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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung eines Formteils
und spezieller eines spanlos geformten Läuferblocks zur Anwendung in einem
Turbinengenerator in einem Kraftwerk zur Energieerzeugung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Viele
Kraftwerke zur Energieerzeugung erzeugen Elektrizität, indem
Energie (z. B. aus fossilen Brennstoffen, Kernfusion, Wasserkraft
und Erdwärme)
in mechanische Energie (z. B. Drehung einer Turbinenwelle) umgewandelt
wird, und die mechanische Energie anschließend in elektrische Energie
(z. B. durch die Prinzipien elektromagnetischer Induktion) umgewandelt
wird. Einige dieser Kraftwerke zur Energieerzeugung, wie etwa ein
Kraftwerk zur Erzeugung von Energie aus fossilen Brennstoffen, umfassen
eine Turbine, einen Generator und einen Erreger.
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Ein
Aspekt der vorstehend beschriebenen Anordnung zur Energieerzeugung
beinhaltet den Einsatz von Läuferblöcken, um
Leiterwicklungen im Generatorrotor zu halten, voneinander getrennt
zu halten und zu isolieren. Die Läuferblöcke müssen Temperaturen standhalten,
die in einem Bereich von etwa –40°C bis etwa
180°C und
typischer bei etwa –10°C bis etwa
140°C liegen
können,
und Zentrifugalkräften
von ca. 1500 min–1 bis ca. 4500 min–1 und typischer
von ca. 2000 min–1 bis ca. 3500 min–1.
Die Läuferblöcke treten
in einer Vielzahl von Größen und Formen
auf, und können
ferner Kanäle
umfassen, die einen Kühlmittelstrom
(z. B. Luft, Wasserstoff) während
des Generatorbetriebs über
die Leiterwicklungen leiten. Ein Läuferblock sollte auch beständig gegenüber Öl sein,
das zur Schmierung der Rotorwelle verwendet wird, und auch gegenüber anderen
aggressiven Stoffen, die innerhalb des Rotors zu finden sind.
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Wie
in den 1 dargestellt, wurden Läuferblöcke und
andere Formteile bisher in der Regel aus einem Verbundmaterial aus
Glas 10 und Harz 12 hergestellt, das zu Verbundschichten 14 laminiert wird,
wie etwa NEMA G-9-Melamin-Glas-Gewebe, NEMA G10 und G11-Epoxyd-Glas-Gewebe
sowie NEMA GPO-Glas-Polyester. Diese harzbehandelten Glasmatten 14 werden übereinander
geschichtet und aufeinander bezogen ausgerichtet, um die physikalischen
Eigenschaften insgesamt des anisotropischen Verbundgesamtmaterials
zu optimieren. Diese Matten 14 werden anschließend während des
Aushärtens
gepresst, um auf hohe Temperaturen bezogene Eigenschaften zu erzielen,
die für
einen Betrieb bei bis zu etwa 180°C
geeignet sind. Das ausgehärtete Verbundmaterial
hat die Form von ebenen Platten.
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Das
ausgehärtete
Verbundmaterial wird anschließend
mit CNC-Bearbeitung
oder anderen vergleichbaren Mitteln bearbeitet, um aus dem Verbundmaterial
Läuferblöcke der
gewünschten
Größe und Form
herzustellen. Die nicht verwendeten Bereiche des Verbundmaterials
sind der Regel Abfall, weil ein Recycling von Verschnitt des anisotropischen
Verbundmaterials schwierig und teuer ist.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung von Läuferblöcken weist
allerdings viele Nachteile auf. Ein Nachteil besteht in den begrenzten Möglichkeiten,
mit denen die Fasern in der jeweiligen Lage des Harz-Glas-Gewebes
in Bezug auf andere Harz-Glas-Gewebe-Lagen und -Fasern ausgerichtet werden
können.
Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit, andere Materialien
als Matten aus Harz oder Glas in die Verbundgesamtstruktur zu integrieren.
