EP3776809A1 - Elektromotor mit geschrägtem stator und/oder rotor enthaltend mindestens eine schicht eines verbundwerkstoffs - Google Patents

Elektromotor mit geschrägtem stator und/oder rotor enthaltend mindestens eine schicht eines verbundwerkstoffs

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Publication number
EP3776809A1
EP3776809A1 EP19711573.6A EP19711573A EP3776809A1 EP 3776809 A1 EP3776809 A1 EP 3776809A1 EP 19711573 A EP19711573 A EP 19711573A EP 3776809 A1 EP3776809 A1 EP 3776809A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
layer
range
composite material
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19711573.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Drewes
Tobias LEWE
Florian HERGET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3776809A1 publication Critical patent/EP3776809A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/04—Details of the magnetic circuit characterised by the material used for insulating the magnetic circuit or parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/17—Stator cores with permanent magnets
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/26—Rotor cores with slots for windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/24—Casings; Enclosures; Supports specially adapted for suppression or reduction of noise or vibrations

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor with a slanted stator and / or rotor, comprising at least one layer of a composite material, characterized in that the composite material has at least one electrical steel layer as carrier and at least one polymer layer; the use of the composite to reduce acoustic emission in helical electric motors and a method of reducing the acoustic emission in these electric motors based on the use of the composite.
  • the present invention relates to all types of electric motors in that there is a continuous inclination of the stator, a continuous slanting of the rotor and a segment-wise rotation in the rotor (especially in the case of permanent-magnet excited synchronous machines). Furthermore, a type of inclination of the stator pole shoes and the rotor surface can be generated by a continuously or segmentally modified section of the stator or rotor blades. In the following, all variants are referred to as "slanted electric motor”.
  • An embodiment of the present invention relates to a beveled electric motor with stator and / or rotor containing at least one layer of a composite material, characterized in that the composite material has at least one electrical tape layer as a carrier and at least one polymer layer.
  • electric motors in which a continuous skew of the stator, a continuous skew of the rotor and / or a segment-wise rotation in the rotor (especially in the case of permanent magnet excited synchronous machines) are to be used. Furthermore, motors are used in which a continuously or segmentally modified section of stator or rotor blades produces a kind of skewing of the stator pole shoes and the rotor surface.
  • stator and rotor are made from sheet metal packages made up of a multitude of thin sheet metal layers called lamellae, which are electrically insulated from each other.
  • a rotor and / or stator to be used in accordance with the invention is thus constructed from lamellae, thus several layers. These layers are arranged in an alternative perpendicular to the axis of rotation of the rotor. In a further alternative, the layers are arranged parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • the alternative with the lamellae arranged perpendicular to the axis of rotation is preferably used according to the invention.
  • the electric motor according to the invention can be designed as an external rotor or bell rotor (rotor is outside) or as an internal rotor (rotor is inside the stator).
  • the alternative with internal rotor is preferred.
  • An embodiment of the present invention relates to a beveled electric motor, characterized in that the composite material has a further electrical strip layer as a cover plate, thus comprising a first and a second electrical strip layer and a interposed therebetween polymeric layer.
  • the beveled electric motor is characterized in that the polymer layer contains or consists of a shear deformation damping polymer.
  • a shear deformation damping polymer is a polymer that dampens shear deformations.
  • the reference is always the rotati- onsachse of the rotor in the respective electric motor. More specifically, the shear dislocation is described as a deformation of the polymer layer due to a torsional mode. This results from the superimposition of a mode 2 (or higher) order in the radial direction and a first-order mode (possibly higher order) in the axial direction.
  • a non-beveled electric motor produces radial in operation with respect to the axis of rotation (preferably the axis of the rotor)
  • Vibrations These vibrations can be transmitted to the housing. If the amplitudes of these radial vibrations are combined in a plane perpendicular to the axis of rotation, oval or ovoid forms result, corresponding to the number of detected amplitudes.
  • an axial phase shift in the sense of the invention is a component which is parallel to the axis of rotation. This is an immediate axial component.
  • an axial component is also a change of at least one feature of the radial oscillation along the axis of rotation.
  • the features are selected from the group consisting of or consisting of amplitude, frequency and phase shift, the resulting as described above form of the amplitudes of the radial vibration in a plane perpendicular to the axis of rotation se.
  • the composite material has a layer thickness in the range of 3 to 20 pm.
  • the composite material to be used according to the invention has defined soft magnetic properties in the range of monolithic electrical steel sheets in comparison with composites known from the prior art.
  • the composite has specific magnetization losses at P1, 0; 50 Hz in the range of 1, 0 to 1, 5 W / kg and at P1, 5; 50 Hz in the range of 2.4 to 3.3 W / kg and / or a polarization at J2500 in the range of 1, 49 to 1, 57 T and in J5000 in the range of 1, 60 to 1, 65 T determined according to DIN EN 60404-2.
  • the composite material very particularly preferably has specific magnetic reversal losses in the range of
  • the composite material to be used according to the invention has a comparable iron filling factor (as described below) in the area of application of a stator and / or rotor core.
  • the composite prevents and / or dampens the generated vibrations at its source. This prevents transmission to the housing.
  • the structure-borne noise generated by the electric motor but also the airborne noise generated by the housing is thereby significantly reduced. Consequently, there is a reduction in the acoustic emission of the entire electric motor.
  • the effectiveness of the reduction of the acoustic emission can additionally be increased by interaction with engine-specific features and (if necessary) lead to logistical effects.
  • the specific re-magnetization losses of electrical steel sheets depend very much on the thicknesses or on the cross-section of the sheets used. As a rule, the smaller the layer thickness of the electrical strip, the lower the eddy current losses and thus the specific re-magnetization losses.
  • two electrical tapes of the same quality with a thickness of 0.25 mm can be included. glued on other. Based on an engine type, this can either significantly increase the efficiency of the engine or allow the construction of a smaller engine with the same efficiency. The latter would bring a weight advantage.
  • the use of a lower quality electrical tape is possible. As a result, an engine can be produced with the same efficiency, which is cheaper to produce compared to the above type of engine.
  • the composites themselves, as well as the components produced therefrom sometimes come into contact with various, sometimes very aggressive, oils which can attack the polymeric layer and thus lead to delamination. It is therefore desirable that the polymeric layer be resistant to such engineering oils.
  • the polymer layer is in one alternative a viscoelastic material and contains or consists essentially of a viscoelastic polymer.
  • the term “substantially” means that at least 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 72% 74% 76%, 78%, preferably 80%, 82%, 84%, 86%, 88%, more preferably 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, especially 96%, 97%, 98%, 99% or 100% (by volume or weight percent) of a material, such as
  • the vikoelastic material consists of a certain substance, here viscoelastic polymer.
  • viscoelastic polymers are used, selected from the group consisting of or consisting of: urethane rubbers, fluorine-based elastomers, fluorine-based rubbers, silicone rubbers, nitrile rubbers, butyl rubbers, acrylic rubbers, natural rubbers, styrene-butadiene rubbers , Polyesters, polyurethanes, polyamides, ethylene-vinyl acetate copolymers, polyvinyl butyral, polyvinyl butyral polyvinyl acetate copolymers, and epoxy-acrylate networks and combinations thereof;
  • thermoplastic polymers are used which are selected from the group consisting of polyacrylates, polycarbonates, polyetherimides. Polyesters, polysulfones, polystyrenes, acrylonitrile-butadiene-styrene block copolymers, polypropylenes, acetal polymers, polyamides, polyvinyl chlorides, polyethylenes, polyurethanes, and combinations thereof; preferably contains or consists of polyesters, polyurethanes, polyamides and combinations thereof.
  • the polymers are also crosslinkable to increase their strength.
  • these are classified as thermosetting or radiation-curable resins.
  • a resin is present before the manufacture of the composite material. fes in a thermoplastic state.
  • the thermosetting or radiation curable resin is typically cured and / or crosslinked to a solid state.
  • at least one curing agent e.g., a catalyst may be included which, upon exposure to a suitable energy source (such as thermal energy or radiation such as IR, UV, X-ray, electron) initiates polymerisation of the thermosetting resin.
