EP4115502A1 - Elektrische rotierende maschine, elektromotor oder flüssigkeitspumpe mit spaltrohr - Google Patents

Elektrische rotierende maschine, elektromotor oder flüssigkeitspumpe mit spaltrohr

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EP4115502A1
EP4115502A1 EP21725407.7A EP21725407A EP4115502A1 EP 4115502 A1 EP4115502 A1 EP 4115502A1 EP 21725407 A EP21725407 A EP 21725407A EP 4115502 A1 EP4115502 A1 EP 4115502A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
uhm
rotating machine
liquid pump
electric rotating
carbon fibers
Prior art date
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Pending
Application number
EP21725407.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Seidel
David FINCK
Andreas Grünthaler
Olaf KÖRNER
Felix Ntourmas
Wolfgang Wetzel
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.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Mobility GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • C08J2423/06—Polyethene
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    • C08J2467/02—Polyesters derived from dicarboxylic acids and dihydroxy compounds

Definitions

  • Electric rotating machine Electric rotating machine, electric motor or liquid pump with can
  • the invention relates to an electric rotating machine, an electric motor or a liquid pump with a can.
  • the waste heat produced and the associated problems are decisive for the electrical power density of an electric motor.
  • One problem is, for example, the failure of the polymeric insulation of the winding coils in the laminated cores of the stator of each electric motor. Therefore, the maximum temperature in the stator winding is typically a particularly critical point when developing higher power densities in the electric motor.
  • liquid cooling is based on the higher waste heat flow that can be achieved by liquid cooling compared with gas-air cooling.
  • liquid cooling of an electric motor is preferably implemented on the outside of the stator, because otherwise the interface to the rotor has to be tight on the inside of the stator.
  • the channels for the liquid cooling are therefore on the outside of the stator.
  • the problem is that the liquid-cooled cooling rings on the outer side of the laminated core, so the heat flow must first cross it completely in the radial direction. That is why there have been electric motors with liquid cooling on the inside and outside of the stator for some time. These electric motors contain a so-called canned tube.
  • the aim in developing the can is to achieve the lowest possible wall thickness, since this way the electrical losses of the electrical machine are kept to a minimum or reduced.
  • the can has the task of creating a space for the laminated stator core that can be flooded with cooling liquid.
  • the can is located between the rotor and the stator and experiences local heat hotspots. It is therefore desirable for the material to exhibit thermal conductivity in order to avoid excessive thermal stress on the can on the material.
  • Alternating magnetic fields such as those that occur in the air gap of an electric motor in extreme sizes, induce an eddy current in electrically conductive materials.
  • the eddy current in turn generates a magnetic field which is opposite to its causative magnetic field.
  • an indu ed eddy current leads to rapid heating of the component. It is therefore undesirable in several respects for a can to consist of an electrically conductive material. Therefore, cans are used in pumps as well as in Electric motors reinforced composite materials, also ceramic and / or glass-ceramic composite materials, are used.
  • a can has a certain minimum thickness. Dimensioning for the external pressure on the can are primarily less the accelerations from the application, but the static pressure with which the cooling system is operated. In order to achieve a certain target volume flow in the system, a certain pressure is applied, which then weighs on the can.
  • reinforced composite materials show an extremely low thermal conductivity and low buckling strength due to the low rigidity in the circumferential direction.
  • the object of the present invention is therefore to provide a material for the production of a can for an electric rotating machine, such as an electric motor or a generator, or a liquid pump or other pressure-loaded pipe that has the disadvantages of the prior art the technology, in particular the low thermal conductivity and / or low dent resistance of the materials and composite materials used so far improved and / or shows an improved thermal conductivity than the materials previously used.
  • an electric rotating machine or a liquid pump with a can in which the material of the can comprises at least a proportion of more than 50% by weight of a composite material with high-modulus carbon fiber reinforcement.
  • HM / UHM carbon fiber reinforcement when used as a composite material for cans of liquid-cooled electric motors and / or generators, contrary to the opinion of experts, does not generate induced eddy currents that reduce the efficiency of the electrical machine, but rather the efficiency and the service life of the electric rotating machine can be improved and increased by thermal load capacity and / or dent resistance.
  • This is particularly the case when the high-modulus -HM- or ultra-high-modulus -UHM- carbon fibers are present with a preferred orientation in the fiber composite material and the can is produced by winding along this preferred orientation and transversely to the axis direction of the rotor.
  • the cans reinforced with HM / UHM carbon fibers have a low pressure and shear strength, but are nevertheless suitable for stiffening pressure-loaded pipes, such as the can of a liquid-cooled electric rotating machine or a liquid pump.
  • high-modulus carbon fibers - that is, carbon fibers with 300 to 500 GPa - and ultra-high-modulus carbon fibers - that is, carbon fibers with over 500GPa - despite their low strength, in particular compressive and / or shear strength, are suitable for the It is suitable for use in pressure-loaded pipes, in particular also in cans of electric motors, because in these pipes or components only low component stresses occur until shortly before buckling failure of the pipe / component occurs.
  • Carbon fibers are characterized by high strength and rigidity.
  • High modulus fibers have a lower breaking strength. This is due to the alignment of the basal plane in the direction of the fibers. The covalent CC bonds are therefore extremely strong in the direction of the fibers.
  • High-modulus and ultra-high-modulus carbon fibers show extremely high rigidity. Since the buckling point of buckling structures depends, among other things, on the material stiffness, this class of material can be used to achieve otherwise unattainable buckling marks, although, as already mentioned, the compressive strength is only very low in comparison; for example in comparison:
  • E-modulus of UHM carbon fiber 500 GPa to 935 GPa (in the direction of the fiber), in particular 600 to 800 GPa
  • E-module standard HT carbon fiber less than 300 GPa, in particular 230 GPa (in the direction of the fiber)
  • E-module glass fiber 70 GPa (in fiber direction)
  • UHM carbon fiber-reinforced composites are used in the military and / or in space, although the exact applications are unknown. They are also used to reinforce steel girders in bridges because their extremely high module enables the steel girders to be relieved. This mechanical use is limited to the tensile side of the steel girders.