Ein weiterer Nachteil besteht in den relativ hohen Kosten für laminierte
Platten aus Harz-Glas-Gewebe und den relativ hohen Kosten für die CNC-Bearbeitung
eines Harz-Glas-Materials. Zum Beispiel entstehen mehrere Tausend
Dollar an Maschinenzeit- und Materialkosten, um einen Satz Läuferblöcke für einen
Turbinengenerator herzustellen, und der Laminatmaterialabfall der
CNC-Bearbeitung kann etwa 20–70
% des Gewichts des fertigen Läuferblocks
ausmachen, was sich zu Tausenden von Dollar pro Turbinengenerator
addiert. Weitere Nachteile bestehen in der beträchtlichen Anzahl von Schäden an Läuferblöcken, die
bei der CNC-Bearbeitung von Harz-Glas-Material entstehen, z. B. Delaminierung,
Rissbildung und Oberflächenbrüche. Ferner
verschlechtert die Bearbeitung von laminiertem Material bestimmte
physikalische Eigenschaften wie etwa Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Ein
weiterer Nachteil besteht in dem erheblichen Platzbedarf und der
Anzahl von Bedienern, die benötigt
werden, um Läuferblöcke durch
die CNC-Bearbeitung eines Harz-Glas-Materials herzustellen.
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Folglich
besteht Bedarf an einem verbesserten Läuferblock und einem verbesserten
Verfahren zur Herstellung eines Läuferblocks. Ferner besteht ein
allgemeinerer Bedarf an der Herstellung eines Formteils, das in
der Lage ist, Temperaturen standzuhalten, die in einem Bereich von
etwa –40°C bis etwa 180°C und vorzugsweise
bei etwa –10°C bis etwa 140°C liegen
können,
sowie Zentrifugalkräften
von ca. 1500 min–1 bis ca. 4500 min–1 und
vorzugsweise von ca. 2000 min–1 bis ca. 3500 min–1 standzuhalten, und
dabei gleichzeitig als Isolator zu dienen, und an einem Verfahren
zur einfachen, flexiblen und kostengünstigen Herstellung dieses
Formteils.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Turbinengenerators für ein Kraftwerk
zur Energieerzeugung, der einen Läuferblock umfasst, der zwischen Leiterwicklungen
am Endbereich eines Generators angeordnet ist, wobei besagter Läuferblock
eine bestimmte Größe und eine
Form hat und aus einem Harzmaterial hergestellt ist, das aus einer
Gruppe ausgewählt
wird, die aus wärmehärtbaren
Epoxydharzen, wärmehärtbaren
Polyestern, Cyanatester, Bismaleimid, Phenol und Melamin besteht;
und einem Verstärkungsmaterial,
dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Läuferblock durch spanlose Formgebung
in der bestimmten Größe und Form
hergestellt wird.
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Es
ist von Vorteil, dass der Läuferblock
aus einer warmausgehärteten
Harzmatrix hergestellt wird, die darin eingebettete Glasfaserverstärkungen aufweist
und durch ein spanloses Formgebungsverfahren hergestellt wird, mit
dem der Läuferblock
einfach, flexibel und kostengünstig
in einer gewünschten
Form und Größe hergestellt
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine unbegrenzte Anzahl an Möglichkeiten
bereit, um Glasfasern oder andere Verstärkungsmaterialien in einem
Harz anzuordnen, und eine einfache Möglichkeit, um andere Materialien
als Matten aus warmausgehärtetem,
vorimprägniertem
Fasermaterial (Prepreg) in eine Verbundgesamtstruktur aufzunehmen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verbundmaterial bereit,
das aus relativ kostengünstigen
Materialien besteht und mittels eines relativ kostengünstigen
Herstellungsverfahrens hergestellt wird. Zum Beispiel liegen die
Kosten für
die spanlose Formgebung und das Material zur Herstellung eines Satzes
von Läuferblöcken für einen Turbinengenerator
bei lediglich wenigen Tausend Dollar, und es entsteht eine vernachlässigbare
Menge an Rohstoffabfall.
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Die
vorliegende Erfindung reduziert und verhindert möglicherweise sogar Schäden und
Verschlechterungen, die durch die Bearbeitung von laminierten Verbundmaterialien
entstehen, z. B. Delaminierung, Rissbildung und Ermüdungsbeständigkeit. Darüber hinaus
weist die vorliegende Erfindung eine widerstandsfähigere Deckschicht
auf, die rissbildungsauslösenden
Vorgängen
widersteht und bei Biege-, Scher- oder Torsionsbelastung höhere Festigkeitswerte
bietet als bearbeitete Teile.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht somit in einem durch spanlose
Formgebung hergestellten Formteil, das umfasst: ein Harzmaterial,
das aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus wärmehärtbaren
Epoxydharzen, wärmehärtbaren
Polyestern, Cyanatester, Bismaleimid, Phenol und Melamin besteht;
und einem Verstärkungsmaterial,
das aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Glas und mineralischem Füllstoff besteht wobei das durch spanlose
Formgebung hergestellte Formteil so beschaffen ist, dass es Temperaturen
standhält,
die in einem Bereich von etwa –40°C bis etwa
180°C und vorzugsweise
bei etwa –10°C bis etwa
140°C liegen, sowie
Zentrifugalkräften
von ca. 1500 min–1 bis ca. 4500 min–1 und
vorzugsweise von ca. 2000 min–1 bis ca. 3500 min–1 standhält, und
dabei gleichzeitig als Isolator dient.