  • a suitable energy source such as thermal energy or radiation such as IR, UV, X-ray, electron
  • Particularly preferred viscoelastic polymers are those based on acrylates.
  • acrylate-based means that essentially an acrylate is used as starting material (with the definition of the term "essentially” as described above, in addition the percentages in an alternative relate to the molar ratio.)
  • An acrylate is an educt according to the invention is selected from the group consisting of or consisting of: acrylic acid, methacrylic acid,
  • the copolymerized mixture consists of at least one alkyl acrylate ester monomer unit and / or alkyl methacrylate ter monomer unit, both having an alkyl group with 1 to 12 carbon atoms, a glycidyl monomer unit and an unsaturated carboxylic acid monomer unit.
  • the glycidyl monomer unit is preferably selected from the group consisting of allyl glycidyl ether, glycidyl acrylate ester, glycidyl methacrylate ester and / or mixtures thereof.
  • the alkyl acrylate ester monomer unit and / or alkyl methacrylate tester monomer unit has an alkyl group of 4 to 12 carbon atoms.
  • the polymeric layer has a glass transition temperature higher than -15 ° C.
  • an alkyl acrylate ester monomer unit and / or alkyl methacrylate ester monomer unit having an alkyl group with 1 to 4 carbon atoms are added.
  • the crosslinked high molecular weight acrylate-based copolymer is comprised of a copolymerized blend of at least 55 to 85 weight percent of an alkyl acrylate ester monomer unit and / or alkyl methacrylate tester monomer unit, both having an alkyl group of 4 to 12 carbon atoms, 0 to 35% by weight of an alkyl acrylate ester monomer unit and / or alkyl methacrylate ester monomer unit, both having an alkyl group with 1 to 4 carbon atoms, 0.01 to 2% by weight of a glycidyl monomer unit, 1 to 15 wt .-%, more preferably 3 to 13 wt .-% of an unsaturated carboxylic acid monometal purity, and 0.05 to 1 wt .-% of a crosslinker together.
  • the alkyl acrylate ester monomer unit and / or alkyl methacrylate test monomer unit having an alkyl group of 4 to 12 carbon atoms is selected from 2-ethylhexyl acrylate, isooctyl acrylate, butyl acrylate, 2-methylbutyl acrylate, 4-methyl-2-pentyl acrylate , Isodecylmethacrylat, methyl acrylate, ethyl acrylate, methyl methacrylate and / or a mixture thereof.
  • the unsaturated carboxylic acid monomer unit is selected from acrylic acid, methacrylic acid, fumaric acid and / or a mixture thereof.
  • Preferred mixtures are composed of acrylic acid and methacrylic acid, of acrylic acid and fumaric acid or of methacrylic acid and fumaric acid.
  • the copolymerization is carried out with the assistance of a solvent mixture, preferably a mixture of ethyl acetate and acetone.
  • a solvent mixture preferably a mixture of ethyl acetate and acetone.
  • the solvent mixture has a ratio that allows for reflux in the range of 68 to 78 ° C.
  • the solids content during the copolymerization in the range of 40 to 60 wt .-% to.
  • AIBN is preferably used as a radical initiator.
  • the copolymerization is preferably carried out under a nitrogen atmosphere, so that a high molecular weight copolymer, preferably with a mean molecular weight of> 500 kDa is achieved.
  • the crosslinker is preferably selected from aluminum acetylacetonate (AIACA) iron acetylacetonate (FeACA), titanium acetylacetonate (TiACA) or zirconium acetylacetonate (ZrACA).
  • AIACA aluminum acetylacetonate
  • FeACA iron acetylacetonate
  • TiACA titanium acetylacetonate
  • ZrACA zirconium acetylacetonate
  • the electrical strip layer has a layer thickness in the range of 50 to 1500 miti, more preferably in the range of 50 to 1000 miti, even more preferably in the range of 50 to 750 miti and most preferably in the range of 50 to 650 miti ,
  • the electrical steel is a non-grain oriented electrical steel.
  • the insulating layer may consist of an organic polymer such as, for example, an acrylate, alkyd, epoxy, melamine, phenolic, polyamide, polyester and polyurethane resin or a mixture thereof.
  • the organic polymer may contain further inorganic components, for example aluminum phosphate, pigments and / or fillers, for example titanium dioxide, barium sulfate, calcium carbonate (kaolin), silicon dioxide or zinc sulfide).
  • the insulating layer consists of a thermally activated adhesive.
  • the composite material to be used according to the invention is produced in a continuous process which comprises the following process steps:
  • the first electrical strip layer as well as the second electrical strip layer is provided as a coil.
  • the coating of the first electrical strip layer preferably takes place by means of a coater.
  • a homogeneous layer of the polymeric agent is applied to the first electrical strip layer.
  • the application takes place in such a way that, after the laminating step, the composite material has a polymeric layer with a layer thickness in the range of 3 to 20 ⁇ m, preferably 3 to 10 ⁇ m, more preferably in the range of 4 to 8 ⁇ m and most preferably in the range from 4.5 to 7.5 pm.
  • the uncoated side of the electrical tape is coated with the polymeric agent.
  • a pretreatment of the first electrical strip layer takes place between the step of providing the first electrical strip layer and the application of the polymeric layer.
  • the pretreatment is a purification.
  • the surface of the electrical tape used is freed from adhering dirt particles and oils and thus prepared for application with the polymeric agent.
  • the high molecular weight acrylate-based copolymer is derived from a copolymerized mixture of at least one alkyl acrylate monomer unit and / or alkyl methacrylate ester monomer unit, both having one alkyl group of 1 to 12 carbon atoms, a glycidyl monomer, purity, and an unsaturated carboxylic acid monomer unit formed.
  • the electrical steel layers are heated to a temperature in the range of 150 to 250 ° C, more preferably in the range of 160 to 190 ° C, more preferably in the range of 175 to 185 ° C.
  • the heating of the electrical steel layers can be done by conventional ovens or by induction. Corresponding techniques are known to the person skilled in the art.
  • the still hot composite material usually passes through a cooling section, where it cools to room temperature and is then wound into a coil.
  • a thermally activatable adhesive is applied by means of a coil coating process to one, more preferably on both sides of the composite material. This may be partially, more preferably applied over the entire surface of the composite material become.
  • a composite material produced in this way has soft magnetic properties, which are in the range of monolithic electrical steel sheets, in comparison to composites known from the prior art.
  • the composite has a specific Ummagnetleiters- losses at P1, 0; 50 Hz in the range of 0.7 to 7 W / kg and at P1, 5; 50 Hz in the range of 1, 9 to 15 W / kg and / or a polarization at J2500 in the range of 1, 49 to 1, 7 T and in J5000 in the range of 1, 6 to 1, 8 T determined according to DIN EN 60404-2.
  • the composite material has a specific mitigation losses in the range of
  • the composite material to be used according to the invention is further processed to form a stator and / or rotor stack containing a plurality of layers of the composite material, the composite material being present as the lamellae described above.
  • a stator and / or rotor package may preferably have a homogeneous or heterogeneous structure.
  • a homogeneous structure consists of a plurality of layers of the composite material.
  • a heterogeneous structure consists of a multiplicity of layers, ie lamellae, of the composite material to be used according to the invention and of monolithic electrical strip layers arranged therebetween.
  • the structure may have an arrangement in which every third layer consists of a monolithic electrical steel strip.
  • the package may contain only one, at least one, at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
  • the present invention relates to a beveled electric motor comprising a stator and / or rotor package described above.
  • the present invention relates to a generator containing a stator and / or rotor package described above.
  • stator and or rotor package is produced in a process comprising the steps:
  • the separation of the lamellae from the composite material can take place, for example, by means of a suitable punching or cutting tool or by laser cutting.
  • the separated lamellae are stacked or joined together during the separation process or subsequently into a package.
  • the lamellae (layers) are preferably joined by means of punching packages, whereby a mechanical connection is produced between the individual lamellae. This connection is formed by elevations that are punched into the individual slats.
  • the individual lamellae are glued together.
  • a thermally activatable adhesive is used for bonding.
  • the bonding can be done partially, more preferably over the entire surface with the thermally activated adhesive. This can be activated before, during or after the stacking of the slats.