  • HM / UHM reinforcing fibers Another advantage of the HM / UHM reinforcing fibers is the fact that there are too many ceramic alumina fibers, which are also very stiff, and the cost of the material is quite economical.
  • the invention made it possible for the first time to recognize that in the case of pressure-loaded components, in particular a can of a liquid-cooled electric motor under external pressure, failure with a previous wave front can be delayed by using ultra-high-modulus carbon fibers to reinforce a composite material.
  • the HM / UHM carbon fibers are advantageously used as pitch-based fibers, in particular as fibers based on coal tar pitch.
  • High-modulus -HM- or ultra-high-modulus -UHM-carbon fibers are preferably stretched, in particular elongated, in the composite material from which, for example, the cans are made, before.
  • the HM / UHM fibers preferably "stretched", i.e. as free from undulation as possible, at a certain fiber angle, but also all other reinforcing fibers possibly contained in the HM / UHM composite and / or in the further composite of the can. This is fundamental preferred, because otherwise the fibers would first stretch out according to the load during operation, since they carry loads with them.
  • thermosets e.g. polyester, vinyl ester, polyurethane, epoxy resin, formaldehyde resin, melamine, polyimide, phenol and / or thermoplastics are suitable as matrix material in which the HM / UHM fibers are embedded for the production of the HM / UHM composite material -e.g Polyethylene polycarbonate, polystyrene, polyvinyl chloride, polyamide, acrylonitrile-butadiene-styrene, celluloid and / or ceramics - e.g. metal oxides such as corundum, aluminum oxide, titanium dioxide, silicon carbide, which are also used in other known fiber-reinforced composite materials. Typically who used the thermosets.
  • polyester, vinyl ester, polyurethane, epoxy resin, formaldehyde resin, melamine, polyimide, phenol and / or thermoplastics are suitable as matrix material in which the HM / UHM fibers are embedded for the production of the HM / UHM composite material
  • matrix materials can also be used, provided that they are compatible.
  • a matrix material are used that is mixed with filler and / or particles of any kind in order to achieve certain effects.
  • a first manufacturing process for producing a can according to the invention is the so-called winding process.
  • HM / UHM fiber in the form of an endless roving - al so an endless roving - the term "roving" is known to those skilled in the textile industry - is embedded in a resin, then on a carrier, in particular a cylinder
  • a carrier in particular a cylinder
  • the hardened tube is separated from the carrier and can be used as a can.
  • Fiber mats that contain high-modulus and / or ultra-high-modulus fibers are soaked with resin and cut to size.
  • the blanks or laminates are then placed on a carrier, for example a steel cylinder, before being given in multiple layers, and / or laminated and then cured again in an oven.
  • Semi-finished products exist here in which unidirectional "UD” fibers or "UD” layers, ie "UD” fiber mats, are present.
  • Another manufacturing process for the manufacture of a canned tube is the resin infusion process.
  • dry fabrics or UD fiber mats stabilized with a base fabric are dry wound on a steel cylinder and attached then diffused in with resin, especially soaked and consolidated.
  • a UD fiber mat or a unidirectional "UD" layer is the name for a layer and / or a fiber composite material in which it is ideally assumed that all fibers are oriented in a single direction The fibers are assumed to be ideally parallel and homogeneously distributed. In this ideal case, the unidirectional layer is transversely isotropic, otherwise only approximately transversely isotropic.
  • a UD layer, as a fiber mat, is the basic element of layered fiber composites.
  • HM / UHM fiber composite material with other reinforcing fibers such as glass fibers "GFK”, polymer fibers “PFK” - from it all known non-conductive polymeric reinforcing fibers, ceramic fibers “KFK” and / or other, not ultra-high- modular, but for example only high-modulus carbon fibers “CFRP” are possible and conceivable within the meaning of the invention.
  • other reinforcing fibers such as glass fibers "GFK”, polymer fibers "PFK” - from it all known non-conductive polymeric reinforcing fibers, ceramic fibers “KFK” and / or other, not ultra-high- modular, but for example only high-modulus carbon fibers “CFRP” are possible and conceivable within the meaning of the invention.
  • the reinforcement in the axial direction should preferably be done with electrically non-conductive fibers.
  • UHM carbon fibers are commercially available and available in extreme ultra-high modulus from Mitsubishi Chemicals, for example.
  • the can can be made entirely or partially from a fiber composite material with HM / UHM carbon fibers.
  • the proportion by weight of HM / UHM fiber composite material in the can is preferably 50% by weight or more.
  • the missing parts by weight to 100% weight of the can are made by one or more compatible composite materials, in particular by further fiber-reinforced composite materials, such as glass fiber composite material, high-modulus carbon fiber composite material, carbon fiber composite material, or other compatible materials - such as glass fiber composite material and / or an aramid , Polypropylene and / or polyethylene terephthalate fiber composites he supplements.
  • HM / UHM fiber composite material with HM / UHM carbon fibers, in which HM / UHM fiber composite materials a typical fiber content is over 15% by weight.
  • the fiber content in the HM / UHM fiber composite is usually measured in terms of volume percent, so that, for example, a HM / UHM fiber composite material that can be used well according to the invention has an HM / UHM carbon fiber volume proportion based on 100% volume of the HM / UHM Fiber composite material - i.e. not based on 100% by volume of the can but on 100% by volume of the HM / UHM composite material - in the range between 35% and 80% by volume, in particular between 37% and 75% by volume and most preferably between 40% by volume and 70 vol%, for example with a volume fraction of 55 vol% as an HM / UHM fiber volume fraction of high-modulus or ultra-high-modulus carbon fibers embedded in the matrix.