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Ein
weiter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht somit in einem
spanlos geformten Läuferblock,
der zur Anwendung in einem Generator in einer Vorrichtung zur Energieerzeugung
beschaffen ist und umfasst: Mindestens ein warmausgehärtetes Harzmaterial
mit einer Glasübergangstemperatur über der
maximalen Betriebstemperatur einer Leiterwicklung, die in dem Generator
angeordnet ist; und mindestens ein Verstärkungsmaterial, das so beschaffen
ist, dass es dem spanlos geformten Läuferblock eine geeignete Steifigkeit
und Festigkeit verleiht, um Schäden
am spanlos geformten Läuferblock während des
normalen Generatorbetriebs zu verhindern.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht somit in einem
Verfahren zur Herstellung eines durch spanlose Formgebung hergestellten Formteils,
das so beschaffen ist, dass es Temperaturen standhält, die
in einem Bereich von etwa –40°C bis etwa
180°C und
vorzugsweise bei etwa –10°C bis etwa
140°C liegen,
sowie Zentrifugalkräften
von ca. 1500 min–1 bis ca. 4500 min–1 und
vorzugsweise von ca. 2000 min–1 bis ca. 3500 min–1 standhält, und
dabei gleichzeitig als Isolator dient, das folgende Schritte umfasst:
Einbringen eines Verstärkungsmaterials
in einen Werkzeughohlraum; Einbringen eines Harzmaterials in den
Werkzeughohlraum; Erwärmen
des Werkzeughohlraums auf eine Temperatur von mindestens etwa 100°C für mindestens
etwa 40 Minuten, um das durch spanlose Formgebung hergestellte Formteil
herzustellen; und Herausnehmen des durch spanlose Formgebung hergestellten
Formteils aus dem Werkzeughohlraum.
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Weitere
Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus den Zeichnungen und der ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich, die nun
folgen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorgenannten und weitere Grundgedanken der vorliegenden Erfindung
werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mit der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die bildlich dargestellte
Ausführungsform soll
die Erfindung verdeutlichen, jedoch nicht einschränken. Die
Zeichnungen beinhalten die folgenden Abbildungen, in denen gleiche
Bezugszeichen in der gesamten Beschreibung und bei allen Zeichnungen
gleichen Elementen entsprechen, und wobei:
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1A eine
perspektivische Ansicht eines Verbundmaterials gemäß dem bisherigen
Stand der Technik ist, das zur Herstellung von Läuferblöcken und weiteren Formteilen
verwendet wird;
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1B eine
Ansicht einer Einzelheit von der Stirnseite des Verbundmaterials
gemäß dem bisherigen
Stand der Technik ist, die einen erhabenen Bereich des Verbundmaterials
zeigt;
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2 eine
Darstellung eines einzelnen, teilweise geschnittenen Bereichs von
einem Endbereich eines Generators ist, die eine Vielzahl von Läuferblöcken zeigt,
die zwischen Leiterwicklungen angeordnet sind;
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3A eine
perspektivische Ansicht einer beispielhaften Läuferblockanordnung ist;
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3B eine
perspektivische Ansicht einer anderen beispielhaften Läuferblockanordnung
ist;
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3C eine
perspektivische Ansicht einer weiteren beispielhaften Läuferblockanordnung
ist;
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4A eine
perspektivische Ansicht eines Verbundmaterials gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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4B eine
Ansicht einer Einzelheit von der Stirnseite des Verbundmaterials
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die einen erhabenen Bereich des Verbundmaterials
zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebene Erfindung beruht
auf einigen zugrunde liegenden Konzepten. Zum Beispiel betrifft
ein Konzept die Herstellung eines Formteils aus einem Harzmaterial
mit darin eingebettetem Verstärkungsmaterial.