  • the thermally activated adhesive activated via the various process steps and thus brought into a sticky state, so that a temporal and / or spatial separation is given.
  • the rotor and / or stator pack thus produced is fitted with the corresponding magnets or windings or cages and installed and connected in the housing of the electric motor.
  • 0.01-0.2 preferably 0.02 to 0.1; more preferably 0.025-0.05; in particular 0.028-0.035 at 20 ° C and 500 Hz;
  • the damping is expressed in the context of the invention on the above loss factor is determined according to standard EN ISO 6721. It is the attenuation of structure-borne noise in mechanical / acoustic vibrations, so the so-called structure-borne sound attenuation.
  • the skewed electric motor has a reduction in acoustic emission in the frequency range of 20-20,000 Hz compared to a control.
  • the electric motor has a reduction of the acoustic emission compared to a control of 0.1 -20 dB, preferably 0.5-18 dB, 0.5-15 dB, particularly preferably 0.1 -20 dB, 1 -1520 dB, 1 to 10 dB, in particular 1, 0 to 9 dB,
  • the electric motor has an attenuation, that is to say a system damping in the mass-spring-damper system, or a damping factor (at room temperature) of 0.035-1.0, preferably 0.45-1.0. particularly preferably 0.55-0.9, in particular 0.6-0.7 in a frequency range of 820-1000 Hz, preferably 850-900 Hz.
  • the electric motor has a damping factor of 0.045-1, 0, preferably 0.5-1, 0, particularly preferably 0.55-0.9, in particular 0.6-0, 8 in a frequency range between 820 and 1000 Hz , preferably 850 and 900 Hz.
  • the inventive slanted electric motor an increase in the damping factor in the range between 870 and 1000 Hz, preferably 880 and 950 Hz by 100-1000%, preferably 150- 800%, more preferably 200-600%, in particular 300-500% compared to a control on.
  • an electric motor which preferably differs in only one feature from the electric motor according to the invention;
  • the distinguishing feature is preferably selected from the group consisting of or consisting of: material of which the blades of the rotor and / or stator are bevelled, bevelled versus non-skewed electric motor, composition of the polymer layer of the disks, order of disks of different types, motor load, operating temperature etc.
  • Another object of the present invention is the use of a composite material having at least one electrical tape layer as a carrier and at least one polymer layer for reducing the acoustic emission of a slanted electric motor.
  • a composite material to be used according to the invention as described above is used in the construction of a rotor and / or stator for a beveled electric motor, in particular the composite material described above is used as lamellae in the rotor and / or stator.
  • the composite material described above is used as lamellae in the rotor and / or stator.
  • there is at least one novelty ie a layer of the above-described composite material, preferably several such layers are used, in particular the entire rotor and / or stator is made up of lamellae of the composite material to be used according to the invention.
  • the invention relates to a method for reducing the acoustic emission of a beveled electric motor, characterized in that the stator and / or rotor of the electric motor contains at least one layer of a composite material with at least one electrical strip layer as a carrier and at least one polymer layer.
  • the slanted electric motors according to the invention are generally to be used as automotive drive motors. Furthermore, it is possible on the basis of the present invention to modify conventional, inclined electric motors in the sense of the invention by replacing individual to all lamellae of the rotor and / or stator with the above-described composite material to be used according to the invention.
  • the mode of operation of a standardized, cost-effective machine is investigated for determining or analyzing the properties and features of the inclined electric motor according to the invention.
  • an asynchronous machine is examined, which is preferably subjected to little thermal stress in the stator.
  • an unchanged machine so a commercial, slanted electric motor is used with, for example, the following properties: 6-pole asynchronous machine, diameter stator 170 mm, diameter rotor 115 mm, effective length 150 mm.
  • 6-pole asynchronous machine In general, such a control should be selected as close to the application as possible for use in a motor vehicle.
  • an asynchronous machine in particular because they are acoustically more sensitive than PSM, show a lower rigidity.
  • Preferred is a standardized industrial machine.
  • the same or an identical motor is used, in which at least one layer, lamella of the rotor or stator is replaced by the composite material to be used according to the invention.
  • the electric motor is reassembled and connected. At least one, preferably several measuring points for determining the acoustic emission are determined on the housing. This determines the structure-borne noise.
  • the airborne sound or sound pressure, sound pressure level at a specified distance can be determined by means of microphone.
  • the analysis can also be performed in a simulation on a previously parameterized model based on the control. For this purpose, in addition to measuring points, also excitation points are determined.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit geschrägtem Stator und/oder Rotor enthaltend mindestens eine Schicht eines Verbundwerkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mindestens eine Elektrobandschicht als Träger und mindestens eine Polymerschicht aufweist; die Verwendung des Verbundstoffes zur Verringerung der akustischen Emission bei geschrägten Elektromotoren, sowie ein Verfahren zur Verringerung der akustischen Emission bei diesen Elektromotoren basierend auf der Verwendung des Verbundstoffes.

Description

Elektromotor mit geschrägtem Stator und/oder Rotor enthaltend mindestens eine Schicht eines Verbundwerkstoffs
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit geschrägtem Stator und/oder Rotor enthaltend mindestens eine Schicht eines Verbundwerkstoffs da- durch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mindestens eine Elektroband- schicht als Träger und mindestens eine Polymerschicht aufweist; die Verwendung des Verbundstoffes zur Verringerung der akustischen Emission bei geschrägten Elektromotoren sowie ein Verfahren zur Verringerung der akustischen Emission bei diesen Elektromotoren basierend auf der Verwendung des Verbundstoffes.
Die vorliegende Erfindung betrifft alle Typen von Elektromotoren indem eine kontinu- ierliche Schrägung des Stators, eine kontinuierliche Schrägung des Rotors sowie ei- ne segmentweise Verdrehung im Rotor (vor allem bei Permanentmagneterregten Synchronmaschinen) vorliegt. Des Weiteren kann durch einen kontinuierlich oder segmentweise veränderten Ausschnitt von Stator oder Rotorlamellen eine Art Schrä- gung der Statorpolschuhe sowie der Rotoroberfläche erzeugt werden. Im nachfol- gend werden alle Varianten als„geschrägter Elektromotor“ bezeichnet.
Der Einsatz von Elektromotoren findet heute weite Verbreitung um Verbrennungsmo- toren und die damit verbundenen Probleme zu vermeiden. Dadurch steigen die An- forderungen an Elektromotoren, insbesondere in neuen Einsatzgebieten. Ein Nach- teil herkömmlicher Elektromotoren ist deren akustische Emission, die unter Lärm- schutzaspekten, auch im Bereich der Automobile von immer größerer Bedeutung ist. Hier wurden die bisher eingesetzten Elektromotoren akustisch von dem Geräusch der Verbrennungsmotoren übertönt.
Durch elektromagnetische Kräfte werden sowohl Rotor als auch Stator in Schwingun- gen versetzt. Dies führt einerseits zu Körperschall, so dass die elektromagnetische Kraftanregung in Elektromotoren eine Geräuschanregung erzeugt und eine Verfor- mung von Teilen des Elektromotors, wie zum Beispiel Rotor, Stator und/oder insbe- sondere Gehäuse bewirkt. Insbesondere die Zugkraftwellen innerhalb des Elektro- motors regen außerdem Teile des Motors zu Schwingungen an. Diese periodische Verformung und Bewegung beispielsweise des Gehäuses führt zu einer Abstrahlung von Luftschall. Beides, Körperschall und Luftschall wird insbesondere bei hohen Fre- quenzen, also als hohe Töne, störend wahrgenommen. Darüber hinaus führen Schwingungen zu unerwünschten Spannungen, Verschiebungen sowie Ermüdung des Materials. Die erzeugten Schwingungen werden auf angrenzende, mit dem Elek- tromotor verbundene Teile übertragen und führen dort ebenfalls zu Spannungen, Verschiebungen sowie Ermüdung des Materials.