  • a can produced in this way according to a preferred embodiment of the invention shows a comparatively high thermal conductivity in the order of 80 to 200 W / mK parallel to the preferred fiber direction or in the circumferential direction when the can is wound on a cylindrical carrier, showing transverse to the fiber direction , i.e. in the axial and / or radial direction, a thermal conductivity of 0.4 to 1.5 W / mK can still be measured.
  • the decisive difference to the known cans made of conventional fiber composite material is that an increase in the efficiency of the cooling system is achieved through a targeted modification of the can or the fiber material used therein.
  • High-modulus or ultra-high-modulus carbon fibers have so far not been used in cans because of their intrinsic electrical conductivity for the reasons mentioned above.
  • the invention was able to show that carbon fibers in the form of high-modulus or ultra-high-modulus reinforcement fibers do not show this disruptive conductivity in composite materials, but on the one hand and thereby lowered component and / or can temperatures due to their extreme rigidity and their extremely high intrinsic thermal conductivity enable higher power densities and / or longer lifetimes.
  • Figure 1 shows the measured component temperatures in an electric motor: For the verification, thermal simulations were carried out in which the resulting component temperatures on the coils, in the laminated core and on the can were evaluated while varying the thermal conductivity of the can material.
  • a conventional can made of composite material or of composite material reinforced with low-heat-conducting fibers was used in the same electric motor, a typical value of the thermal conductivity for such composite materials, 0.2W / mK, isotropic, was assumed. This was compared with an electric motor with a can according to the present invention made of at least 70% by weight of HM / UHM composite material - that is, with high-modulus or ultra-high-modulus carbon fiber reinforcement.
  • thermal conductivity values which are at the lower limit of the tested thermal conductivity range of the can according to the invention were assumed.
  • the assumed values are 84w / mK in the grain direction and 0.4w / mK across the grain.
  • the electric motor with the can according to the invention made of UHM composite material already showed significantly lower maximum temperatures under otherwise identical conditions.
  • Figure 1 shows how even with these rather low set thermal conductivities of a can according to the invention, significantly lower maximum temperatures arise in the system, i.e. on the can itself and also on the coil and sheet metal package of the electric motor.
  • FIG. 1 shows the maximum temperatures in ° C. on the Y coordinate on the x axis, in each case 3 pairs with temperature bars. Since the bar on the left “A” represents the state of the art with always higher maximum temperatures than the bar on the right “B", which always shows the embodiment of the electric motor according to the invention with a can made of a UHM composite W erkstoff with at least a proportion of 70 wt% of UHM composite.
  • the bar pairs 1 to 3 show, from left to right:
  • the temperature decrease compared to a conventional execution will be higher, the higher the thermal conductivity of the can 3B is.
  • thermal conductivities of over 150 W / mK in the fiber direction and 1.5 W / mK across the fiber direction can be achieved. After these tests, these lead to the expectation of significantly higher temperature drops in the electric motor.
  • FIG. 2 shows the conventional can 3A according to the prior art and FIG. 3 shows the can 3B according to the present invention.
  • the can 3B according to the invention shows how, due to the high thermal conductivity of the can composite material, the hot spots are broken down and partially homogenized over the entire construction.
  • the invention relates to an electric motor or a liquid pump with a can.
  • the present invention shows for the first time through the use of HM / UHM composite materials for the production of cans that the scientific prejudice can be overcome, since carbon fibers cannot generally be used as fiber reinforcement in composite materials for the production of cans because of their intrinsic electrical conductivity suitable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische rotierende Maschine, einen Elektromotor oder eine Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr. Dabei zeigt die vorliegende Erfindung erstmals durch den Einsatz von HM/UHM-Verbundwerkstoffen zur Herstellung von Spaltrohren, dass das wissenschaftliche Vorurteil überwunden werden kann, nachdem sich Kohlenstofffasern allgemein als Faserverstärkung in Verbundwerkstoffen für die Herstellung von Spaltrohren wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit nicht eignen. Vielmehr wird gemäß der Erfindung gezeigt, welche großen Vorteile der Einsatz von hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstoffasern in so genannten UHM-Verbundwerkstoffen allein oder in Material-Kombinationen mit weiteren Verbundwerkstoffen bei der Herstellung von Spaltrohren hinsichtlich Wärmekapazität und/oder Beulfestigkeit mit sich bringt.

Description

Beschreibung
Elektrische rotierende Maschine, Elektromotor oder Flüssig keitspumpe mit Spaltrohr
Die Erfindung betrifft eine elektrische rotierende Maschine, einen Elektromotor oder eine Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr.
Der Steigerung der Leistungsdichte von Elektromotoren kommt auf dem elektrifizierten Gebiet der Mobilität, wie z. B. bei elektrisch angetriebenen Kraftwagen wie Bussen, Personen kraftwagen, Nutzfahrzeugen, bei Zügen und Schiffen sowie Flugzeugen immer größere Bedeutung zu, weil sich durch leis tungsstärkere Motoren Gewicht einsparen lässt.
Daher wird verstärkt auf flüssigkeitsgekühlte Elektromotoren gesetzt.
Dimensionierend für die elektrische Leistungsdichte eines Elektromotors ist die produzierte Abwärme mit den damit ein hergehenden Problemen. Ein Problem ist z.B. das Versagen der polymeren Isolation der Wickelspulen in den Blechpaketen des Stators jedes Elektromotors. Daher ist auch typischerweise die maximale Temperatur in der Stator-Wicklung bei der Ent wicklung höherer Leistungsdichten im Elektromotor ein beson ders kritischer Punkt.
