EP2220748A2 - Verfahren zum herstellen einer stator-gehäuse-einheit - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer stator-gehäuse-einheit

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EP2220748A2
EP2220748A2 EP08862858A EP08862858A EP2220748A2 EP 2220748 A2 EP2220748 A2 EP 2220748A2 EP 08862858 A EP08862858 A EP 08862858A EP 08862858 A EP08862858 A EP 08862858A EP 2220748 A2 EP2220748 A2 EP 2220748A2
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EP
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stator
housing
expansion temperature
housing unit
reaching
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Withdrawn
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EP08862858A
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Inventor
Jörg NELGES
Thomas Gilke
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ABB Technology AG
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ABB Technology AG
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
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    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
    • H02K1/185—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to outer stators
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40—Additives
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    • C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09J161/00—Adhesives based on condensation polymers of aldehydes or ketones; Adhesives based on derivatives of such polymers
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
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    • Y10T29/49009—Dynamoelectric machine

Definitions

  • the invention relates to methods for manufacturing a stator-housing unit for an electric machine, wherein a stator is connected to a housing, a stator housing unit and a paint material.
  • stator usually contains layered laminations with grooves for winding conductors, which are introduced during the manufacturing process of the electric machine.
  • a stator is usually connected during the manufacturing process of an electric machine with a housing surrounding him or added to this.
  • a housing is used for example for mechanical protection of the manufactured electric machine but also for their better handling. It is for example possible to provide fasteners on the housing, which facilitate the subsequent assembly of the electrical machine.
  • the disadvantage is that even after the joining of stator and housing due to the manufacturing technology necessary clearance fits between the stator and the housing are present, which adversely affect the heat transfer between the winding conductors and outer interface.
  • the length of such a necessary manufacturing distance is typically in the range of 0.1 mm to 2 mm, the power of corresponding electrical machines being between a few kW and several 100 MW.
  • the method for producing a stator housing unit for an electrical machine is characterized in that before joining the stator and housing at least a partial surface of the common contact surfaces is coated with a paint material, which is an irreversibly expanding upon first reaching a certain expansion temperature addition of material and that the connected stator-housing unit is heated to at least the expansion temperature.
  • a paint material based on phenolic resin is used with the material additive mentioned above and with a further proportion of boron nitride.
  • boron nitride advantageously increases the thermal conductivity of a phenolic resin-based paint material.
  • the thermal conductivity between stator and housing can be further increased.
  • the stator is connected to the housing only after a predetermined minimum time after coating of the stator and / or housing.
  • the applied lacquer layer dries before connecting in an advantageous manner and the connection process can be further simplified.
  • stator housing unit for an electrical machine which is characterized in that on at least a partial surface of the contact surface between the stator and the housing, a paint material is present, which is irreversibly expanded after first reaching a certain expansion temperature addition of material having.
  • the object according to the invention is furthermore achieved by a paint material based on phenol resin with 5% to 10% by weight of a material additive which irreversibly expands when an expansion temperature is reached for the first time and 10% to 20% boron nitride.
  • the details of the proportions by weight relate in each case to the liquid state of the paint material.
  • boron nitride for example, the products of the company Boron Nitride Momentive Performance Materials type BN5 or CF100 have proven.
  • a suitable phenolic resin is, for example, the product LG 9968 from Hexion / Bakelite.
  • FIG. 1 shows a first overview image with a separate coated first stator and a first housing
  • FIG. 2 shows a second overview image with a connected stator-housing unit
  • FIG. 1 shows a first overview image 10 of a separate first stator 12 and of a first housing 14 of an electrical machine. Both the stator 12 and the housing 14 are indicated in an idealized form as rotationally symmetrical about an axis of rotation 30. According to the invention, electric machines in the power range of a few kW up to several 100 MW are conceivable.
  • the stator 12 has an outer diameter 13, which is smaller than the inner diameter 15 of the housing, wherein the design match of inner diameter 15 to outer diameter 13, for example in the range of 0.2mm to 4mm, resulting in distances between stator and housing of 0.1 mm to 2mm.