Bisher wurde versucht die akustische Emission meistens durch Dämmung von Ge- häuse und Verkleidungen der Motoren zu verringern. Ein solcher Ansatz wurde zum Beispiel in der US 6,844,646 und US 6,867,513 verfolgt. Solche und ähnliche Ansät- ze führen jedoch zu einer Erhöhung des Gesamtgewichts und sind somit für eine Verbesserung der E - Mobilität wenig hilfreich.
Ein weiterentwickelter Ansatz wird in der US 6,19 1 ,510 und US 6,49 9,209 beschrie- ben. Hier basiert die Geräuschverminderung auf einem innengedämpften Kern eines Stators, Rotors oder Transformators, der jeweils eine vibrationsdämpfende Material- schicht zwischen 2 magnetischen Schichten aufweist. Als vibrationsdämpfende Ma- terialschicht wird eine ca. 25 pm dicke viskoelastische Folie auf Basis eines vernetz- ten Acrylpolymers eingesetzt.
Ziel der weiteren Entwicklung bleibt jedoch eine Akustik - Optimierung ohne Leis- tungseinbußen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit Elektromotoren zur Verfügung zu stellen die eine verminderte akustische Emission gegenüber dem Stand der Technik und/oder einer Kontrolle zeigen bzw. ein Verfahren zur Verminderung der akusti- schen Emission bei Elektromotoren zur Verfügung zu stellen. Dabei sollte keine Ver- schlechterung anderer Eigenschaften erfolgen, wie zum Beispiel eine Erhöhung des Gewichts, ein schnellerer Verschleiß von Teilen, die mit dem Elektromotor in Verbin- dung stehen, sowie die Effizienz der Motoren.
Des Weiteren sollte schon die Entstehung von Schwingungen und/oder Vibrationen an der Quelle unterdrückt werden und/oder eine Dämpfung möglichst nahe der Quel- le, vor einer Ausbreitung auf andere Teile, erfolgen. Dadurch soll der Einsatz von se- kundären Akustikmaßnahmen reduziert werden oder gar entfallen.
Insbesondere sollen sich positive Effekte durch Kombination der verwendeten Stoffe und Aufbau der Motoren ergeben, besonders bevorzugt sollten dabei synergetische Effekte auftreten. Viele dieser Maßnahmen sollen zu einer Reduzierung des Ge- wichts führen und somit zu einer Erhöhung der Reichweite von Automobilen mit Elek- troantrieb.
Bisherige Maßnahmen zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften von Elektro- motoren wurden auf Kosten des Wirkungsgrades erzielt. Außerdem sollen primäre Schallminderungsmaßnahmen, wie zum Beispiel Luftspalt zwischen Rotor und Stator verringert werden um eben die Energieeffizienz zu erhöhen. Die einzusetzenden Werkstoffe sollen lediglich geringe Verarbeitung - und Handlingskosten vorweisen. Dies soll auch durch einen einfachen Prototypenbau gewährleistet sein, in welchem Serienwerkzeuge genutzt werden können.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung Nachteile des oben beschriebenen Standes der Technik zu überwinden und/oder alternative Lösungen bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe durch Ausführungen wie in den Ansprüchen definiert.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung betrifft einen geschrägten Elektromotor mit Stator und/oder Rotor enthaltend mindestens eine Schicht eines Verbundwerk- stoffs dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mindestens eine Elektro- bandschicht als Träger und mindestens eine Polymerschicht aufweist.
Elektromotoren können folgende Kategorien oder Klassen eingeteilt werden: einer- seits Synchronmaschinen: Fremderregte Synchronmaschinen, Permanentmagnet erregte Synchronmaschinen, Synchron Reluktanzmaschinen und Transversalfluss- maschine; andererseits Asynchronmaschinen: Drehfeldmaschinen mit Schleifring läufer oder Käfigläufer. Die genannten Motoren können sowohl mit oder ohne Schrä- gung im Stator sowie im Rotor ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß sind Elektromotoren in denen eine kontinuierliche Schrägung des Stators, eine kontinuierliche Schrägung des Rotors und/oder eine segmentweise Ver- drehung im Rotor (vor allem bei Permanentmagneterregten Synchronmaschinen) einzusetzen. Des Weiteren werden Motoren eingesetzt, bei denen ein kontinuierlich oder segmentweise veränderter Ausschnitt von Stator oder Rotorlamellen eine Art Schrägung der Statorpolschuhe sowie der Rotoroberfläche erzeugt.
Zur Vermeidung von Wirbelsturmverlusten werden Stator und Rotor aus Blechpake- ten hergestellt, die sich aus einer Vielzahl von dünnen Blechschichten, genannt La- mellen, zusammensetzen, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Ein erfindungs- gemäß einzusetzender Rotor und/oder Stator ist also aus Lamellen, mithin mehreren Schichten aufgebaut. Diese Schichten sind in eine Alternative senkrecht zur Rotati- onsachse des Rotors angeordnet. In einer weiteren Alternative sind die Schichten parallel zur Rotationsachse des Rotors angeordnet. Bevorzugt wird die Alternative mit den zur Rotationsachse senkrecht angeordneten Lamellen erfindungsgemäß ver- wendet.
Der erfindungsgemäße Elektromotor kann als Außenläufer oder Glockenläufer (Rotor liegt außen) oder als Innenläufer (Rotor liegt innerhalb des Stators) ausgeführt sein. Bevorzugt wird die Alternative mit Innenläufer.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung betrifft einen geschrägten Elektromotor dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine weitere Elektrobandschicht als Deckblech aufweist, mithin eine erste und eine zweite Elektrobandschicht und ei- ne dazwischen angeordnete polymere Schicht umfasst.
In einer weiteren Ausführung ist der geschrägte Elektromotor dadurch gekennzeich- net, dass die Polymerschicht ein schubdeformastiondämpfendes Polymer enthält oder daraus besteht.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein schubdeformationdämpfendes Polymer ein Polymer welches Schubdeformationen dämpft. Als Bezug dient immer die Rotati- onsachse des Rotors in dem jeweiligen Elektromotor. Genauer wird die Schubdefor- mation als Deformation der Polymerschicht aufgrund eines Torsionsmode beschrie- ben. Dieser ergibt sich aus der Überlagerung eines Mode 2. (oder höherer)Ordnung in radialer Richtung und eines Mode 1. Ordnung (ggf. höherer Ordnung) in axialer Richtung.
Ein nicht - geschrägter Elektromotor erzeugt beim Betrieb in Bezug auf die Rotations- achse (bevorzugt handelt es sich dabei bei um die Achse des Rotors) radiale
Schwingungen. Diese Schwingungen können auf das Gehäuse übertragen werden. Verbindet man die Amplituden dieser radiale Schwingungen in einer Ebene senk- recht zur Rotationsachse ergeben sich ovale oder ovoide Formen, entsprechend der Anzahl an erfassten Amplituden.
Bei geschrägten Elektromotoren weisen die Schwingungen neben den radialen Kom- ponenten auch eine axiale Phasenverschiebung auf. Eine axiale Phasenverschie- bung im Sinne der Erfindung ist eine Komponente die parallel zur Rotationsachse ist. Dabei handelt es sich um eine unmittelbare axiale Komponente.
Im Sinne der Erfindung ist eine axiale Komponente auch eine Änderung mindestens eines Merkmals der radialen Schwingung entlang der Rotationsachse. Die Merkmale sind ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Amplitude, Fre- quenz und Phasenverschiebung, die sich wie oben beschriebene ergebende Form der Amplituden der radialen Schwingung in einer Ebene senkrecht zur Rotationsach- se.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 20 pm aufweist.
Der erfindungsgemäße einzusetzende Verbundwerkstoff weist im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verbundwerkstoffen definierte weichmagnetische Eigenschaften auf, die im Bereich von monolithischen Elektrobandblechen liegen.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisierungsverluste bei P1 ,0; 50 Flz im Bereich von 0,7 bis 7 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 1 ,9 bis 15 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 T bis 1 ,7 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,6 T bis 1 ,8 T ermittelt nach DIN EN 60404-2 auf.
