DE102005013836A1

DE102005013836A1 - Magnetischer Nutverschluss

Info

Publication number: DE102005013836A1
Application number: DE200510013836
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Klaussner; Alexander MÄURER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-09-28
Also published as: WO2006100291A1

Abstract

Der Nutverschluss (8) ist für eine elektrische Maschine bestimmt, die zur Aufnahme einer elektrischen Leiteranordnung (3) mindestens eine Nut (2) mit einer Nutöffnung (7) enthält. Es ist ein vorgefertigter Verschlusskörper vorgesehen, der nach dem Einbringen der Leiteranordnung (3) zum Verschluss der Nutöffnung (7) in die Nut (2) einsetzbar ist. Der Verschlusskörper besteht aus einem Material mit einem thermoplatischen Polymermaterial und einem Magnetfüllstoff.

Description

Die Erfindung betrifft einen Nutverschluss für eine elektrische Maschine, die zur Aufnahme einer elektrischen Leiteranordnung mindestens eine Nut mit einer Nutöffnung enthält.
Ein derartiger Nutverschluss dient zur Positionssicherung der elektrischen Leiteranordnung in der Nut der beispielsweise als elektrodynamischer Motor oder Generator ausgeführten elektrischen Maschine. Um die magnetische Flussführung im Bereich der Nutöffnung zu verbessern, sind Nutverschlüsse zum Teil magnetisch ausgeführt.
So kommt beispielsweise ein magnetischer Nutverschluss zum Einsatz, der einen vorgefertigten Verschlusskörper aus einem eisengefüllten Schichtpressstoff enthält. Dieser Nutverschluss muss mit der Nut verklebt werden, um einen guten Haftsitz zu erreichen. Außerdem weist er aufgrund seines Schichtaufbaus eine gewisse Anisotropie im magnetischen Verhalten auf. Der Schichtaufbau kann auch zu einer Delaminierung und damit zu einer Haftsitzverschlechterung führen.

Aus der DE 1 288 186 A und der DE 1 299 357 A ist ein anderer magnetischer Nutverschluss bekannt, der aus einem eisengefüllten duroplastisch härtbaren Epoxydharz besteht. Das Epoxydharz wird mit Eisenpulver vermengt und in pastenförmigem Zustand in die Nut eingestrichen. Danach erfolgt eine Verdichtung mittels Drücken gefolgt von dem Härteprozess. Diese Herstellung ist aufwändig. Sie umfasst mehrere Einzelschritte, für die zum Teil Spezialvorrichtungen erforderlich sind.

Die bekannten Nutverschlüsse sind in ihrer Anwendungstemperatur auf einen Maximalwert von etwa 155°C begrenzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Nutverschluss der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der auch für höhere Anwendungstemperaturen ausgelegt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Nutverschluss handelt es sich um einen solchen, bei dem

a) ein vorgefertigter Verschlusskörper vorgesehen ist, der nach dem Einbringen der Leiteranordnung zum Verschluss der Nutöffnung in die Nut einsetzbar ist, und
b) der Verschlusskörper aus einem Material mit einem thermoplastischen Polymermaterial und einem Magnetfüllstoff besteht.

Aufgrund des bei dem erfindungsgemäßen Nutverschluss eingesetzten thermoplastischen Polymermaterials lässt sich der Anwendungstemperaturbereich auf einfache Weise in weiten Bereichen einstellen. Die jeweilige maximale Anwendungstemperatur hängt dabei insbesondere von dem gewählten thermoplastischen Polymermaterial ab.

Mit dem thermoplastischen Polymermaterial lassen sich problemlos die Wärmeklassen F, H und bei Bedarf 200 abdecken. Die hier maßgeblichen Wärmeklassen für die Isolierung elektrotechnischer Betriebsmittel sind in der IEC 60085 definiert. Je nach Wärmeklasse der elektrischen Maschine erstreckt sich der Anwendungstemperaturbereich von einem insbesondere in der Bahntechnik maßgeblichen Minimalwert von –40°C bis zu einem Maximalwert von 130°C (Klasse B), von 155°C (Klasse F), von 180°C (Klasse H) oder von 200°C (Klasse 200). Auch noch höhere Temperaturwerte sind grundsätzlich möglich.