Der Trend zur Flüssigkeitskühlung ist begründet in dem höhe ren Abwärmestrom, welcher durch eine Flüssigkeitskühlung, im Vergleich mit einer Gas-Luft-Kühlung erreichbar ist. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung eines Elektromotors vor zugsweise auf der Stator-Außenseite realisiert, weil Stator- innenseitig die Grenzfläche zum Rotor andernfalls dicht zu sein hat.
In der Regel befinden sich die Kanäle für die Flüssigkeits kühlung somit auf der Außenseite des Stators. Problematisch ist, dass die flüssigkeitsgekühlten Kühlringe auf der Außen- seite des Blechpaketes liegen, deshalb muss dieses vom Wär mestrom erst komplett in radialer Richtung durchquert werden. Deshalb gibt es seit geraumer Zeit auch Elektromotoren mit Flüssigkeitskühlung auf der Innen- und Außenseite des Sta tors. Diese Elektromotoren enthalten ein so genanntes Spalt rohr.
Das Spaltrohr umgibt den Rotor eines Elektromotors, Genera tors oder einer Flüssigkeitspumpe und separiert die Kühlflüs sigkeit im Statorbereich von dem sich drehenden Rotor respek tive der sich drehenden Pumpe.
Ziel bei der Entwicklung des Spaltrohres ist es, eine mög lichst geringe Wandstärke zu realisieren, da so die elektri schen Verluste der elektrischen Maschine minimal gehalten, beziehungsweise reduziert werden.
Verschiedene Randbedingungen sind bei der Bauteilentwicklung von Spaltrohren zu beachten:
Das Spaltrohr hat die Aufgabe, einen mit Kühlflüssigkeit flutbaren Raum für das Statorblechpaket zu schaffen.
Das Spaltrohr befindet sich zwischen dem Rotor und dem Stator und erfährt lokale Wärmehotspots. Deshalb ist es wünschens wert, dass das Material eine Wärmeleitfähigkeit zeigt, um ei ne zu große thermische Materialbeanspruchung des Spaltrohres zu vermeiden.
Wechselnde Magnetfelder, wie sie im Luftspalt eines Elektro motors in extremer Größe auftreten, induzieren in elektrisch leitfähigen Materialien einen Wirbelstrom. Der Wirbelstrom erzeugt wiederum ein Magnetfeld, welches seinem Verursacher- Magnetfeld entgegengerichtet ist. Außerdem führt ein indu zierter Wirbelstrom zu einer rapiden Erwärmung des Bauteils. Es ist daher in mehrerlei Hinsicht unerwünscht, dass ein Spaltrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Deshalb werden für Spaltrohre sowohl in Pumpen als auch in Elektromotoren verstärkte Verbundwerkstoffe, auch keramische und/oder Glas-keramische Verbundwerkstoffe, eingesetzt.
Ein Spaltrohr hat eine gewisse Mindest-Dicke aufzuweisen. Di mensionierend für den Außendruck auf das Spaltrohr sind in erster Linie weniger die Beschleunigungen aus der Anwendung, sondern der statische Druck, mit dem das Kühlsystem betrieben wird. Um einen bestimmten Zielvolumenstrom im System zu er zielen, wird ein bestimmter Druck angelegt, der dann auf dem Spaltrohr lastet.
Zu dünne Spaltrohre kollabieren unter dem oben beschriebenen Druck, wobei das Versagen durch das Phänomen Beulen beschrie ben ist. Auf dem Rohr bilden sich so im Versagensfall typi scherweise Deformationen in Form einer Wellenfront.
Die bisher als Verbundmaterial für Spaltrohre und vergleich bare Anwendungen an druckbelasteten Rohren eingesetzten ver stärkten Verbundwerkstoffe zeigen jedoch eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Beulfestigkeiten aufgrund der geringen Steifigkeit in Umfangsrichtung.
Aus der WO 2009/040308 ist bekannt, dass sich Carbon-Fasern wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit nicht für den Einsatz zur Herstellung von Spaltrohren eignen. Dies insbesondere deshalb, weil die Kohlefaser im Spaltrohr noch eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit hat, die den Wirkungs grad aufgrund der induzierten Wirbelströme zu stark absenken würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Werk stoff zur Herstellung eines Spaltrohrs für eine elektrische rotierende Maschine, wie einen Elektromotor oder einen Gene rator, respektive eine Flüssigkeits-Pumpe oder ein sonstiges druckbelastetes Rohr zur Verfügung zu stellen, der die Nach teile des Standes der Technik, insbesondere die geringe Wär meleitfähigkeit und/oder geringe Beulfestigkeit der bisher eingesetzten Materialien und Verbundwerkstoffe verbessert und/oder eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit als die bisher eingesetzten Werkstoffe zeigt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der vorliegenden Beschreibung und den An sprüchen offenbart ist, gelöst.
Dementsprechend ist Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische rotierende Maschine oder eine Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr, bei dem oder der das Material des Spaltrohrs zumindest zu einem Anteil von mehr als 50 Gew% einen -Verbundwerkstoffes mit hochmoduliger Kohlenstofffaser-Verstärkung umfasst.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass HM/UHM- Kohlenstofffaser-Verstärkung beim Einsatz als Verbundwerk stoff für Spaltrohre von flüssigkeitsgekühlten Elektromotoren und/oder Generatoren entgegen der Meinung der Fachleute keine induzierten Wirbelströme erzeugen, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine herabsetzen, sondern der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der elektrischen rotierenden Maschine durch thermische Belastbarkeit und/oder Beulfestigkeit ver bessert und erhöht werden. Dies insbesondere dann, wenn die hochmoduligen -HM- oder ultra-hochmoduligen -UHM- Kohlen stofffasern mit einer Vorzugsorientierung im Faserverbund werkstoff vorliegen und das Spaltrohr durch Wicklung entlang dieser Vorzugsorientierung und quer zur Achsenrichtung des Rotors hergestellt ist.