  • the stator 12 is coated on its outer circumferential surface with a lacquer layer 16 which has a thickness 17 and has not yet been heated to an expansion temperature and has a thickness of, for example, 0.05 to 1 mm. Due to any unevenness of the outer surface of the stator 12 and tolerances in the coating process, the thickness 17 of the lacquer layer 16 may vary.
  • stator 12 and housing 14 Before connecting stator 12 and housing 14, first the later common contact area of stator 12 and housing 14 is to be completely or partially coated with a paint material according to the invention.
  • the contact surface is formed by the outer circumferential surface of the stator 12 and the inner circumferential surface of the housing 14. Accordingly, at least one of the two mentioned surfaces forming the contact surface is to be painted in the area of the later contact surface at which the thermal conductivity between the stator 12 and the housing 14 is to be improved.
  • a coated stator 12 is shown while the housing 14 is uncoated.
  • the average thickness of the paint layer is in the range of 50 .mu.m to 600 .mu.m in the air-dried state, ie after the lapse of a certain time interval after the coating process.
  • the thickness of the lacquer layer in the so-called wet state is higher, for example by a factor of 1, 5 to 4.
  • a suitable time interval is in the range of 10 minutes to 2 hours, depending on the layer thickness, ambient temperature conditions, composition of the paint material and other influencing factors.
  • Stator 12 and housing 14 are subsequently pushed into each other, which is indicated in the figure by a directional arrow 18.
  • FIG. 2 shows a second overview image of a stator housing unit 20 with a second stator 22 and a second housing 24.
  • the space between the second stator 22 and the second housing 24 is completely filled with a lacquer layer which, after being connected, already heated to expansion temperature has been. During the heating process, a volume expansion of the lacquer layer took place, which filled up any air volumes. Due to the complete filling of the intermediate space, an additional mutual mechanical fixation of stator and housing takes place in an advantageous manner.
  • Particularly favorable properties are achieved, in particular, by using a coating material with 5% to 10% by weight of a material additive that irreversibly expands when an expansion temperature is reached for the first time, 10% to 20% of boron nitride and phenolic resin.
  • a coating material with 5% to 10% by weight of a material additive that irreversibly expands when an expansion temperature is reached for the first time 10% to 20% of boron nitride and phenolic resin.
  • the boron nitride improves the thermal conductivity in this case.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit (20) für eine elektrische Maschine, wobei ein Stator (12, 22) mit einem Gehäuse (14, 24) verbunden wird. Vor dem Verbinden wird wenigstens eine Teilfläche der gemeinsamen Kontaktflächen mit einem Lackmaterial beschichtet, welches einen beim erstmaligen Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz aufweist. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Stator-Gehäuse-Einheit (20) und ein Lackmaterial mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes, 10% bis 20% Bornitrid und Phenolharz

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit für eine elektrische Maschine, wobei ein Stator mit einem Gehäuse verbunden wird, eine Stator-Gehäuse-Einheit und ein Lackmaterial.
Es ist allgemein bekannt, dass elektrische Maschinen wie beispielsweise Asynchronmotoren oder Generatoren einen Stator aufweisen. Ein solcher Stator enthält üblicherweise geschichtete Blechpakete mit Nuten für Wicklungsleiter, welche während des Fertigungsprozesses der elektrischen Maschine eingebracht werden.
Ein Stator wird während des Fertigungsprozesses einer elektrischen Maschine üblicherweise mit einem ihn umgebenden Gehäuse verbunden beziehungsweise in dieses gefügt. Ein derartiges Gehäuse dient beispielsweise zum mechanischen Schutz der gefertigten elektrischen Maschine aber auch zu deren besserer Handhabung. Es ist beispielsweise möglich, Befestigungselemente an dem Gehäuse vorzusehen, welche die spätere Montage der elektrischen Maschine erleichtern.