Das nach den jeweiligen Anforderungen für die maximale Anwendungstemperatur ausgewählte thermoplastische Polymermaterial wird dann mit dem insbesondere weichmagnetischen und vorzugsweise pulverförmigen Magnetfüllstoff vermengt, ehe daraus in einem vorgeschalteten Fertigungsschritt der Verschlusskörper hergestellt wird. Die Möglichkeit zur Vorfertigung des Ver schlusskörpers führt verglichen mit dem bekannten Nutverschluss aus dem duroplastischen Epoxydharz zu einem deutlich niedrigeren Herstellungsaufwand.

Der Verschlusskörper kann insbesondere als Bandhalbzeug mit definierten Abmessungen und einer definierten Querschnittsgeometrie von einem Zulieferer bezogen werden. Ebenso kann er aus einem zugelieferten Plattenhalbzeug mit definierter Dicke am Montageort der elektrischen Maschine zugeschnitten werden. Beide Optionen sind wenig aufwändig.

Weiterhin führt insbesondere die Durchmengung des thermoplastischen Polymermaterials und des Magnetfüllstoffs zu einem Verschlusskörper, dessen magnetisches Verhalten praktisch keine Anisotropie aufweist. Dies ist hinsichtlich der magnetischen Flussführung im Bereich der Nutöffnung vorteilhaft.

Das eingesetzte thermoplastische Polymermaterial ist außerdem toxikologisch unbedenklich. Es enthält im Gegensatz zu dem duroplastischen Epoxydharz des bekannten Nutverschlusses keine Gefahrstoffe. Das eingesetzte thermoplastische Polymermaterial ist darüber hinaus weltweit in einheitlicher Qualität verfügbar. Seine mechanischen, thermischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften können gezielt eingestellt und auch in weiten Bereichen variiert werden. Außerdem ist es halogenfrei flammwidrig.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Nutverschlusses ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der der Verschlusskörper als ein extrudierter, insbesondere als ein strangextrudierter Körper ausgebildet ist, der sich besonders leicht herstellen lässt. Die Strangextrusion ermöglicht außerdem eine weitgehend freie Gestaltung der Querschnittsgeometrie des Verschlusskörpers, ohne dass hierfür eine aufwändige (Nach-)Bearbeitung erforderlich ist.

Weiterhin kann das thermoplastische Polymermaterial ein teilaromatisches Polyamid oder ein Polyphenylensulfid (= PPS) sein. Diese Polymere eignen sich insbesondere für die Wärmeklasse F, also bis zu einer Temperatur von etwa 155°C, sehr gut.

Gemäß einer anderen Variante ist das thermoplastische Polymermaterial ein Polyetheretherketon (= PEEK). Diese Polymere eignen sich insbesondere für die Wärmeklasse H, also bis zu einer Temperatur von etwa 180°C, sehr gut.

Möglich ist außerdem eine Ausgestaltung, bei der das thermoplastische Polymermaterial ein Polyimid oder ein flüssigkristallines Polymer (= LCP) ist. Diese Polymere eignen sich insbesondere für die Wärmeklasse 200, also bis zu einer Temperatur von etwa 200°C, sehr gut.

Vorzugsweise enthält der Magnetfüllstoff ein Eisenpulver, insbesondere ein Schwammeisenpulver oder ein Carbonyleisenpulver. Das Eisenpulver hat vorzugsweise eine mittlere Korngröße zwischen etwa 40 und 100 μm, insbesondere von etwa 60 μm. Grundsätzlich sind aber auch kleinere Korngrößenwerte als 40 μm möglich. Anhand der Korngrößenverteilung können die magnetischen Eigenschaften des Nutverschlusses eingestellt werden. Das Eisenpulver ist vorzugsweise in einer reduzierender Atmosphäre wie z.B. in einer trockenen Wasserstoff-Atmosphäre bei Temperaturen zwischen etwa 700 und 850°C geglüht. Dadurch erreicht man eine hohe Permeabilität und eine mechanische Entspannung der Eisenteilchen des Eisenpulvers.