Insbesondere wurde gefunden, dass die mit HM/UHM- Kohlenstofffasern verstärkten Spaltrohre zwar eine geringe Druck- und Scherfestigkeit haben, sich aber trotzdem zur Ver steifung druckbelasteter Rohre, wie dem Spaltrohr einer flüs- sigkeitsgekühlten elektrischen rotierenden Maschine oder ei ner Flüssigkeitspumpe, eignen.
In der Wissenschaft herrscht bislang das Vorurteil, dass sich Verbundwerkstoffe aus hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstofffasern nicht zur Herstellung von druckbelasteten Bauteilen eignen, weil die Druckfestigkeit dieser Verbund werkstoffe, im Vergleich zu Verbundwerkstoffen aus Glasfaser oder hochfesten (HT)Carbonfasern, deutlich geringer ist. Zum Vergleich zeigt Tabelle 1 die verschiedenen Festigkeiten ver schiedener UD-Schichten im Vergleich:
Tabelle 1:
Überraschend wurde nun festgestellt, dass hochmodulige Koh lenstofffasern, - also Kohlenstofffasern mit 300 bis 500 GPa - und ultra-hochmodulige Kohlenstofffasern - also Kohlen stofffasern mit über 500GPa - sich trotz ihrer geringen Fes tigkeit, insbesondere Druck- und/oder Scherfestigkeit, sich für die Verwendung in Druck-belasteten Rohren, insbesondere auch von Spaltrohren von Elektromotoren, eignen, weil bei diesen Rohren oder Bauteilen bis kurz vor auftretendem Beul versagen des Rohres/Bauteils nur geringe Bauteilspannungen auftreten.
Kohlenstofffasern zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus. Hochmodulige Fasern weisen eine geringere Bruchfestigkeit auf. Dies ist auf die Ausrichtung der Basal ebene in Faserrichtung zurückzuführen. Die kovalenten C-C- Bindungen sind in Faserrichtung damit enorm stark. Hochmodulige und Ultra-hochmodulige Carbonfasern zeigen eine extrem hohe Steifigkeit. Da der Beulpunkt von beulenden Strukturen unter anderem von der Materialsteifigkeit abhängt, lassen also sich mit dieser Materialklasse sonst unerreichte Beuldrücke erreichen, obwohl, wie bereits erwähnt, die Druck festigkeit nur sehr gering im Vergleich ist; beispielsweise im Vergleich:
• E-Modul UHM-Carbonfaser: 500 GPa bis 935 GPa (in Faser richtung), insbesondere 600 bis 800 GPa
- z.B. Mitsubishi K13D2U -
• E-Modul einer HM-Carbonfaser: 300GPa bis 500GPa
• E-Modul von Stahl: 200 GPa
• E-Modul Standard HT-Carbonfaser: kleiner 300GPa, insbe sondere 230 GPa (in Faserrichtung)
• E-Modul Glasfaser: 70 GPa (in Faserrichtung)
UHM-Carbonfaser-verstärkte Verbundwerkstoffe werden militä risch und/oder in der Raumfahrt eingesetzt, wobei die genauen Applikationen unbekannt sind. Außerdem werden sie zur Ver stärkung von Stahlträgern in Brücken eingesetzt, weil ihr extrem hohes Modul die Entlastung der Stahlträger ermöglicht. Diese mechanische Nutzung wird auf die zugbeanspruchte Seite der Stahlträger beschränkt.
Ein weiterer Vorteil der HM/UHM-Verstärkungsfasern besteht in den, zu vielen ebenfalls sehr steifen keramischen Alumini umoxidfasern, recht wirtschaftlichen Materialpreis.
Durch die Erfindung ist erstmals erkannt worden, dass bei druckbelasteten Bauteilen, wie insbesondere einem Spaltrohr eines flüssigkeitsgekühlten Elektromotors unter Außendruck, ein Versagen mit vorhergegangener Wellenfront durch den Ein satz von ultra-hochmoduligen Carbonfasern zur Verstärkung ei nes Verbundwerkstoffes, verzögert werden kann. Vorteilhafterweise werden die HM/UHM-Kohlenstofffasern als Pech-basierte Fasern, insbesondere als Steinkohleteerpech basierte Fasern eingesetzt.
Hochmoduliger -HM- oder Ultra-hochmodulige -UHM-Kohlenstoff- fasern, insbesondere auf Pech-Basis, bevorzugt auf Steinkoh leteerpech basierende ultra-hochmodulige Kohlenstofffasern, liegen in dem Verbundwerkstoff, aus dem beispielsweise die Spaltrohre gemacht werden, bevorzugt gestreckt, insbesondere langgestreckt, vor. Dabei liegen nicht nur die HM/UHM-Fasern bevorzugt „gestreckt" also möglichst ondulationsfrei in einem bestimmten Faserwinkel vor, sondern auch alle anderen mög licherweise im HM/UHM-Verbundwerkstoff und/oder im weiteren Verbundwerkstoff des Spaltrohres enthaltenen Verstärkungsfa sern. Das ist grundsätzlich bevorzugt, denn sonst würden sich im Betrieb die Fasern erstmal der Last nach ausstrecken, da mit sie Lasten tragen.