In einer bevorzugteren Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff spezifische Um- magnetisierungsverluste bei P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,0 bis 1 ,5 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 2,4 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,57 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,60 bis 1 ,65 T ermittelt nach DIN EN 60404-2 auf. Ganz besonders bevorzugt weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisie- rungsverluste im Bereich von
• P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,3 bis 1 ,5 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 2,8 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,55 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,60 bis 1 ,65 T, oder
• P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,35 bis 1 ,5 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 3,0 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,57 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,60 bis 1 ,65 T, oder
• P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,0 bis 1 ,1 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 2,4 bis 2,8 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,52 bis 1 ,54 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,61 bis 1 ,63 T ermittelt nach DIN EN 60404-2.
Der erfindungsgemäß einzusetzende Verbundwerkstoff weist im Anwendungsbereich eines Stator- und/oder Rotorpakets einen vergleichbaren Eisenfüllfaktor (wie unten beschrieben) auf.
Vorzugsweise beträgt der Eisenfüllfaktor in einem Stator- und/oder Rotorpaket unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs 96,0 % bis 99,0 %, mehr bevorzugt 97,8 % bis 99,0 %, noch mehr bevorzugt 98,3 bis 98,9 und am meisten bevorzugt 98,5 % bis 98,8 %.
Durch den Einsatz des Verbundwerkstoffs kann nicht nur aktiv der entstehende Kör- perschall im Elektromotor signifikant reduziert, sondern zudem durch beispielsweise Variation der eingesetzten Elektrobandblechdicken entweder ein weiterer Kostenvor- teil und/oder eine erhöhte Effizienz generiert werden.
Der Verbundstoff verhindert und/oder dämpft die erzeugten Schwingungen an ihrer Quelle. Dadurch wird eine Übertragung auf das Gehäuse verhindert. Der von dem Elektromotor erzeugte Körperschall aber zusätzlich auch der vom Gehäuse erzeugte Luftschall wird dadurch deutlich reduziert. Mithin findet eine Verringerung der akusti- schen Emission des gesamten Elektromotors statt.
Die Effektivität der Verringerung der akustischen Emission kann zusätzlich durch Zu- sammenwirken mit motorspezifischen Merkmalen gesteigert werden und (gegebe- nenfalls) zu logistischen Effekten führen.
Die spezifischen Ummagnetisierungsverluste von Elektrobandblechen hängen sehr stark von den Dicken bzw. von dem Querschnitt der eingesetzten Bleche ab. In der Regel gilt, dass je kleiner die Schichtdicke des Elektrobands ist, desto geringer fallen die Wirbelstromverluste und somit die spezifischen Ummagnetisierungsverluste aus. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundblechs können - im Ver- gleich zu einem monolithischen Elektroband mit einer Dicke von beispielsweise 0,5 mm - zwei Elektrobänder der gleichen Qualität mit einer Dicke von 0,25 mm mitein- ander verklebt werden. Bezogen auf einen Motortyp kann dadurch entweder die Effi zienz des Motors signifikant erhöht oder der Bau eines kleineren Motors mit gleicher Effizienz ermöglicht werden. Letzteres würde einen Gewichtsvorteil mit sich bringen. Ferner ist auch die Verwendung eines Elektrobands geringerer Qualität möglich. Hierdurch kann ein Motor mit gleicher Effizienz hergestellt werden, der im Vergleich zum obigen Motortyp kostengünstiger herstellbar ist.
In der Praxis kommen die Verbundwerkstoffe selbst als auch die daraus erzeugten Bauteile teilweise in Kontakt mit unterschiedlichen teils sehr aggressiven Ölen, die die polymere Schicht angreifen können und somit zu einer Delamination führen. Es ist daher wünschenswert, dass die polymere Schicht gegen solche technischen Öle beständig ist.
Die Polymerschicht ist in einer Alternative ein viskoelastisches Material und enthält oder besteht im Wesentlichen aus einem viskoelastischen Polymer. Sinne der Erfin- dung bedeutet der Begriff "im Wesentlichen", dass mindestens 50 %, 55%, 60 %, 65%, 70 %, 72% 74% 76%, 78%, bevorzugt 80 %, 82%, 84% ,86%, 88%, besonders bevorzugt 90%, 91 %, 92%, 93%, 94%, 95%, insbesondere 96%, 97%, 98%, 99% oder 100 % (Volumen oder Gewichtsprozent) eines Materials, wie hier zum Beispiel des vikoelastischen Materials, aus einem bestimmten Stoff, hier viskoelastisches Po- lymer, besteht.
Die Polymere können in einer Alternative isotrope, in einer weiteren Alternative ani- sotrope Materialien sein, insbesondere im Hinblick auf ihre elastischen Eigenschaf- ten.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden viskoelastische Polymere eingesetzt, Ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus: Urethankau- tschuke, Elastomere auf Fluorbasis, Kautschuke auf Fluorbasis, Silikonkautschuke, Nitrilkautschuke, Butylkautschuke, Acryl kautschuke, Naturkautschuke, Styrol-Butadi- en-Kautschuke, Polyester, Polyurethane, Polyamide, Ethylen-Vinylacetat-Copolyme- re, Polyvinylbutyral, Polyvinylbutyral-Polyvinylacetat-Copolymere und Epoxy-Acrylat- Netzwerke und Kombinationen davon;
bevorzugt Polyester, Polyurethane, Polyamide und Kombinationen davon.
In einer weiteren Ausführung werden thermoplastische Polymere eingesetzt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Polyacrylaten, Polycarbonaten, Polyetherimiden be- steht. Polyester, Polysulfone, Polystyrole, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Blockcopolyme- re, Polypropylene, Acetalpolymere, Polyamide, Polyvinylchloride, Polyethylene, Poly- urethane und Kombinationen davon; bevorzugt Polyester, Polyurethane, Polyamide und Kombinationen davon enthält oder daraus besteht.
In einer Alternative sind die Polymere auch vernetzbar, um ihre Festigkeit zu erhö- hen. Üblicherweise werden diese als wärmehärtbare oder strahlenhärtbare Harze klassifiziert. Ein solches Harz befindet sich vor der Herstellung des Verbundwerkstof- fes in einem thermoplastischen Zustand. Während des Herstellungsprozesses wird das wärmehärtbare oder strahlenhärtbare Harz typischerweise zu einem festen Zu- stand gehärtet und / oder vernetzt. In Abhängigkeit von dem speziellen verwendeten Harz kann mindestens ein Härtungsmittel, z. B. einen Katalysator, enthalten sein, welches, bei Aussetzen einer geeigneten Energiequelle (wie Wärmeenergie oder Strahlung wie zum Beispiel IR-, UV-Herr, Röntgen-, Elektronen-Strahlung) die Poly- merisation des wärmehärtbaren Harzes initiiert. Besonders bevorzugte viskoelasti- sche Polymere sind solche auf Basis von Acrylaten.
Erfindungsgemäß können auch Mischungen von beliebigen der vorstehenden Poly- mere, bzw. deren Ausgangsstoffen verwendet werden.
In einer Ausführung, einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Er- findung wird als Polymer ein Acrylat - basiertes Copolymer, bevorzugt hochmolekular und/oder vernetzt eingesetzt. Insbesondere wird ein Copolymer vorzugsweise aus ei- ner copolymerisierten Mischung von mindestens einer Alkylacrylatester-Monomerein- heit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, einer Glycidyl-Monomereinheit, einer un- gesättigte Carbonsäure-Monomereinheit, und einem Vernetzer zusammensetzt, er- findungsgemäß verwendet. Hierbei ist kein Aufquellen der polymeren Schicht oder Delamination des Verbundwerkstoffs erkennbar ist.
Im Sinne der Erfindung bedeutet Acrylat - basiert, dass als Edukt im Wesentlichen ein Acrylat eingesetzt wird (mit der Definition des Begriffs "im Wesentlichen" wie oben beschrieben, zusätzlich betreffen die Prozentangaben in eine Alternative das Mol-Verhältnis. Als Acrylat wird ein Edukt erfindungsgemäß bezeichnet, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus: Acrylsäure, Methacrylsäure,
(Meth)Acrylsäureester mit einer Alkylgruppe die ein bis 12 Kohlenstoffatomen auf- weist, bevorzugt 4-12; oder Mischungen hiervon.