Bei einer Ausgestaltung enthält der Magnetfüllstoff ein Magnetpulver mit reduzierter elektrischer Leitfähigkeit, also insbesondere mit einer niedrigeren elektrischer Leitfähigkeit als der von Eisen. Im Idealfall kann auch ein elektrisch isolierendes Magnetpulver vorgesehen sein. Die Reduzierung betrifft nur die elektrische, nicht jedoch die magnetische Leitfähigkeit. So sind diese Magnetpulver wie auch das vor stehend genannte Eisenpulver insbesondere weichmagnetisch. Vorzugsweise kann der Magnetfüllstoff ein Ferritpulver umfassen, das z.B. in der Zusammensetzung MeO·Fe₂O₃ vorliegt, wobei mit ME ein zweiwertiges Metall bezeichnet ist. Aufgrund der zumindest reduzierten elektrischen Leitfähigkeit werden Wirbelstromverluste innerhalb des Nutverschlusses vermieden. Weiterhin kann eine Mischung aus Eisenpulver und einem Magnetpulver mit reduzierter elektrischer Leitfähigkeit als Magnetfüllstoff vorgesehen sein. Anhand der Materialbestandteile des Magnetfüllstoffs lassen sich die magnetischen Eigenschaften des Nutverschlusses einstellen.

Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der das Material des Verschlusskörpers einen Quellfüllstoff enthält. Beispielsweise liegt der Quellfüllstoff als ein mikrogekapseltes Polyurethan vor. Der Quellfüllstoff verbessert den Haftsitz des Nutverschlusses in der Nut, indem er z.B. während einer Temperaturbehandlung aufquillt und ein Anschmiegen des Nutverschlusses an die Kontur der Nutseitenwände bewirkt. Dadurch lassen sich Unebenheiten der Nutseitenwände ausgleichen. Insbesondere in axialer Richtung können solche Unebenheiten durch eine leicht gegeneinander versetzte Anordnung der Einzelbleche des Stator-Blechpakets resultieren. Vorteilhafterweise erfolgt das günstige Aufquellen der Quellstoffe während einer ohnehin im Zuge der Gießharz-Imprägnierung des Stators vorgesehenen Temperaturbehandlung. Eine gesonderte Verklebung, wie etwa bei dem bekannten Nutverschluss aus Schichtpressstoff, erübrigt sich bei dieser Variante.

Gemäß einer anderen Variante weist der Verschlusskörper ein insbesondere angeformtes Federelement auf, das ebenfalls zu einer Verbesserung des Haftsitzes des Nutverschlusses führt. Besonders günstig ist ein direkt angeformtes Federelement. Es lässt sich insbesondere mittels des vorstehend bereits genannten Extrusionsverfahrens auf einfache Weise herstellen.