Es ist fernerhin bekannt, dass sich elektrische Maschinen während ihres Betriebes aufgrund von elektrischen Verlusten erwärmen, wobei diese Verlustwärme aus thermischen Gründen aus den elektrischen Maschinen herauszuleiten ist. Eine derartige Erwärmung tritt insbesondere in den elektrischen Wicklungsleitern auf und führt zur Erwärmung der diese umgebenden Bauteile, welche die Wärmeenergie letztendlich über eine äußere Grenzfläche der elektrischen Maschine an die Umgebung ableiten. Ein Bauteil, welches einen hohen Anteil an äußerer Grenzfläche der elektrischen Maschine aufweist, ist deren Gehäuse. Dieses kann beispielsweise auch mit Kühlrippen versehen sein, um durch die damit verbundene Erhöhung der äußeren Grenzfläche eine erwünschte erhöhte Wärmeabgabefähigkeit zu erreichen.
Nachteilig ist, dass auch nach dem Fügen von Stator und Gehäuse aufgrund der fertigungstechnisch notwendigen Spielpassungen Abstände zwischen Stator und Gehäuse vorhanden sind, welche den Wärmeübergang zwischen Wicklungsleitern und äußerer Grenzfläche nachteilig beeinflussen. Die Länge eines derartigen fertigungstechnisch notwendigen Abstandes liegt je nach Größe oder Leistung der elektrischen Maschine typischerweise im Bereich von 0.1 mm bis 2mm, wobei die Leistungen entsprechender elektrischer Maschinen zwischen einigen kW und mehreren 100MW liegen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und Mittel zur Herstellung einer Stator-Gehäuse-Einheit anzugeben, mit welchem die Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator und Gehäuse verbessert wird beziehungsweise eine entsprechende Stator-Gehäuse-Einheit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art.
Demgemäß kennzeichnet sich das Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse- Einheit für eine elektrische Maschine dadurch, dass vor dem Verbinden von Stator und Gehäuse wenigstens eine Teilfläche der gemeinsamen Kontaktflächen mit einem Lackmaterial beschichtet wird, welches einen beim erstmaligen Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz aufweist und dass die verbundene Stator-Gehäuse-Einheit auf wenigstens die Expansionstemperatur erhitzt wird.
Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, Volumina zwischen verbundenem Stator und Gehäuse, welche sich aus der für den Verbindungsvorgang fertigungstechnisch notwendigen Spielpassung ergeben, mit einem festen Expansionsmaterial von ge- genüber Luft erhöhter Wärmeleitfähigkeit zu füllen. Das Expansionsmaterial hat weiterhin den Vorteil, dass die mechanische Verbindung zwischen Stator und Gehäuse durch das Ausfüllen der Volumina weiter gesteigert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Lackmaterial, welches auf Phenolharz basiert, mit dem eingangs genannten Materialzusatz und mit einem weiteren Anteil Bornitrid verwendet.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass Bornitrid die Wärmeleitfähigkeit eines auf Phenolharz basierenden Lackmaterials vorteilhaft erhöht. Damit kann die Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator und Gehäuse weiter gesteigert werden.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Variante des erfindungsgemäße Verfahren, bei der ein auf Phenolharz basierendes Lackmaterial mit 5% -10% Gewichtsanteil des bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10%-20% Bornitrid verwendet wird. Die Angaben der Gewichtsanteile beziehen sich jeweils auf den flüssigen Zustand des Lackmaterials.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stator erst nach einer vorgegebenen Mindestzeit nach dem Beschichten von Stator und/oder Gehäuse mit dem Gehäuse verbunden.
Auf diese Weise trocknet die aufgetragene Lackschicht vor dem Verbinden in vorteilhafter Weise an und der Verbindungsvorgang kann weiter vereinfacht werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch eine Stator-Gehäuse-Einheit für eine elektrische Maschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass auf wenigstens einer Teilfläche der Kontaktfläche zwischen Stator und Gehäuse ein Lackmaterial vorhanden ist, welches einen nach erstmaligem Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierten Materialzusatz aufweist.