Ein anderes Konzept bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff, der
aus Verbundmaterialien hergestellt ist, für die eine nahezu unbegrenzte
Anzahl von Möglichkeiten
der Anordnung zueinander besteht, und bei dem eine Vielzahl von
Materialien in die Verbundgesamtstruktur integriert werden kann.
Ein weiteres Konzept betrifft die Herstellung eines Formteils mit
Eigenschaften, die besonders geeignet sind für einen Einsatz in einem Kraftwerk
zur Energieerzeugung, das jedoch ferner in einer Vielzahl von anderen Bereichen
und für
eine Vielzahl von anderen Anwendungen eingesetzt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird in Zusammenhang mit einem beispielhaften
Läuferblock
offenbart, der in einem Generator eines Kraftwerks zur Energieerzeugung
eingesetzt wird. Die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung sind
allerdings nicht auf Läuferblöcke beschränkt, sondern
können
auch in Verbindung mit anderen zur Energieerzeugung eingesetzten
Bauteilen verwenden werden, für
die vergleichbare Anforderungen bei Temperatur, Belastung und/oder
Isolierung bestehen, wie etwa Statorkeile, Halteelemente, Hauptführungswandungen,
Rotorfüllblöcke usw.
Für einen
Fachmann ist unter Berücksichtigung
der vorliegenden Beschreibung klar ersichtlich, dass die vorliegende,
in dieser Patentschrift offenbarte Erfindung ferner erfolgreich
in Verbindung mit anderen, nicht für den Bereich der Energieerzeugung
bestimmten Maschinenbauteilen und der Herstellung von Formteilen
genutzt werden kann, für
die vergleichbare Anforderungen an Temperatur, Belastung und/oder
Isolierung gelten, wie etwa Motoren, Isolatoren und Strukturen,
die tragende und/oder trennende Funktionen erfordern bzw. bieten.
Ein Fachmann wird ferner zusätzliche
Anwendungen für den
Verbundwerkstoff, die Bauteile, die Anordnungen und Verfahren finden
können,
die in dieser Patentanmeldung offenbart werden. Somit sind die Darstellung
und Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit
einem beispielhaften Läuferblock
lediglich eine mögliche
Anwendung der vorliegenden Erfindung. Allerdings wurde festgestellt,
dass die vorliegende Erfindung besonders in Verbindung mit einem
Läuferblock
geeignet ist.
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Zur
Verdeutlichung der Darlegung der in dieser Patentanmeldung beschriebenen
Erfindung werden folgende Begriffe verwendet: Unter Bezug auf die 1A und 4A verläuft eine „Längsachse" (X-X) entlang einer
Länge des
Formteils 14, 42. Eine „Querachse" (Y-Y) verläuft entlang einer anderen Länge des
Formteils 14, 42, und eine „Vertikalachse" (Z-Z) verläuft normal
zu sowohl der Längs-
als auch der Querachse und sorgt für die dritte bzw. Tiefendimension
des Elements 14, 42. Darüber hinaus bezieht sich in
der vorliegenden Patentanmeldung „Längsrichtung" auf eine Richtung, die im Wesentlichen
parallel zur Längsachse
ist, bezieht „Querrichtung" sich auf eine Richtung,
die im Wesentlichen parallel zur Querachse ist, und bezieht „Vertikalrichtung" sich auf eine Richtung,
die im Wesentlichen parallel zur Vertikalachse ist.
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2 zeigt
einen Endbereich einer Welle 22 eines Generatorrotors 20 mit
einer Vielzahl von Rotorwicklungen 24, die zu einem Ende
des Rotors 20 hin angeordnet sind. Die Wicklungen 24 weisen einen
Längsbereich 26 auf,
der sich in die Längsrichtung
(X-X) der Welle 22 erstreckt, und einen Schleifenbereich 28 am
Ende, der in radialer Richtung in der Nähe des Endes der Welle 22 verläuft. Ein
gekrümmter
Bereich 30 kann verwendet werden, um den Längsbereich 26 mit
dem Schleifenbereich 28 am Ende zu verbinden. Die Leiterwicklungen 24 können aus
einem einheitlichen Leiterelement oder aus einer Vielzahl von Leiterelementen
hergestellt sein.