Weiterhin ist es günstig, wenn der Verschlusskörper an einer der Nutöffnung zugewandten Oberfläche mechanisch vorgespannt ist und dort einen Aufschmelzbereich aufweist. Dieser wird nach dem Einsetzen des Nutverschlusses in die Nut beispielsweise mittels einer Laserbestrahlung oder einer anderen Energiezufuhr lokal soweit erwärmt und damit erweicht, bis eine zumindest teilweise Entspannung der Oberfläche stattfindet und die schmalen Seitenflächen des Nutverschlusses an die Nutseitenwände gepresst werden. Es resultiert wiederum eine Haftsitzverbesserung. Im Gegensatz zu den bei den bekannten Nutverschlüssen verwendeten Duroplasten oder Schichtpressstoffen ist das vorteilhafte nachträgliche lokale Aufschmelzen bei dem thermoplastischen Polymermaterial des erfindungsgemäßen Nutverschlusses problemlos möglich.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Stators einer elektrischen Maschine mit einem magnetischen Nutverschluss,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators einer elektrischen Maschine mit einem magnetischen Nutverschluss,
3 den Nutverschluss gemäß 2 in vergrößerter Darstellung,
4 ein Ausführungsbeispiel eines magnetischen Nutverschlusses mit angeformten Federelement und
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines magnetischen Nutverschlusses mit angeformten Federelement.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stators 1 einer elektrischen Maschine in einem Teilquerschnitt gezeigt. Der Stator 1 umfasst eine Nut 2, in der eine elektrische Leiteranordnung 3 platziert ist. Die nur schematisch gezeigte Leiteranordnung 3 kann als elektrischer Einzelleiter oder auch als Kombination mehrerer elektrischer Teilleiter ausgebildet sein. Sie ist mit einer elektrischen Isolierung 4 umgeben und Teil einer Spulenwicklung des Stators 1. Weiterhin kann die Nut 2 an ihren Seitenwänden 5 und an ihrer Bodenwand 6 mit einer in l nicht näher gezeigten Tränkharzauskleidung versehen sein. Grundsätzlich können die Nut 2 und die Leiteranordnung 3 anstelle im Stator 1 auch in einem Rotor der elektrischen Maschine vorgesehen sein.
Im Bereich einer Nutöffnung 7 ist innerhalb der Nut 2 ein in etwa keilförmiger Nutverschluss 8 angeordnet. Die Keilform des Nutverschlusses 8 ist an die entsprechende Kontur der Seitenwände 5 in diesem Bereich der Nut 2 angepasst. Der Nutverschluss 8 ist als länglicher vorgefertigter Verschlusskörper ausgebildet, der aus einem mit einem Magnetfüllstoff vermischten thermoplastischen Polymermaterial hergestellt ist. Im Ausführungsbeispiel ist als thermoplastisches Polymermaterial ein Polyphenylensulfid (= PPS) und als Magnetfüllstoff ein Eisenpulver vorgesehen. Der Gewichtsanteil des Eisenpulvers beträgt etwa 75 %. Dadurch resultiert eine relative Permeabilität von etwa 5. Verglichen damit rangieren die bekannten Nutverschlüsse aus Schichtpressstoffen nur bei relativen Permeabilitäten zwischen 2 und 3.
Das im Ausführungsbeispiel vorgesehene thermoplastische Polymermaterial aus PPS führt zu einer Zuordnung zur Wärmeklasse F, also zu einer maximalen Anwendungstemperatur von etwa 155° C. Mit einer anderen Materialwahl für das thermoplastische Polymermaterial lassen sich auch deutlich höhere maximale Anwendungstemperaturen erzielen.
Das Material des Nutverschlusses 8 enthält darüber hinaus auch einen Quellfüllstoff, der zu einem besonders guten Haft sitz des Nutverschlusses 8 in der Nut 2 führt. Nachdem die Leiteranordnung 3 in die Nut 2 eingesetzt ist, wird der Verschlusskörper des Nutverschlusses 8 in axialer Richtung, also in der zur Zeichenebene von 1 senkrecht verlaufenden Richtung, in die Nut 2 eingeschoben. Danach wird der Stator 1 einer im Laufe des Fertigungsprozesses der elektrischen Maschine ohnehin notwendigen Temperaturbehandlung unterzogen, wobei der Quellfüllstoff aufquillt, so dass sich der Nutverschluss 8 eng an die Seitenwände 5 anschmiegt.
In den 2 und 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines magnetischen Nutverschlusses 9 gezeigt. In der Darstellung gemäß 2 ist der Zustand nach dem Einschieben des Nutverschlusses 9 in den Öffnungsbereich der Nut 2 wiedergegeben. In diesem Zustand besteht zwischen den Seitenwänden 5 und dem Nutverschluss 9 noch ein gewisses Spiel.
Der Nutverschluss 9 ist gewölbt ausgebildet und unter einer gewissen mechanischen Vorspannung an seiner oberen Oberfläche 10 vorgefertigt. An der Oberfläche 10 ist ein Aufschmelzbereich 11 vorgesehen, in dem mittels eines Laserstrahls 12 eine lokale Erwärmung des thermoplastischen Polymermaterials vorgenommen wird. Aufgrund der Energiezufuhr mittels des Laserstrahls 12 erweicht sich das Material im Aufschmelzbereich 11 und die Spannung an der Oberfläche 10 löst sich, so dass sich schmale Seitenflächen 13 des Nutverschlusses 9 nach außen bewegen und dadurch an die Seitenwände 5 der Nut 2 gepresst werden. Die so hervorgerufenen Formänderungen des Nutverschlusses 9 sind in 3 durch die eingetragenen Pfeile angedeutet. Nach diesen Formänderungen ergibt sich wieder ein sehr passgenauer Haftsitz des Nutverschlusses 9 in der Nut 2.
Das nachträgliche Aufschmelzen des vorgefertigten Verschlusskörpers des Nutverschlusses 9 wird erst durch die erfindungsgemäß vorgesehene Wahl eines thermoplastischen Polymermaterials ermöglicht. In diesem Ausführungsbeispiel kommt ein flüssigkristallines Polymer (= LCP) zum Einsatz, wodurch die maximale Anwendungstemperatur bei etwa 200° C liegt.
In den 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele magnetischer Nutverschlüsse 14 bzw. 15 dargestellt. Sie umfassen jeweils ein an einer unteren Oberfläche 16 angeformtes Federelement 17 bzw. 18. Diese Federelemente 17 und 18 werden beim Einschieben der magnetischen Nutverschlüsse 14 und 15 in die Nut 2 in Richtung der Pfeile verformt und gegenüber der Leiteranordnung 3 oder gegenüber einem in den 1 und 2 nicht näher dargestellten Zwischenelement mechanisch vorgespannt. Nach dem Einschieben bewirkt die Federrückstellkraft der Federelemente 17 und 18 ein Anpressen der keilförmigen Nutverschlüsse 14 und 15 an die Kontur der Seitenwände 5 im Öffnungsbereich der Nut 2. Dadurch resultiert ein sehr guter Haftsitz der Nutverschlüsse 14 und 15.
Die Nutverschlüsse 14 und 15 mit dem angeformten Federelement 17 bzw. 18 lassen sich in einfacher Weise mittels Strangextrusion herstellen. Als Material ist wiederum ein mit Eisenpulver gefülltes thermoplastisches Polymermaterial vorgesehen.