Fertigungstechnisch bedingte auf einem Spalt zwischen Stator und Gehäuse beruhende Volumina sind in vorteilhafter Weise mit Expansionsmaterial gefüllt. Dadurch ist eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator und Gehäuse erreicht. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird fernerhin gelöst durch ein auf Phenolharz basierendes Lackmaterial mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10% bis 20% Bornitrid. Die Angaben der Gewichtsanteile beziehen sich jeweils auf den flüssigen Zustand des Lackmaterials. In getrocknetem Zustand des mit Materialzusatz versehenen auf Phenolharz basierenden Lackmaterials, also nach Entweichen der flüchtigen Bestandteile, ergeben sich andere Gewichtsanteile der Materialzusätze, welche ca. 12,5 bis 25% Gewichtsanteil des bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und ca. 25% bis 50% Bornitrid betragen.
Es hat sich gezeigt, dass diese Zusammensetzung zur Lösung der genannten Aufgabe besonders geeignet ist.
Als irreversibel expandierender Materialzusatzes eignet sich beispielsweise das Produkt .Expancel' Typ 950 DU 120 der Firma AKZO Nobel. ,Expancel' kennzeichnet sich dadurch, dass in einer gasdichten, nur wenige Mikrometer großen Kunststoffhülle eine exakt bemessene Menge eines Treibmittels eingeschlossen ist. Wenn diese Mikrosphäre erwärmt bzw. erhitzt wird, erweicht die Kunststoffhülle, das Treibmittel wird gasförmig und die Mikrosphäre expandiert irreversibel in definierter Weise. Es sind aber auch andere Materialzusätze mit ähnlichen Eigenschaften denkbar, auch solche, die nach anderen Wirkprinzipien arbeiten, beispielsweise Expansion aufgrund chemischer Vorgänge.
Als geeignetes Bornitrid haben sich beispielsweise die Produkte der Firma Bornitrid Momentive Performance Materials vom Typ BN5 oder CF100 erwiesen.
Ein geeignetes Phenolharz ist beispielsweise das Produkt vom Typ LG 9968 der Firma Hexion/Bakelite.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Übersichtsbild mit separatem beschichteten ersten Stator und erstem Gehäuse Fig. 2 ein zweites Übersichtsbild mit verbundener Stator-Gehäuse-Einheit
Fig. 1 zeigt ein erstes Übersichtsbild 10 eines separaten ersten Stators 12 und eines ersten Gehäuses 14 einer elektrischen Maschine. Sowohl der Stator 12 als auch das Gehäuse 14 sind in idealisierter Form als rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 30 angedeutet. Erfindungsgemäß sind elektrische Maschinen im Leistungsbereich von einigen kW bis hin zu mehreren 100MW denkbar.
Der Stator 12 weist einen Außendurchmesser 13 auf, welcher kleiner ist, als der Innendurchmesser 15 des Gehäuses, wobei das konstruktionsgemäße Spiel von Innendurchmesser 15 zu Außendurchmesser 13 beispielsweise im Bereich von 0,2mm bis 4mm liegt, woraus sich Abstände zwischen Stator und Gehäuse von 0.1mm bis 2mm ergeben. Der Stator 12 ist an seiner äußeren Mantelfläche mit einer Lackschicht 16 beschichtet, welche eine Dicke 17 aufweist und noch nicht auf eine Expansionstemperatur erhitzt wurde und eine Dicke von beispielsweise 0,05 bis 1mm aufweist . Durch eventuelle Unebenheiten der Außenfläche des Stators 12 und auch Toleranzen beim Beschichtungsvorgang kann die Dicke 17 der Lackschicht 16 variieren.