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Die
Läuferblöcke 32 sind
zwischen den Leiterwicklungen 24 angebracht. Jeder Läuferblock 32 ist
so angeordnet, dass er einen Raum zwischen den Leiterwicklungen 24 einnimmt,
um die Leiterwicklungen 24 zu halten und voneinander getrennt
zu halten. Die Läuferblöcke 32 können jede
denkbare aus einer breiten Vielfalt von Größen und Formen annehmen in Abhängigkeit
von dem speziellen Bereich der betreffenden Wicklungen 24,
zwischen denen sie angeordnet werden. Zum Beispiel kann der Läuferblock 32 eine
allgemein rechteckige Form aufweisen, um zwischen gerade Wicklungsbereiche
zu passen, allgemein als axialer Block 34 (3A)
bezeichnet, eine allgemein bogenförmige Form, um zwischen gebogene
Wicklungsbereiche zu passen, allgemein als radialer Block 36 (3B)
bezeichnet, oder eine allgemein keilförmige Form, um zwischen gewinkelte Wicklungsbereiche
zu passen, allgemein als tangentialer Block 38 (3C)
bezeichnet. Es wird weiterhin Bezug auf die 3 genommen;
die Läuferblöcke 34, 36, 38 können eine
Vielzahl an Geometrien aufweisen und gebogene, gewinkelte und gerade
Bereiche aufweisen, was ihre Herstellung relativ schwierig macht.
Die Läuferblöcke 32 können ferner Kanäle 40 umfassen,
um einen Kühlmittelstrom
(z. B. Luft, Wasserstoff) zu leiten, der die Leiterwicklungen 24 während des
Generatorbetriebs kühlt.
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Verbundwerkstoff
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Es
wird auf die 4 Bezug genommen; der
Läuferblock
ist aus einem Verbundmaterial 42 hergestellt, das aus mindestens
einem Harzmaterial 44 und mindestens einem Verstärkungsmaterial 46 besteht.
Selbstverständlich
könnten
mehr als ein Harz- und/oder ein Verstärkungsmaterial 44, 46 verwendet
werden. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Harzen verwendet werden,
um die Materialeigenschaften der einzelnen Harze zu kombinieren und
ein Harz herzustellen, das andere wünschenswerte Eigenschaften
aufweist, etwa durch Mischen eines Harzes mit einer hohen Steifigkeit
mit einem Harz mit einer hohen Bruchfestigkeit, um ein Harz herzustellen,
das ferner als Schlagzähigkeits-Agens fungiert.
Ferner bestehen für
den Verbundwerkstoff in Abhängigkeit
von der speziellen Anwendung weitere Wahlmöglichkeiten bei den enthaltenen
Materialien.
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Das
Harzmaterial 44 stellt eine allgemein isolierende Struktur
bereit, vorzugsweise in Form einer Matrix, um das Verstärkungsmaterial 46 im
Wesentlichen im Läuferblock
aufzunehmen und in Position zu halten. Es ist von Vorteil, dass
das Harzmaterial 44 warmausgehärtet wird bei einer Glasübergangstemperatur über der
maximalen Betriebstemperatur der Rotorwicklung (in der Regel bei
etwa 140°C
bis etwa 180°C),
um die Formbeständigkeit
und Eigenschaften des Läuferblocks
zu erhalten. Es ist ferner von Vorteil, dass das Harzmaterial 44 in
der Lage ist, als Flüssigkeit
mit niedriger Viskosität
verarbeitet zu werden, um das Verstärkungsmaterial 46 zu
umhüllen, und
eine niedrige Löslichkeit
gegenüber
eingeschlossenen flüchtigen
Stoffen aufweist, die sonst während der
Verarbeitung Lunker im Läuferblock
ausbilden würden.
Es ist ferner von Vorteil, dass die Viskosität des Harzmaterials 44 während des
Erwärmens
abnimmt, bis die Vernetzungsreaktion beginnt (die die Viskosität ständig erhöht, bis
die vollständige
Aushärtung
erreicht ist), weil eine Abnahme der Viskosität eine Verdichtung des Läuferblockwerkstoffs
ermöglicht,
indem überschüssiges Harzmaterial 44 entfernt bzw.
herausgepresst wird.