Als Matrixmaterial in denen die HM/UHM-Fasern zur Herstellung des HM/UHM-Verbundwerkstoffes eingebettet sind, eignet sich nahezu jedes der gängigen Duroplaste- z.B. Polyester, Vi nylester, Polyurethan, Epoxidharz, Formaldehydharz, Melamin, Polyimid, Phenol und/oder Thermoplaste -z.B. Polyethylen Po lycarbonat, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyamid, Acryl- nitril-Butadien-Styrol, Celluloid und/oder Keramiken- z.B. Metalloxide wie Korund, Aluminiumoxid, Titandioxid, Silizi- umcarbid, die auch schon in anderen bekannten Faserverstärk ten Verbundwerkstoffen gebräuchlich sind. Typischerweise wer den Duroplaste eingesetzt. Andererseits können aber auch be sonders mit dem Matrixmaterial „Keramik" nochmal deutlich steifere Rohre hergestellt werden, weil ein HM/UHM-Faserrohr mit keramischer Aluminiumoxidmatrix durch die steife Keramik matrix noch höhere Beuldrucksteifigkeit als Rohre mit polyme rer Matrix zeigt. Dabei ist jedoch ein größerer Herstellungs aufwand miteinzukalkulieren.
Man kann auch beliebige Kombinationen aus Matrixmaterialien einsetzen, soweit sie kompatibel sind. Zudem kann ein Matrix- material eingesetzt werden, das mit Füllstoff und/oder Parti kel jeglicher Art versetzt ist, um bestimmte Effekte zu er zielen.
Beispielhafte Verfahren zur Herstellung eines Spaltrohrs nach der Erfindung:
Ein erstes Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Spalt rohrs nach der Erfindung ist das so genannte Wickelverfahren.
Dabei wird die HM/UHM Faser in Form eines Endlos-Roving - al so eines Endlos-Vorgarns - der Begriff „Roving" ist dem Fach mann aus der Textilbranche bekannt - in ein Harz eingebettet, dann auf einem Träger, insbesondere einem Zylinder, bei spielsweise einem Stahlzylinder, zu einem Rohr gewickelt und anschließend im Ofen ausgehärtet. Das fertig gehärtete Rohr wird vom Träger abgetrennt und kann als Spaltrohr eingesetzt werden.
Eine weitere Art der Herstellung ist die Prepreg-Technologie. Dabei werden Fasermatten, die hochmodulige und/oder ultra- hochmodulige Fasern enthalten, mit Harz getränkt und zuge schnitten. Die Zuschnitte oder Laminate werden dann auf einem Träger, beispielsweise einem Stahlzylinder, abgelegt, bevor zugt auch mehrlagig abgelegt, und/oder laminiert und an schließend wieder in einem Ofen ausgehärtet. Hier existieren Halbzeuge in denen unidirektionale - „UD"-Fasern oder „UD"- Schichten, also „UD"-Fasermatten vorliegen.
Die beiden oben genannten Herstellungsverfahren sind in ver schiedenen Einsatzszenarien sinnvoll, wobei die Prepreg- Technologie sich auch zur Herstellung komplexer Formen eig net.
Ein weiteres Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Spalt rohres ist das Harz-Infusionsverfahren. Hier werden trockene Gewebe oder mit einem Grundgewebe stabilisierte UD-Fasermat- ten trocken aufgewickelt auf einem Stahlzylinder und an- schließend mit Harz eindiffundiert, insbesondere getränkt und konsolidiert.
Eine UD-Fasermatte, respektive eine Unidirektionale „UD"- Schicht ist hier die Bezeichnung für eine Schicht und/oder einen Faserverbundwerkstoff, in welchem idealisiert angenom men wird, dass alle Fasern in eine einzige Richtung orien tiert sind. In realen Verbundwerkstoffen werden jedoch immer Fehlstellen vorliegen. Die Fasern werden ideal parallel und homogen verteilt angenommen. Die unidirektionale Schicht ist in diesem Idealfall transversal isotrop, ansonsten nur ange nähert transversal isotrop. Eine UD-Schicht ist als Fasermat te das Grundelement geschichteter Faserverbundwerkstoffe.
Es sind im HM/UHM-Faserverbundwerkstoff beliebige Kombinatio nen mit weiteren Verstärkungsfasern z.B. Glasfasern „GFK", Polymerfasern „PFK" - daraus alle bekannten nicht leitenden polymeren Verstärkungsfasern-, keramische Fasern „KFK" und/oder auch andere, nicht ultra-hoch-modulige, sondern bei spielsweise nur hochmodulige Kohlenstofffasern „CFK" möglich und im Sinne der Erfindung denkbar.
Die Herstellung der Kombinationen sind dem Fachmann aus einer Vielzahl von Bearbeitungen von Faserverbundwerkstoffen be kannt.
Die Verstärkung in axialer Richtung, um mögliche Lasten auf zunehmen, sollte vorzugsweise mit elektrisch nichtleitenden Fasern geschehen.
UHM-Kohlenstoffasern sind handelsüblich und in extremer ult- ra-Hochmoduligkeit beispielsweise von Mitsubishi Chemicals erhältlich.
Ein Vorteil der Erfindung ist neben der Beständigkeit und Steifigkeit der Spaltrohre mit HM/UHM-Faserverstärkung auch noch deren gute Wärmekapazität. Das Spaltrohr kann ganz oder teilweise aus einem Faserver bundwerkstoff mit HM/UHM-Kohlenstofffasern gefertigt sein. Bevorzugt liegt im Spaltrohr der Gewichtsanteil an HM/UHM- Faserverbundwerkstoff bei 50Gew% oder darüber. Die fehlenden Gewichtsanteile zu 100% Gewicht des Spaltrohrs werden durch einen oder mehrere kompatible Verbundwerkstoffe, insbesondere durch weitere Faserverstärkte Verbundwerkstoff, wie z.B. durch Glasfaserverbundwerkstoff, hochmoduligen Kohlenstofffa- serverbundwerkstoff, Kohlenstofffaserverbundwerkstoff, oder sonstige kompatible Werkstoffe - wie beispielsweise Glasfa serverbundwerkstoff und/oder einem Aramid-, Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat-Faserverbundwerkstoffe er gänzt.
