 und seinen Wicklungen 18 beinhaltet, mit ersten Gehäusedeckeln 5.1 verschlossen. Zuvor wird seitlich des Blechpakets 16 bis hin zu den ersten Gehäusedeckeln 5.1 an den axialen Enden des Gehäuses 2 jeweils eine Stützeinrichtung 9 eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Ring, der den Zwischenraum überbrückt und einen Innendurchmesser hat, der auch dem Durchmesser der Statorinnenwand 6 entspricht.
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In einem Gehäusedeckel 5.1 (in der 1 der auf der linken Seite dargestellte Gehäusedeckel) ist eine Öffnung verblieben, durch die ein rohrförmiger Vorformling 11 aus einem thermoplastischen Material in den zu diesem Zeitpunkt noch leeren Rotorraum 7.2 eingeführt wird. Der Vorformling befindet sich zu diesem Zeitpunkt einem erwärmten Zustand, der knapp oberhalb der Erweichungstemperatur des Materials liegt. Um den Vorformling 11 herum bilden die Statorinnenwand 6, die Stützeinrichtung 9 und Vertiefungen in den ersten Gehäusedeckeln 5.1 eine Form.
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Denn wird, wie in 2 nur schematisch durch einen Pfeil dargestellt, eine Gasdruckeinleitung 12 in den Vorformling vorgenommen, so dehnt sich der Vorformling aus, bis er die Konturen der Form erreicht hat. Der Druck kann während des Vorgangs beispielsweise von etwa 1 bis 2 bar auf bis zu 40 bar erhöht werden. Im Bereich der Statorinnenwand 6 und der Stützeinrichtung 9 bildet sich somit ein die ganze Länge des Gehäuses 2 übergreifendes zylinderförmiges Rohrstück, das zum späteren Spaltrohr 10 aushärtet.
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Der Vorformling hat sich so zu einer flaschenartigen Form ausgebildet, vor der der „Hals“ und der „Boden“, in dieser Anmeldung als Butzen 13 bezeichnet, noch entfernt werden müssen, um das endgültige zylindrische Spaltrohr 10 auszubilden.
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Dazu werden, wie in 3 dargestellt, die ersten Gehäusedeckel 5.1 abgenommen. Dadurch sind die Butzen 13 leicht zugänglich und abschneidbar. Anschließend ist es auch möglich, das Streckblasverfahren oder das Extrusionsblasverfahren ein zweites Mal durchzuführen. Dadurch erhält das Spaltrohr eine zweite Schicht, die aus einem anderen, eventuelle einer anderen Funktion angepassten zweiten Material bestehen kann.
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Das führt zu der Situation, die in 4 dargestellt ist. Man erkennt, dass das Spaltrohr 10 sich im Wesentlichen über die Länge des Gehäuses 2 erstreckt. Im Inneren des Spaltrohrs hat sich ein Rotorraum 7.2 ausgebildet.
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Im letzten Schritt gemäß 5 wird der Elektromotor 1 fertiggestellt. Der Rotor 4 wird in das Spaltrohr 10 hineingeschoben. Daraufhin werden zweite Gehäusedeckel 5.2 an den Enden des Gehäuse 2 eingesetzt und befestigt. In den Gehäusedeckeln 5.2 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Lager 8 für den Rotor 4 aufgenommen. Außerdem wird je nach Bedarf durch eine zusätzliche Ringdichtung 19 am Gehäusedeckel eine weitere Abdichtung für das Kühlfluid, das im Statorraum 7.1 umgewälzt wird, erzielt. Als alternative oder zusätzliche Möglichkeit kann der Vorformling (siehe hier noch einmal 1) auf dem Außenumfang mit einem Klebstoff 14 oder einer adhäsiven Oberfläche ausgestattet sein, so dass er das Spaltrohr fest mit der Statorinnenwand 6 und den Stützeinrichtungen 9 verbunden ist.
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In 6a ist zum besseren Verständnis noch ein Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor gezeigt. 6b vergrößert den eingekreisten Ausschnitt.
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In 6a erkennt man das Gehäuse 2, das den Stator 3 mit seinem Blechpaket 16 seinen Wickelspulen 18 umgibt. Im Zentrum liegt der Rotor 4 mit seiner Drehachse 20. Das mit etwas dickerer Strichstärke angezeigte Spaltrohr 10 ist durch ein Streckblasverfahren oder Extrusionsblasverfahren aus einem Vorformling 11 aus einem thermoplastischen Material erzeugt worden. In der Realität hat es in dem Ausführungsbeispiel eine möglichst konstante Wandstärke zwischen 0,05 und 0,5 mm.
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Es ist exemplarisch ein Stator 3 mit einer verteilten Wicklung 18 dargestellt. Es versteht sich, dass dieses Verfahren auch bei Statoren mit einem anderen Wickelverfahren angewendet werden kann. Hier seien wiederum beispielhaft die konzentrierte Wicklung oder die Hairpin-Wickeltechnologie genannt. Bei kurzen Blechpaketen ist es ausreichend, wenn lediglich die Wickelköpfe vor der Kühlflüssigkeit umströmt werden. Bei längeren Maschinen ist es von Vorteil, wenn zusätzlich der sich in der Nut befindliche Anteil der Spule, beziehungsweise das Blechpaket im Bereich des Läufers mittels des Kühlfluids gekühlt werden. Hierzu werden optional im Gehäuse 2, im Blechpaket 16 oder entlang der Spule 18 in der Nut des Blechpaketes 16 Durchtrittsquerschnitte geschaffen, die dies ermöglichen. Bei einer verteilten Wicklung bietet sich hierbei die Stelle in der Nut, nahe am Zahn 17 des Blechpakets 16 an.
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So erkennt man insbesondere im vergrößerten Ausschnitt die Zähne 17 des Blechpakets sowie die Spulen 18. Nahe dem Spaltrohr 10 verbleibt neben jeder Wicklung 18 ein Fluidkanal 15, der Bestandteil der Fluidkühleinrichtung ist. Der Fluidkanal 15 wird von Thermoöl durchströmt und kühlt dadurch die Spulen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5.1
- Erster Gehäusedeckel
- 5.2
- Zweiter Gehäusedeckel
- 6
- Statorinnenwand
- 7.1
- Statorraum
- 7.2
- Rotorraum
- 8
- Lager
- 9
- Stützeinrichtung
- 10
- Spaltrohr
- 11
- Vorformling
- 12
- Gasdruckeinleitung (Pfeil)
- 13
- Butzen
- 14
- Klebstoff auf Außenumfang Vorformling
- 15
- Fluidkühleinrichtung, Fluidkanal
- 16
- Blechpaket
- 17
- Zahn
- 18
- Wickelspulen
- 19
- Dichtung
- 20
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4138268 A1 [0004]
- EP 1272747 A1 [0005]