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Für das Harzmaterial 44 geeignet
sind unter anderem wärmehärtbare Epoxydharze,
wärmehärtbare Polyester,
Cyanatester, Bismaleimid, Phenol, Melamin usw. Insbesondere Novalac-
und Anhydridepoxide sowie Polyester und Vinylester können verwendet
werden. Diese Harzmaterialien können
im Handel bezogen werden von den Firmen Ciba Specialty Chemicals,
Dow Chemical und Reichold, Inc. Dem Fachmann ist bekannt, dass in
Abhängigkeit von
dem jeweils herzustellenden Formteil und den Eigenschaften, die
für dieses
hergestellte Formteil vorteilhaft sind, andere Harzmaterialen eingesetzt
werden könnten,
zum Beispiel thermoplastische Kunststoffe.
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Das
Verstärkungsmaterial 46 stellt
mechanische Eigenschaften bereit, die vom Harzmaterial 44 nicht
erreicht werden können,
beispielsweise Steifigkeit und Festigkeit, für die es von Vorteil ist, dass
sie mindestens 50 GN/mm2 betragen, die jedoch
bei 1000 GN/mm2 oder mehr liegen können. Es
ist ferner von Vorteil, dass das Verstärkungsmaterial 46 elektrisch
isolierend ist, um dazu beizutragen, die Leitung von Elektrizität entlang
der Oberfläche
des Läuferblocks
zu verhindern, was sonst zu Windungskurzschlüssen der Leiterwicklungen führen könnte.
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Als
Verstärkungsmaterial 46 sind
u. a. Glas und mineralischer Füllstoff
geeignet. Insbesondere Fasern oder Partikel aus E-Glas, S-Glas, Kalziumoxid,
Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid können verwendet werden. Diese
Verstärkungsmaterialien
können
im Handel bezogen werden von den Firmen BGF Industries, Inc., Anchor
Reinforcements und Hexcel Schwebel. Es ist von Vorteil, dass das
Verstärkungsmaterial 46 im
Läuferblock
mit einer Vielzahl von Möglichkeiten
angeordnet werden kann, beispielsweise in Form von Matten, Kugeln,
Lagen, Schnitzeln, Fasern, Partikeln usw. Vorzugsweise kann das Verstärkungsmaterial 46 die
Form von Matten und Fasern 48 annehmen, die in das Harzmaterial 44 oder
die Matten eingebettet werden. Ein geeignetes derartiges Material
ist S-Glas oder
E-Glas, das in Matten angeordnet werden und ferner als Gewebe, Faserstrangmatten
(Roving-Matten), Vlies, kurze Fasern oder geschnittene Fasern angeordnet
werden kann. Ferner werden anorganische Fasern oder Partikel bevorzugt
wegen ihrer hohen Steifigkeit, geringen Kosten und guten Verarbeitbarkeit.
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Es
ist festgestellt worden, dass es, zumindest für eine typische Läuferblockanwendung,
von Vorteil ist, dass das Verstärkungsmaterial 46 mindestens
20 % und vorzugsweise mindestens 50 % des Gewichts des Harz/Verstärkungsverbundmaterials 42 ausmacht.
Dieses Gewichtsverhältnis
verhindert eine Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften
des Verbundmaterials 42 bei steigender Temperatur. Ferner
ist das Verstärkungsmaterial 46 in
der Tendenz kostengünstiger
als das Harzmaterial 44.
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Ferner
ist es, wie vorstehend angemerkt, von Vorteil, wenn die Glasübergangstemperatur
des Harzmaterials 44 größer ist
als die maximale Temperatur, bei der der Läuferblock betrieben wird (in
der Regel etwa 140°C
bis etwa 180°C).
Der Grund dafür ist,
dass die vorstehend genannten Harzmaterialien in der Regel viskoelastische
Eigenschaften aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des
Verbundwerkstoffs beeinflussen, etwa die Glasübergangstemperatur, die den
Modul bei steigender Temperatur angibt. Wenn das Verbundmaterial 42 über die
Glasübergangstemperatur
hinaus erwärmt
wird, nehmen Steifigkeit und andere physikalische Eigenschaften
des Verbundwerkstoffs schnell ab. Zumindest aus diesem Grund ist
es von Vorteil, wenn das Harzmaterial 44 im Temperaturbereich
für Glas-
und Steifigkeitseigenschaften und nicht darüber eingesetzt wird, weil dies
sonst zu einem frühen
Versagen des Läuferblocks
führen
kann.
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Ferner
sollte das Harzmaterial 44, zumindest bei einer Anwendung
als Läuferblock,
so ausgewählt werden,
dass ein Volumenschwund während
des Aushärtens
verhindert wird, der im Molekularbereich und während der Wärmebehandlung auftritt. Die meisten
warmausgehärteten
Harzmatrizen weisen einen niedrigen Volumenschwund auf wegen ihrer Kettenmolekülstruktur
mit Querverbindungen und ihrer typischen hohen Vernetzungsdichte
bei vollständiger
Aushärtung.