Dadurch entstehen dann Materialkombinationen des Spaltrohrs, die je nach Einsatzgebiet, Größe und Leistung des Elektromo tors und Marktanforderungen, variiert werden können.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfas sen Spaltrohre zumindest 50 Gew%, insbesondere zwischen 55Gew% und 99Gew%, insbesondere zwischen 70Gew% und 98 Gew% HM/UHM-Faserverbundwerkstoff mit HM/UHM-Kohlenstofffasern, wobei in diesen HM/UHM-Faserverbundwerkstoffen ein typischer Fasergehalt bei über 15 Gew% liegt.
Allerdings misst sich der Faseranteil im HM/UHM-Faserverbund- werkstoff üblicherweise über Volumenprozente, so dass bei spielsweise ein erfindungsgemäß gut einsetzbarer HM/UHM- Faserverbundwerkstoff einen HM/UHM-Kohlenstofffaser-Volumen- anteil bezogen auf 100 % Volumen des HM/UHM- Faserverbund werkstoffes - also nicht bezogen auf 100 Vol% des Spaltrohrs sondern auf 100 Vol% des HM/UHM-Verbundwerkstoffes - im Be reich zwischen 35Vol% und 80 Vol%, insbesondere zwischen 37 Vol% und 75 Vol% und ganz bevorzugt zwischen 40Vol% und 70Vol%, beispielsweise mit einem Volumenanteil von 55 Vol% als einen in Matrix eingebetteten HM/UHM-Faservolumenanteil an hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstofffasern aufweist. Ein derart hergestelltes Spaltrohr nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 80 bis 200 W/mK parallel zur Faser-Vorzugsrichtung respektive in Umfangsrich tung bei Wicklung des Spaltrohrs auf einem zylindrischen Trä ger, zeigen, wobei quer zur Faserrichtung, also in Axial- und/oder Radialrichtung, immer noch eine Wärmeleitfähigkeit von 0,4 bis 1,5 W/mK zu messen ist.
Dadurch kann einerseits eine Reduzierung der maximalen Bau teiltemperaturen am Blechpaket erreicht werden und anderer seits wird ein Abbau von Hotspots am Spaltrohr möglich.
Der entscheidende Unterschied zu den bekannten Spaltrohren aus herkömmlichem Faserverbundwerkstoff ist, dass eine Effi zienzsteigerung des Kühlsystems durch eine zielgerichtete Mo difikation des Spaltrohr- respektive des darin eingesetzten Fasermaterials erreicht wird. Hochmodul- bzw. Ultrahochmodul- Kohlenstofffasern kommen bisher wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit aus den oben genannten Gründen nicht zum Einsatz in Spaltrohren. Durch die Erfindung konnte gezeigt werden, dass Carbonfasern in Form hochmoduliger oder ultra-hochmoduliger Verstärkungsfasern diese störende Leitfä higkeit in Verbundwerkstoffen nicht zeigen, dafür aber durch ihre extreme Steifigkeit und ihre extrem hohe intrinsische Wärmeleitfähigkeit gesenkte Bauteil- und/oder Spaltrohrtempe- raturen einerseits und dadurch höhere Leistungsdichten und/oder höhere Lebensdauern ermöglichen.
In Tests und zum Nachweis dieser These wurden die Maximaltem peraturen eines konventionellen Spaltrohrs mit einem Spalt rohr gemäß der Erfindung verglichen:
Figur 1 zeigt die gemessenen Bauteiltemperaturen in einem elektrischen Motor: Für die Nachweisführung wurden thermische Simulationen durch geführt, in denen unter Variation der Wärmeleitfähigkeit des Spaltrohrmaterials die resultierenden Bauteiltemperaturen an den Spulen, im Blechpaket und am Spaltrohr ausgewertet wur den.
Als Vergleichsbeispiel wurde ein konventionelles Spaltrohr aus Verbundwerkstoff oder aus mit niedrig-Wärme-leitenden Fa sern verstärktem Verbundwerkstoff im gleichen Elektromotor eingesetzt, dafür wurde ein typischer Wert der Wärmeleitfä higkeit für derartige Verbundwerkstoffe, 0,2W/mK, isotrop, angenommen. Diesem wurde ein Elektromotor mit Spaltrohr gemäß der vorliegenden Erfindung aus zumindest 70 Gew% aus HM/UHM Verbundwerkstoff - also mit hochmoduliger oder ultra-hoch- moduliger Kohlenstofffaser-Verstärkung - gegenübergestellt.
Dafür wurden Wärmeleitfähigkeitswerte, die sich an der unte ren Grenze der getesteten Wärmeleitfähigkeitsbereich der er findungsgemäßen Spaltrohre befinden, angenommen. Die angenom menen Werte betragen 84w/mK in Faserrichtung und 0,4w/mK quer zur Faserrichtung. Trotz der am unteren Rand der zu erwarten den Werte angesetztem Wert zeigte der Elektromotor mit dem erfindungsgemäßen Spaltrohr aus mit UHM-Verbundwerkstoff schon deutlich geringere Maximaltemperaturen bei ansonsten gleichen Bedingungen.
Figur 1 zeigt, wie bereits bei diesen eher niedrig angesetz ten Wärmeleitfähigkeiten eines erfindungsgemäßen Spaltrohrs deutlich geringere Maximaltemperaturen am System, also am Spaltrohr selbst und auch an den Bauteilen Spulen und Blech paket des Elektromotors entstehen.
Figur 1 zeigt an der Y-koordinate die Maximaltemperaturen in °C auf der x-Achse jeweils 3 Paare mit Temperatur-Balken. Da bei repräsentiert der linkere Balken „A" den Stand der Tech nik mit immer höheren Maximaltemperaturen als der rechtere Balken „B", der immer die erfindungsgemäße Ausführungsform des Elektromotors mit einem Spaltrohr aus einem UHM-Verbund- Werkstoff mit zumindest einem Anteil an 70Gew% an UHM- Verbundwerkstoff .