In einer mehr bevorzugten Ausführungsform setzt sich das vernetzte hochmolekulare Acrylat-basierte Copolymer ausschließlich aus den beiden Komponenten, der copoly- merisierten Mischung und dem Vernetzer, zusammen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform besteht die copolymerisierte Mischung aus mindestens einer Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylates- ter-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, einer Glycidyl-Monomereinheit und einer ungesättigte Carbonsäure-Mo- nomereinheit.
Vorzugsweise ist die Glycidyl-Monomereinheit ausgewählt aus der Gruppe enthal- tend oder bestehend bestehend aus Allylglycidylether, Glycidylacrylatester, Glycidyl- methacrylatester und/oder Mischungen hiervon. Vorzugsweise weist die Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacryla- tester-Monomereinheit eine Alkylgruppe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen auf.
Sofern die polymere Schicht eine Glassübergangstemperatur von höher -15 °C auf- weist kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der zu copolymerisierenden Mischung eine Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Mo- nomereinheit mit einer Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen zugegeben wer- den.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform setzt sich das vernetzte hochmolekulare Acrylat-basierte Copolymer aus einer copolymerisierten Mischung von mindestens 55 bis 85 Gew.-% einer Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacryla- tester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, 0 bis 35 Gew.-% einer AI kylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkyl- methacrylatester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlen- stoffatomen aufweisen, 0,01 bis 2 Gew.-% einer Glycidyl-Monomereinheit, 1 bis 15 Gew.-%, mehr bevorzugt 3 bis 13 Gew.-% einer ungesättigte Carbonsäure-Monome- reinheit, und 0,05 bis 1 Gew.-% eines Vernetzers zusammen.
Vorzugsweise weist die copolymerisierte Mischung eine mittlere molare Masse im Bereich von 500 bis 1500 kDa, mehr bevorzugt 600 bis 1000 kDa, noch mehr bevor- zugt 700 bis 900 kDa, am meisten bevorzugt 800 kDa ± 20 kDa auf. Die mittlere mo- lare Masse wird hierbei mittels GPC ermittelt. Zur Kalibrierung wurde Polystyrolstan- dard verwendet.
Vorzugsweise wird die Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacryla- tester-Monomereinheit, aufweisend eine Alkylgruppe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen ausgewählt aus 2-Ethylhexylacrylat, Isooctylacrylat, Acrylsäurebutylester, 2-Methyl- butyl-acrylat, 4-Methyl-2-pentyl-acrylat, Isodecylmethacrylat, Acrylsäuremethylester, Acrylsäureethylester, Methacrylsäuremethylester und/oder einer Mischung hiervon.
Vorzugsweise wird die ungesättigte Carbonsäure-Monomereinheit ausgewählt aus Acrylsäure, Methacrylsäure, Fumarsäure und/oder einer Mischung hiervon. Bevor- zugte Mischungen setzen sich zusammen aus Acrylsäure und Methacrylsäure, aus Acrylsäure und Fumarsäure oder aus Methacrylsäure und Fumarsäure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Copolymerisation unter Zuhilfe- nahme eines Lösungsmittelgemisches, vorzugsweise eines Gemisches aus Essig- säureethylester und Aceton, durchgeführt. Bevorzugt weist das Lösungsmittelge- misch ein Verhältnis aus, das einen Rückfluss im Bereich von 68 bis 78 °C erlaubt.
Vorzugsweise beträgt der Feststoffanteil während der Copolymerisation im Bereich von 40 bis 60 Gew.-% auf. Für die Copolymerisation wird vorzugsweise AIBN als Radikalstarter verwendet. Weiterhin wird die Copolymerisation vorzugsweise unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, so dass ein hochmolekulares Copolymer, vorzugsweise mit einer mitt leren Molmasse von > 500 kDa erzielt wird.
Vorzugsweise ist der Vernetzer ausgewählt aus Aluminiumacetylacetonat (AIACA) Eisenacetylacetonat (FeACA), Titanacetylacetonat (TiACA) oder Zirkoniumacetylace- tonat (ZrACA).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrobandschicht eine Schichtdicke im Bereich von 50 bis 1500 miti, mehr bevorzugt im Bereich von 50 bis 1000 miti, noch mehr bevorzugt im Bereich von 50 bis 750 miti und am meisten bevorzugt im Bereich von 50 bis 650 miti auf.
Zur Fierstellung des erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoffs können zwei gleich dicke oder unterschiedlich dicke Elektrobandschichten verwendet wer- den.
Bevorzugt ist das Elektroband ein nicht-kornorientiertes Elektroband.
Um Kurzschlüsse zwischen zwei Elektrobändern zu verhindern werden die Elektro- bandschichten gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung mit einer Isolationsschicht versehen, um eine elektrische Abschirmung zu erzielen. Vorzugsweise weist die Elektrobandschicht eine Isolationsschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 5 miti, mehr bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 miti, insbesondere 1 ,0 bis 1 ,5 miti auf.
Die Isolationsschicht kann aus einem organischen Polymer wie beispielsweise einem Acrylat-, Alkyd-, Epoxid-, Melamin-, Phenol-, Polyamid-, Polyester- und Polyurethan- harz oder einer Mischung hiervon bestehen. Gemäß einer anderen bevorzugten Vari- ante kann das organische Polymer weitere anorganische Komponenten, beispiels weise Aluminiumphosphat, Pigmente und/oder Füllstoffe, wie beispielsweise Titandi- oxid, Bariumsulfat, Calciumcarbonat (Kaolin), Siliziumdioxid oder Zinksulfid) enthal- ten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante besteht die Isolationsschicht aus einem thermisch aktivierbaren Klebstoff.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die polymere Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 10 miti, mehr bevorzugt 4 bis 8 miti, am meisten bevorzugt im Bereich von 4,5 bis 7,5 pm auf.
Gemäß einer Ausführung wird der erfindungsgemäß einzusetzende Verbundwerk- stoff in einer kontinuierlichen Verfahren hergestellt, welches die folgenden Verfah- rensschritte umfasst:
Bereitstellen einer ersten Elektrobandschicht, Beschichten der ersten Elektrobandschicht mit einem polymeren Mittel, beste- hend aus einem hochmolekularen Acrylat-basierten Copolymer und einem Vernetzer,
Erwärmen der beschichteten ersten Elektrobandschicht,
Bereitstellen und erwärmen einer zweiten Elektrobandschicht,
Laminieren der beiden Elektrobandschichten, so dass ein Verbundwerkstoff mit einer polymeren Schicht bestehend aus einem vernetzten hochmolekula- ren Acrylat-basierten Copolymer mit einer Schichtdicke im Bereich von 3 bis 20 pm erhalten wird.
Vorzugsweise wird die erste Elektrobandschicht als auch die zweite Elektroband- schicht als Coil bereitgestellt.
Vorzugsweise erfolgt die Beschichtung der ersten Elektrobandschicht mittels eines Coaters. Hierdurch wird eine homogene Schicht des polymeren Mittels auf die erste Elektrobandschicht appliziert. Die Applikation erfolgt derart, dass der Verbundwerk- stoff nach dem Schritt des Laminierens eine polymere Schicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 3 bis 20 pm, vorzugsweise 3 bis 10 pm, mehr bevorzugt im Bereich von 4 bis 8 pm und am meisten bevorzugt im Bereich von 4,5 bis 7,5 pm aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die unbeschichtete Seite des Elektro- bands mit dem polymeren Mittel beschichtet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform findet zwischen dem Schritt des Bereitstellens der ersten Elektrobandschicht und dem Aufträgen der polymeren Schicht eine Vorbehandlung der ersten Elektrobandschicht statt. Vorzugsweise han- delt es sich bei der Vorbehandlung um eine Reinigung. Hierbei wird die Oberfläche des eingesetzten Elektrobands von anhaftenden Schmutzpartikeln sowie Ölen befreit und somit auf die Applikation mit dem polymeren Mittel vorbereitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das hochmolekulare Acrylat-basierte Co- polymer von einer copolymerisierten Mischung von mindestens einer Alkylacrylates- ter-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, wobei beide ei- ne Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, einer Glycidyl-Monome- reinheit, und einer ungesättigte Carbonsäure-Monomereinheit gebildet.