Der Zusatz eines anorganischen Verstärkungsmaterials trägt aufgrund
seines niedrigen spezifischen Wärmedehnungskoeffizienten
zur Formstabilität
des Verbundwerkstoffs bei. Anorganische Materialien weisen ein sehr
geringes Ausdehnen und Zusammenziehen bei Temperaturänderungen
auf und sind daher äußerst formstabil.
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Formgebungsverfahren
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Das
beispielhafte Verbundmaterial 42 für einen Läuferblock kann mit einer Vielzahl
von spanlosen Formgebungsverfahren hergestellt werden, zum Beispiel
Vakuumgießen,
Formpressen oder Entgasungsschnecken-Spritzgießen und Pressspritzen, wie
jedem Fachmann bekannt ist. Das nachstehend beschriebene, beispielhafte
spanlose Formgebungsverfahren wird in Zusammenhang mit dem Formen eines
beispielhaften Epoxydharzmaterials 44 und eines beispielhaften
E-Glas-Verstärkungsmaterials 46 bereitgestellt.
Das E-Glas-Verstärkungsmaterial
wird beispielhaft sowohl in Form von Matten als auch Fasern bereitgestellt,
wie nachstehend ausführlicher
erläutert.
Es könnten
jedoch, wie vorstehend erläutert, andere
oder zusätzliche
Harzmaterialien, Verstärkungsmaterialien
und/oder Zusatzstoffe verwendet werden. Für den Fachmann ist ferner selbstverständlich,
dass einige oder alle der nachstehend beschriebenen Formgebungs-Schritte in der Reihenfolge
geändert,
ausgetauscht, modifiziert oder sogar übersprungen werden könnten.
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Zum
Formen des beispielhaften Läuferblocks
aus dem Verbundmaterial 42 ist es von Vorteil, einen Werkzeughohlraum
auf die Formverweiltemperatur vorzuheizen, in der Regel auf etwa
100°C bis etwa
200°C und
vorzugsweise auf etwa 130°C
bis etwa 180°C.
Das E-Glas-Verstärkungsmaterial,
vorzugsweise in Form von vorgestanzten Matten und in Form von Fasern,
wird in den Werkzeughohlraum gelegt. Die Mengen an ausgerichteten
Matten und ungerichteten kurzen Fasern sollten im Voraus festgelegt
sein, um eine gleichbleibende Qualität des Produkts zu gewährleisten.
Anschließend
wird der Werkzeughohlraum geschlossen.
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Das
Harz, vorzugsweise in flüssiger
Form, wird zusammen mit einem Härter
in den Werkzeughohlraum gepumpt oder in anderer Weise dort hinein verbracht,
um mit Vorteil chemisch vernetzte Verbindungen im Harz zu erzeugen. Überschüssiges Harz kann
durch Kanäle
oder Entlastungsöffnungen
während
des Formungszyklus oder durch andere Mittel entfernt werden.
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Die
Formgebungstemperatur sollte für
etwa 40 Minuten bis etwa 200 Minuten einwirken, um die Komponenten
im Werkzeughohlraum zu härten,
und ein Druck von bis zu mehreren Bar (etwa) kann für das Aushärten vorteilhaft
oder nicht vorteilhaft sein. Der Werkzeughohlraum kann schnell abgekühlt werden
(d. h. innerhalb von 5 bis etwa 20 Minuten), um die Zykluszeit durch
geeignete Mittel zu verbessern, etwa durch Durchleiten von Wasser
oder Öl
durch die in das Formwerkzeug integrierten Kühlkanäle, die nicht in Kontakt mit
dem Verbundmaterial 42 sind. Je kürzer jedoch die Zeit für die Temperaturänderung
im Harz während
des Aushärtens
und der Abkühlschritte
des Formungszyklus ist, desto größer sind
Restspannungen und das Risiko eines Verbundwerkstoffvolumenschwunds
im Verbundmaterial 42.
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Selbstverständlich kann
das vorstehend beschriebene, beispielhafte spanlose Formgebungsverfahren
auf vielfältige
Weise modifiziert werden. Wenn zum Beispiel das Verstärkungsmaterial 46 in den
Werkzeughohlraum eingebracht wird, kann das Verstärkungsmaterial 46 in
Form von getrockneten Glasmatten, harzbeschichteten Glasmatten (z.