Claims

Nutverschluss für eine elektrische Maschine, die zur Aufnahme einer elektrischen Leiteranordnung (3) mindestens eine Nut (2) mit einer Nutöffnung (7) enthält, wobei a) ein vorgefertigter Verschlusskörper vorgesehen ist, der nach dem Einbringen der Leiteranordnung (3) zum Verschluss der Nutöffnung (7) in die Nut (2) einsetzbar ist, und b) der Verschlusskörper aus einem Material mit einem thermoplastischen Polymermaterial und einem Magnetfüllstoff besteht.
Nutverschluss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper als ein extrudierter Körper ausgebildet ist.
Nutverschluss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymermaterial ein teilaromatisches Polyamid oder ein Polyphenylensulfid ist.
Nutverschluss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymermaterial ein Polyetheretherketon ist.
Nutverschluss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymermaterial ein Polyimid oder ein flüssigkristallines Polymer ist.
Nutverschluss nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfüllstoff ein Eisenpulver enthält.
Nutverschluss nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfüllstoff ein Magnetpulver mit reduzierter elektrischer Leitfähigkeit enthält.
Nutverschluss nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Verschlusskörpers einen Quellfüllstoff enthält.
Nutverschluss nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper ein Federelement (17; 18) aufweist.
Nutverschluss nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper an einer der Nutöffnung (7) zugewandten Oberfläche (10) mechanisch vorgespannt ist und dort einen Aufschmelzbereich (11) aufweist.