Die Balken-Paare 1 bis 3 zeigen, von links nach rechts:
1 - Spule, 1A- Stand der Technik und 1B nach der Erfindung
2 - Blechpaket 2A- Stand der Technik und 2B nach der Erfin dung und
3 - Spaltrohr 3A- Stand der Technik und 3B nach der Erfin dung.
Die Temperaturabnahme gegenüber einer konventionellen Ausfüh rung wird umso höher ausfallen, je höher die Wärmeleitfähig keit des Spaltrohrs 3B ist. Beispielsweise können mit ultra- hochmoduligen Kohlenstofffasern Wärmeleitfähigkeiten von über 150 W/mK in Faserrichtung und 1,5 W/mK quer zur Faserrich tung, erzielt werden. Diese lassen nach diesen Tests dann auch noch deutlich höhere Temperaturabnahmen im Elektromotor erwarten.
In weiteren Tests wurde aus dieser Studie - Figur 1 - die Temperaturverteilung am Spaltrohr ausgewertet. Figur 2 zeigt das konventionelle Spaltrohr 3A nach dem Stand der Technik und Figur 3 zeigt das Spaltrohr 3B nach der vorliegenden Er findung.
In Figur 2 wird deutlich, wie vorhandene Hot Spots am Spalt rohr 3A, die oft im Bereich der Blechpaketzähne auftreten, diskrete Strukturen und diskrete Bereiche mit extremen Tempe raturbelastungen bilden.
Demgegenüber zeigt das Spaltrohr 3B nach der Erfindung wie infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit des Spaltrohr- Verbund werkstoffes die Hot Spots abgebaut und auf das gesamte Bau teilvolumen homogenisiert werden.
Diese deutliche Reduzierung der maximalen Spaltrohrtemperatu- ren lassen eine höhere Dauerbeständigkeit / Lebensdauer des Spaltrohres erwarten und ermöglichen damit in einem Bauteil- entwicklungsprozess aufgrund reduzierter Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit den Einsatz kostengünstiger Materia lien. Die Erfindung betrifft einen Elektromotor oder eine Flüssig- keitspumpe mit Spaltrohr. Dabei zeigt die vorliegende Erfin dung erstmals durch den Einsatz von HM/UHM-Verbundwerkstoffen zur Herstellung von Spaltrohren, dass das wissenschaftliche Vorurteil überwunden werden kann, nachdem sich Kohlenstofffa- sern allgemein als Faserverstärkung in Verbundwerkstoffen für die Herstellung von Spaltrohren wegen ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit nicht eignen. Vielmehr wird gemäß der Erfindung gezeigt, welche großen Vorteile der Einsatz von hochmoduligen oder ultra-hochmoduligen Kohlenstoffasern in so genannten HM/UHM-Verbundwerkstoffen allein oder in Material- Kombinationen mit weiteren Verbundwerkstoffen bei der Her stellung von Spaltrohren hinsichtlich Wärmekapazität und/oder Beulfestigkeit mit sich bringt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr, bei der das Material des Spaltrohrs zumindest zu einem Anteil von mehr als 50 Gew% einen HM/UHM-Verbund- werkstoff mit hochmoduliger „HM" oder ultra-hochmoduliger „UHM"-Kohlenstofffaser-Verstärkung umfasst.
2. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach Anspruch 1, wobei in dem HM/UHM-Verbund- werkstoff die HM/UHM-Kohlenstofffasern gestreckt vorliegen.
3. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die HM/UHM-Kohlenstofffasern im HM/UHM-Verbundwerkstoff zumindest teilweise in Form einer UD-Schicht vorliegen.
4. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HM/UHM-Kohlenstofffasern im HM/UHM-Verbundwerkstoff zu mindest zum Teil unidirektional vorliegen.
5. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HM/UHM-Kohlenstofffasern im HM/UHM-Verbundwerkstoff zu mindest zum Teil in Form eines Endlos-Rovings vorliegen.
6. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HM/UHM-Kohlenstofffasern im HM/UHM-Verbundwerkstoff zu mindest zum Teil als Pech-basierte Fasern vorliegen.
7. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach Anspruch 6, wobei die Pech-basierte HM/UHM-Kohlenstofffasern im HM/UHM-Verbundwerkstoff zumindest zum Teil als Steinkohleteerpech-basierte HM/UHM-Kohlenstoff- fasern vorliegen.
8. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im HM/UHM-Verbundwerkstoff als Matrixmaterial ein Duroplast vorliegt.
9. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im HM/UHM-Verbundwerkstoff als Matrixmaterial ein Thermoplast vorliegt.
10. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im HM/UHM-Verbundwerkstoff als Matrixmaterial eine Keramik vorliegt.
11. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HM/UHM-Kohlenstofffasern im HM/UHM-Verbundwerkstoff zu mindest zu einem Volumenanteil -bezogen auf 100 Vol% des HM/UHM-Verbundwerkstoffes - im Bereich von 35 Vol% bis 80 Vol% vorliegen.
12. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spaltrohr eine Material-Kombination aus einem HM/UHM- Verbundwerkstoff und einem Glas-, Aramid-, Polymer- und/oder Keramikfaserfaserverbundwerkstoff umfasst.
13. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spaltrohr eine Material-Kombination aus einem HM/UHM- Verbundwerkstoff und einem Aramid-, Polypropylen und/oder Po- lyethylenterephthalat-Faserverbundwerkstof f umfasst.
14. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spaltrohr eine Material-Kombination aus einem HM/UHM- Verbundwerkstoff und einem Polypropylen-Faserverbundwerkstoff umfasst.
15. Elektrische rotierende Maschine oder Flüssigkeitspumpe mit Spaltrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spaltrohr eine Material-Kombination aus einem UHM-Ver- bundwerkstoff und einem Polyethylenterephthalat-Faserverbund- werkstoff umfasst.
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