B. vorimprägniertes
Fasermaterial (Prepreg) im B-Zustand), oder Prepreg im B-Zustand
mit einer vorbeschichteten Lage aus Verstärkungsmaterial 46 oder Harzmaterial 44 in
Form von Fasern oder Partikeln 48 vorliegen. Ferner kann
mehr als ein Verstärkungs- oder
Harzmaterial 44, 46 in den Werkzeughohlraum eingebracht
werden, bevor der Werkzeughohlraum geschlossen und das Harzmaterial 44 hineingepumpt wird.
Bei einem weiteren Beispiel können
Fasern oder Partikel 48 des Verstärkungsmaterials 46 zusammen
mit dem Harzmaterial 44 in den Werkzeughohlraum gepumpt
werden.
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Die
Herstellung eines Läuferblocks
oder eines anderen Verbundwerkstoffs 42 mithilfe der vorstehend
beschriebenen spanlosen Formgebungsverfahren bietet viele Vorteile
gegenüber
der CNC-Bearbeitung. Ein Vorteil besteht in der Fähigkeit,
Verstärkungsmaterial
aus Kurzfasern zwischen ausgerichteten Lagen aus Stanzteilen aus
Glas-Verstärkungsmaterial
zu integrieren. Dies erhöht
den Modul und die Festigkeit der Matrix zwischen den Glaslagen und verbessert
die physikalischen Eigenschaften des Verbundmaterials 42 insgesamt.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, das zur Formgebung
verwendete Harzverbundmaterial 42 stärker querisotropisch zu machen,
indem ungerichtete Glasmatten, Vlies oder symmetrisches Gewebe für die Matteneinlagen
verwendet werden, die ein stark quer-isotropisches Material zum
Ergebnis haben und Prüfung
und Formgebung erheblich vereinfachen. Ferner sind die Verbundmaterialeigenschaften
in Längs-
(X-X-) und Quer- (Y-Y-) Richtung im Wesentlichen identisch, wohingegen
die Eigenschaften in Vertikal- (Z-Z-) Richtung nicht damit identisch
sind und erheblich abweichen können,
was eine Prüfung
in alle drei Koordinatenrichtungen überflüssig macht und die Formgebung
aufgrund der Symmetrie in XY-Richtung vereinfacht.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, die Kosten für die Herstellung
von Bauteilen zu senken. Zum Beispiel kann ein Familienwerkzeug
für jeden
Typ von Läuferblock 34, 36, 38 verwendet
werden. Somit kann, unter beispielhafter Bezugnahme auf 3A,
die Länge
des Familienwerkzeugs dieselbe Länge
wie die längste
Länge des
Läuferblocks in
dieser Familie annehmen. Sollen kürzere Läuferblöcke in dieser Familie hergestellt
werden, kann ein Werkzeugeinsatz im Werkzeughohlraum angebracht werden,
der den Raum im Werkzeughohlraum einnimmt, der nicht zum Formen
des kürzeren
Läuferblocks
benötigt
wird. Das Werkzeug kann aus kostengünstigem Aluminium oder Stahl
hergestellt werden, was zusätzlich
zur Reduzierung der Kosten der Bauteilherstellung auf etwa ein Drittel
der Kosten bei CNC-Bearbeitung reduziert.
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Ein
weiterer Vorteil von spanlosen Formgebungsverfahren besteht darin,
dass der Effekt eliminiert wird, dass die Harzmatrix die Festigkeit
der erhabenen Merkmale oder Bereiche in Vertikal- (Z-Z-) Richtung
des Verbundmaterials 42 bestimmt. Die CNC-Bearbeitung von
Verbundschichten führt
zu einer allgemein flachen Mikrostruktur in diesen Bereichen, wie
in 1A dargestellt, wohingegen das spanlose Formen
des Verbundwerkstoffs der vorliegenden Erfindung zu einer im Allgemeinen
nicht flachen, gebogenen oder gewinkelten Mikrostruktur in diesen
erhabenen Bereichen führt,
wie in 4A gezeigt. Diese nicht flache
Mikrostruktur verleiht dem Verbundmaterial 42 insgesamt
Festigkeit und verhindert das Abplatzen oder Abschälen von
Schichten des Verbundmaterials 42.