Vor dem Verbinden von Stator 12 und Gehäuse 14 ist zunächst die spätere gemeinsame Kontaktfläche von Stator 12 und Gehäuse 14 komplett oder teilweise mit einem erfindungsgemäßen Lackmaterial zu beschichten. Die Kontaktfläche wird durch die äußere Mantelfläche des Stators 12 und die innere Mantelfläche des Gehäuses 14 gebildet. Demgemäß ist vor dem Verbinden wenigstens eine der beiden genannten die Kontaktfläche bildenden Flächen in dem Bereich der späteren Kontaktfläche zu lackieren, an dem die Wärmeleitfähigkeit zwischen Stator 12 und Gehäuse 14 zu verbessern ist. In Fig. 1 ist ein beschichteter Stator 12 gezeigt, während das Gehäuse 14 unbeschichtet ist. Je nach Größe und Leistung der elektrischen Maschine liegt die mittlere Dicke der Lackschicht im Bereich von 50μm bis 600μm im luftgetrockneten Zustand, d.h. nach Verstreichen eines bestimmten Zeitintervalls nach dem Beschichtungsvorgang. Unmittelbar nach dem Beschichtungsvorgang ist die Dicke der Lackschicht im sogenannten nassen Zustand höher, beispielsweise um den Faktor 1 ,5 bis 4. Diese Reduktion der Schichtdicke beruht darauf, dass in dem Lackmaterial flüchtige Bestandteile enthalten sind, welche während des Zeitintervalls verdunsten. Ein geeignetes Zeitintervall liegt je nach Schichtdicke, Umgebungstemperaturbedingungen, Zusammensetzung des Lackmaterials und anderen Einflussfaktoren im Bereich von 10 min bis 2 Stunden.
Stator 12 und Gehäuse 14 werden nachfolgend ineinandergeschoben, was in der Fig. durch einen Richtungspfeil 18 angedeutet ist.
Fig. 2 zeigt ein zweites Übersichtsbild einer Stator-Gehäuse-Einheit 20 mit einem zweiten Stator 22 und einem zweiten Gehäuse 24. Der Zwischenraum zwischen zweiten Stator 22 und zweitem Gehäuse 24 ist komplett mit einer Lackschicht gefüllt, welche nach dem Verbinden bereits auf Expansionstemperatur erhitzt wurde. Während des Erhitzvorgangs erfolgte einer Volumenexpansion der Lackschicht, welche eventuelle Luftvolumina ausgefüllt hat. Durch die komplette Ausfüllung des Zwischenraumes erfolgt in vorteilhafter Weise eine zusätzliche gegenseitige mechanische Fixierung von Stator und Gehäuse.
Besonders günstige Eigenschaften werden insbesondere durch das Verwenden eines Lackmaterials mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes, 10% bis 20% Bornitrid und Phenolharz erreicht. Das Bornitrid verbessert in diesem Falle die Wärmeleitfähigkeit.
Für den Fall, dass das theoretische Expansionsvolumen des beschichteten Lackmaterials das zu füllende Volumen zwischen Stator und Gehäuse übersteigt, stoppt der Expansionsprozess aufgrund der damit verbundenen Druckerhöhung insbesondere bei dem oben genannten Lackmaterial eigenständig. 6a
Bezuqszeichenliste
erstes Übersichtsbild separater erster Stator und erstes Gehäuse erster Stator Außendurchmesser erster Stator erstes Gehäuse Innendurchmesser erstes Gehäuse erste Lackschicht Dicke erste Lackschicht Bewegungsrichtung beim Verbinden zweites Übersichtsbild Stator-Gehäuse-Einheit zweiter Stator zweites Gehäuse zweite Lackschicht Rotationsachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Stator-Gehäuse-Einheit (20) für eine elektrische Maschine, wobei ein Stator (12, 22) mit einem Gehäuse (14, 24) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden wenigstens eine Teilfläche der gemeinsamen Kontaktflächen mit einem Lackmaterial beschichtet wird, welches einen beim erstmaligen Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz aufweist, und dass die verbundene Stator-Gehäuse- Einheit (20) auf wenigstens die Expansionstemperatur erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung ein Lackmaterial auf Phenolharzbasis mit einem Anteil Bornitrid verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als für die Beschichtung ein Lackmaterial auf Phenolharzbasis mit 5% -10% Gewichtsanteil des bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10%-20% Bornitrid verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12, 22) erst nach einer vorgegebenen Mindestzeit nach dem Beschichten mit dem Gehäuse (14, 24) verbunden wird.
5. Stator-Gehäuse-Einheit (20) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Teilfläche der Kontaktfläche zwischen Stator (12, 22) und Gehäuse (14, 24) ein Lackmaterial vorhanden ist, welches einen nach erstmaligem Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierten Materialzusatz aufweist.
6. Lackmaterial auf Phenolharzbasis mit 5% bis 10% Gewichtsanteil eines bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatzes und 10% bis 20% Bornitrid.
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