Vorzugsweise werden die Elektrobandschichten auf eine Temperatur im Bereich von 150 bis 250 °C, mehr bevorzugt im Bereich von 160 bis 190 °C, weiter bevorzugt im Bereich von 175 bis 185 °C erwärmt. Das Erwärmen der Elektrobandschichten kann mittels konventioneller Öfen oder mittels Induktion erfolgen. Entsprechende Techni- ken sind dem Fachmann bekannt.
Das Laminieren der beiden temperierten Elektrobandschichten erfolgt vorzugsweise mittels einer Dublierstation. Hierbei wird die erste Elektrobandschicht, auf die das po- lymere Mittel aufgetragen wurde mit der zweiten Elektrobandschicht zusammenge- führt, so dass der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff erhalten wird.
Der noch heiße Verbundwerkstoff durchläuft in der Regel eine Abkühlstrecke, wo er sich auf Raumtemperatur abkühlt und anschließend zu einem Coil gewickelt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird in einer nächsten Prozessetappe ein thermisch aktivierbarer Klebstoff mittels eines Coil-Coatings Ver- fahrens auf eine, mehr bevorzugt auf beide Seiten des Verbundwerkstoffs aufgetra- gen. Dieser kann teil-, mehr bevorzugt vollflächig auf den Verbundwerkstoff aufgetra- gen werden.
Bevorzugt weist ein derart hergestellter Verbundwerkstoff mit im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verbundwerkstoffen weichmagnetische Eigen- schaften auf, die im Bereich von monolithischen Elektrobandblechen liegen.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff einen spezifischen Ummagnetisierungs- verluste bei P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 0,7 bis 7 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Be- reich von 1 ,9 bis 15 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,7 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,6 bis 1 ,8 T ermittelt nach DIN EN 60404-2 auf.
In einer bevorzugteren Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff einen spezifi- schen Ummagnetisierungsverluste bei P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,0 bis 1 ,5 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 2,4 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,57 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,60 bis 1 ,65 T ermittelt nach DIN EN 60404-2 auf.
Ganz besonders bevorzugt weist der Verbundwerkstoff einen spezifischen Umma- gnetisierungsverluste im Bereich von
• P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,3 bis 1 ,5 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 2,8 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,55 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,60 bis 1 ,65 T, oder
• P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,35 bis 1 ,5 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 3,0 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,57 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,60 bis 1 ,65 T, oder
• P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 1 ,0 bis 1 ,1 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Bereich von 2,4 bis 2,8 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,52 bis 1 ,54 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,61 bis 1 ,63 T ermittelt nach DIN EN 60404-2.
Der erfindungsgemäß einzusetzende Verbundwerkstoff wird zu einem Stator - und/oder Rotorpaket enthaltend eine Vielzahl Lagen des Verbundwerkstoffs weiter- verarbeitet, wobei der Verbundwerkstoff als die oben beschriebenen Lamellen vor- liegt. Ein solches Stator- und/oder Rotorpaket kann vorzugsweise einen homogenen oder heterogenen Aufbau aufweisen. Ein homogener Aufbau besteht aus einer Vielzahl Lagen des Verbundwerkstoffs. Ein heterogener Aufbau besteht aus einer Vielzahl Lagen, also Lamellen, des erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoffs und dazwischen angeordneten monolithischen Elektrobandlagen. Beispielsweise kann der Aufbau eine Anordnung aufweisen, in der jede dritte Lage aus einem monolithi- schen Elektroband besteht. In eine Alternative kann das Paket auch nur eine, min- destens eine, mindestens 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10,11 ,12,13,14,15,16,17,18,20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,
31 ,32,33,34,35,36,37,38,39,40 oder mehr Lagen haben, bis zu 10000 einzelnen La- mellen (Lagen)
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen geschrägten Elek- tromotor enthaltend ein oben beschriebenes Stator- und/oder Rotorpaket.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Generator enthal- tend ein oben beschriebenes Stator- und/oder Rotorpaket.
In eine Alternative wird das oben beschriebene Stator - und oder Rotorpaket in ei- nem Verfahren hergestellt umfassend die Schritte:
• Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs,
• Abtrennen einer Vielzahl an Lamellen aus dem Verbundwerkstoff, und
• Verbinden der Lamellen zu einem Stator- und/oder Rotorpaket.
Das Abtrennen der Lamellen aus dem Verbundwerkstoff, der vorzugsweise als Coil vorliegt, kann beispielsweise mittels eines geeigneten Stanz- oder Schneidwerk- zeugs bzw. durch Laserbeschnitt erfolgen. Die abgetrennten Lamellen werden ent- weder während des Trennprozesses oder anschließend zu einem Paket gestapelt und miteinander verbunden.
Dadurch, dass bereits ein vorzugsweise als Coil vorliegender Verbundwerkstoff be- reitgestellt wird, ergibt sich ein Prozessvorteil beim Abtrennen gegenüber der Her- stellung des Stator- und/oder Rotorpakets unter Verwendung eines monolithischen Elektrobandblechs, da zur Bereitstellung eines Stator- und/oder Rotorpakets mit der gleichen Dicke nur die Hälfte der Abtrennschritte erforderlich wird.
Das Verbinden der Lamellen (Lagen) erfolgt vorzugsweise mittels Stanzpakettieren, dabei wird zwischen den einzelnen Lamellen eine mechanische Verbindung erzeugt. Diese Verbindung wird durch Erhöhungen gebildet, die in die einzelnen Lamellen ge- stanzt wird.
Gemäß einer bevorzugteren Ausführungsvariante werden die einzelnen Lamellen miteinander verklebt. Vorzugsweise wird zum Verkleben ein thermisch aktivierbarer Klebstoff verwendet. Das Verkleben kann teil-, mehr bevorzugt vollflächig mit dem thermisch aktivierbaren Klebstoff erfolgen. Dieser kann vor, während oder nach dem Stapeln der Lamellen aktiviert werden. Somit kann der thermisch aktivierbare Kleber über die verschiedenen Prozessschritte aktiviert und damit in einen klebrigen Zu stand gebracht werden, so dass eine zeitliche und/oder räumliche Trennung gege- ben ist.
Alternativ kann auch ein sog. Backlack oder eine punktförmige Klebeverbindung zum Verkleben der Lamellen verwendet werden.
Das so hergestellte Rotor - und/oder Statorpaket wird mit den entsprechenden Ma- gneten bzw. Wicklungen bzw. Käfigen bestückt und in das Gehäuse des Elektromo- tors eingebaut und angeschlossen.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung betrifft einen geschrägten Elektromotor mit Verbundwerkstoff wobei der Verbundwerkstoff eine Dämpfung im Bereich von 0,01 -0,2; bevorzugt 0,015-0,1 ; besonders bevorzugt 0,02-0,03; insbesondere 0,022- 0,025 bei 20 °C und 50 Hz;
0,01 -0,2; bevorzugt 0,02 bis 0,1 ; besonders bevorzugt 0,025-0,05; insbesondere 0,028-0,035 bei 20 °C und 500 Hz;
0,01 -0,1 ; bevorzugt 0,015-0,05; besonders bevorzugt 0,017-0,025; insbesondere 0,018-0,02 bei -10°C und 200 Hz;
0,01 -0,3; bevorzugt 0,02-0,2; besonders bevorzugt 0,04-0,15; insbesondere 0,06-1 ,0 bei 30 °C und 1000 Hz aufweist.
Die Dämpfung wird im Sinne der Erfindung über den oben genannten Verlustfaktor ausgedrückt der nach Norm EN ISO 6721 bestimmt wird. Dabei handelt es sich um die Dämpfung des Körperschalls bei mechanischen/akustischen Schwingungen, also die sogenannte Körperschalldämpfung.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der geschrägte Elektromotor eine Verringerung der akustischen Emission im Frequenzbereich von 20 - 20.000 Hz Vergleich zu einer Kontrolle auf.
In eine Alternative weist der Elektromotor eine Verringerung der akustischen Emissi- on im Vergleich zu einer Kontrolle von 0,1 -20 dB, bevorzugt 0,5-18 dB, 0,5-15 dB, besonders bevorzugt 0,1 -20 dB, 1 -1520 dB, 1 bis 10 dB, insbesondere 1 ,0 bis 9 dB,
1 -8, 1 ,7, 1 -6, 1 -5, 1 -4, 1 ,3, oder 1 -2 dB auf.
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Elektromotor eine Dämpfung, also eine Systemdämpfung im Masse-Feder-Dämpfer System, bzw. einen Dämpfungsfaktor (bei Raumtemperatur) von 0,035-1 ,0, bevorzugt 0,45-1 ,0, be- sonders bevorzugt 0,55-0,9, insbesondere 0,6-0, 7 in einem Frequenzbereich von 820-1000 Hz, bevorzugt 850 - 900 Hz auf. In einer Alternative weist der Elektromotor einen Dämpfungsfaktor von 0,045-1 ,0, bevorzugt 0,5-1 ,0, besonders bevorzugt 0,55- 0,9, insbesondere 0,6-0, 8 in einem Frequenzbereich zwischen 820 und 1000 Hz, be- vorzugt 850 und 900 Hz. In einer weiteren Alternative weist der erfindungsgemäße geschrägte Elektromotor eine Steigerung des Dämpfungsfaktors im Bereich zwi- schen 870 und 1000 Hz, bevorzugt 880 und 950 Hz um 100-1000 %, bevorzugt 150- 800 %, besonders bevorzugt 200-600 %, insbesondere 300-500 % gegenüber einer Kontrolle auf.
Als Kontrolle im Sinne der Erfindung dient ein Elektromotor der sich bevorzugt in le- diglich einem Merkmal von dem erfindungsgemäßen Elektromotor unterscheidet; be- vorzugt ist das Unterscheidungsmerkmal ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend: Material aus dem die Lamellen des Rotors und/oder Stators sind, geschrägter versus nicht- geschrägter Elektromotor, Zusammensetzung der Poly- merschicht der Lamellen, Reihenfolge von Lamellen unterschiedlicher Art, Motorbe- lastung, Betriebstemperatur etc.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Ver- bund Werkstoffs mit mindestens einer Elektrobandschicht als Träger und mindestens einer Polymerschicht zur Verringerung der akustischen Emission eines geschrägten Elektromotors.
Hierzu wird ein erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoff wie oben be- schrieben beim Aufbau eines Rotors und/oder Stators für einen ab geschrägten Elek- tromotor eingesetzt, insbesondere wird der oben beschriebene Verbundwerkstoff als Lamellen im Rotor und/oder Stator verwendet. Dabei besteht mindestens eine Novel- le, also eine Lage aus dem oben beschriebenen Verbundwerkstoff, bevorzugt wer- den mehrere solcher Lagen verwendet, insbesondere ist der gesamte Rotor und/oder Stator aus Lamellen des erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoffs auf- gebaut.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der akustischen Emissi- on eines geschrägten Elektromotors dadurch gekennzeichnet, dass der Stator und/oder Rotor des Elektromotors mindestens eine Schicht eines Verbundwerkstoffs mit mindestens einer Elektrobandschicht als Träger und mindestens einer Polymer- schicht enthält.
Der Einbau der mindestens einen Schicht des Verbundwerkstoffs bzw. dessen Ver- wendung in einen/einem Elektromotor ist oben beschrieben.
Die erfindungsgemäßen, geschrägten Elektromotoren sind allgemein als automobile Antriebsmotoren einzusetzen. Ferner besteht die Möglichkeit auf Grundlage der vor- liegenden Erfindung herkömmliche, geschrägte Elektromotoren im Sinne der Erfin- dung abzuändern, indem einzelne bis alle Lamellen des Rotors und/oder Stators durch den oben beschriebenen, erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoff ersetzt werden. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmungen bzw. Analy- se der Eigenschaften und Merkmale des erfindungsgemäßen geschrägten Elektro- motors die Wirkungsweise einer standardisierten, kostengünstigen Maschine unter- sucht. So wird zum Beispiel eine asynchrone Maschine untersucht, die im Stator be- vorzugt nur gering thermisch beansprucht wird. Als Kontrolle wird eine unveränderte Maschine, also ein handelsüblicher, geschrägter Elektromotor eingesetzt mit bei spielsweise folgenden Eigenschaften: 6-polige asynchrone Maschine, Durchmesser Stator 170 mm, Durchmesserrotor 115 mm, wirksame Länge 150 mm. Allgemein ist eine solche Kontrolle möglichst anwendungsnah für die Verwendung in einem Auto- mobil auszuwählen. Im vorliegenden Fall eine Asynchronmaschine, insbesondere da diese akustisch sensibler als PSM sind, eine geringere Steifigkeit zeigen. Bevorzugt wird eine standardisierte Industriemaschine.
Als erfindungsgemäß einzusetzenden Elektromotor wird derselbe oder ein identi- scher Motor verwendet, bei dem mindestens eine Schicht, Lamelle des Rotors oder Stators gegen den erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoff ersetzt wird. Der Elektromotor wird wieder zusammengebaut und angeschlossen. An dem Gehäu- se werden mindestens einer, bevorzugt mehrere Messpunkte zur Bestimmung der akustischen Emission festgelegt. Dadurch wird der Körperschall bestimmt.
Zusätzlich kann mittels Mikrofon der Luftschall, bzw. Schalldruck, Schalldruckpegel in einem festgelegten Abstand bestimmt werden.
In eine Alternative kann die Analyse auch in einer Simulation an einem vorher, auf Basis der Kontrolle parametrisiertem Modell erfolgen. Hierzu werden neben Mess- punkten auch Anregungspunkte bestimmt.
Die erfindungsgemäßen Motoren zeigen eine deutlich verringerte akustische Emissi- on gegenüber der Kontrolle über einen breiten Frequenzbereich, insbesondere unter Belastung wie zum Beispiel hochfahren des Motors oder Beschleunigung.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotor mit geschrägtem Stator und/oder Rotor enthaltend mindestens eine Schicht eines Verbundwerkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerk- stoff mindestens eine Elektrobandschicht als Träger und mindestens eine Polymer- schicht autweist.
2. Geschrägter Elektromotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Ver- bundwerkstoff eine weitere Elektrobandschicht als Deckblech aufweist.
3. Geschrägter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch ge- kennzeichnet, dass die Polymerschicht ein schubdeformationdämpfendes Polymer enthält, der daraus besteht.
4. Geschrägter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch ge- kennzeichnet, dass die Polymerschicht eine Schichtdicke im Bereich von 3-20 pm aufweist.
5. Geschrägter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch ge- kennzeichnet, dass die Elektrobandschicht eine Schichtdicke im Bereich von 50- 1500 pm aufweist.
6. Geschrägter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch ge- kennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine Körperschalldämpfung im Bereich von 0,01 -0,2 bei 20 °C und 50 Hz; 0,01 -0,2 bei 20 °C und 500 Hz; 0,01 -0,1 bei -10°C und 200 Hz und/oder 0,01 -0,3 bei 30 °C und 1000 Hz aufweist.
7. Geschrägter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch ge- kennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff einen spezifischen Ummagnetisierungsver- lust von bei P1 ,0; 50 Hz im Bereich von 0,7 bis 7 W/kg und bei P1 ,5; 50 Hz im Be- reich von 1 ,9 bis 15 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1 ,49 bis 1 ,7 T und bei J5000 im Bereich von 1 ,6 bis 1 ,8 T ermittelt nach DIN EN 60404-2, aufweist.
8. Geschrägter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch ge- kennzeichnet, dass der Elektromotor eine Verringerung der akustischen Emission im Frequenzbereich von 20 bis 20.000 Hz von mindestens 1 dB Vergleich zu einer Kon- trolle aufweist.
9. Verwendung eines Verbundwerkstoffs mit mindestens einer Elektrobandschicht als Träger und mindestens einer Polymerschicht zur Verringerung der akustischen Emis- sion eines geschrägten Elektromotors.
10. Verfahren zur Verringerung der akustischen Emission eines geschrägten Elektro- motors dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Elektromotors mindestens ei- ne Schicht eines Verbundwerkstoffs mit mindestens einer Elektrobandschicht als Träger mindestens eine Polymerschicht enthält.
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