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Die Erfindung betrifft ein Lamellenpaket, vorzugsweise ein Statorlamellenpaket oder Rotorlamellenpaket, einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeugs, mit jeweils eine Nutisolierung aufweisenden Nuten und mit in den Nuten verlaufenden Wicklungsdrähten von mindestens einer elektrischen Wicklung, wobei eine Kunststoffumspritzung das Lamellenpaket mitsamt den in den Nuten verlaufenden Wicklungsdrähten zumindest bereichsweise ummantelt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Lamellenpakets sowie eine elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2008/034773 A1 ist es bekannt, einen Kunststoffüberzug im Heißkanalspritzgussverfahren auf der Oberfläche eines Ankers einer elektrischen Maschine anzubringen. Dabei werden Teile des Ankers, wie das Blechpaket, die Welle, die Nutisolationen, der Kommutator und die Wicklungen mit dem Kunststoffüberzug überdeckt, so dass der Anker mit dem Kunststoffüberzug eine zylindrische Form mit einer strukturlosen Mantelfläche aufweist. Aufgrund dieser zylindrischen Form werden hydraulische Verluste des Ankers bei einem Betrieb in einer Flüssigkeit verringert. Durch die bisher bekannten Kunststoffüberzüge wird jedoch kein sicherer Schutz des Ankers gegen korrosive Bestandteile der Flüssigkeit erzielt, wodurch eine Beschädigung des Ankers erfolgen kann und somit dessen sicherer Betrieb nicht langfristig gewährleistet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei einem Lamellenpaket der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kunststoffumspritzung und die Nutisolierungen jeweils aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen und dass der Kunststoff der Nutisolierungen einen gleich hohen oder ähnlich hohen oder niedrigeren Schmelzpunkt wie/als der Kunststoff der Kunststoffumspritzung zur stoffschlüssigen Verbindung von Nutisolierungen und Kunststoffumspritzung durch ein beim Umspritzen erfolgendes Anschmelzen der Nutisolierungen aufweist. Während dem Umspritzen, das heißt während dem Anbringen der Kunststoffumspritzung, kommt es also zu einem Anschmelzen, insbesondere einem oberflächennahen Anschmelzen, des Kunststoffs der Nutisolierungen und somit einem zumindest bereichsweisen Verschmelzen der beiden Kunststoffe. Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Nutisolierungen und der Kunststoffumspritzung geschaffen. Durch diese auf atomaren beziehungsweise molekularen Kräften basierende Verbindung zwischen der jeweiligen Nutisolierung und der Kunststoffumspritzung kann/können durch deren Grenzfläche keine beziehungsweise nur wenig Flüssigkeit beziehungsweise Bestandteile der Flüssigkeit dringen. Die stoffschlüssige Verbindung erhöht also die Dichtigkeit dieser Grenzfläche. Insofern gelangt/gelangen keine oder nur wenig Flüssigkeit beziehungsweise Bestandteile der Flüssigkeit bis zu den Wicklungsdrähten der elektrischen Wicklung. Insbesondere wird ein Eindringen von niedermolekularen Stoffen, beispielsweise von chemisch aggressiven beziehungsweise korrosiven Bestandteilen von Kraftstoffen, wie beispielsweise von Kraftstoffen mit unterschiedlichem Gehalt an Ethanol, Wasser und/oder Salzen, an der Grenzfläche zwischen der jeweiligen Nutisolation und der Kunststoffumspritzung verhindert oder zumindest verringert. Dadurch wird eine Beschädigung, insbesondere eine Korrosion, der Wicklungsdrähte der elektrischen Wicklung vermieden beziehungsweise verringert. Folglich ist ein sicherer Betrieb des Lamellenpakets beziehungsweise der elektrischen Maschine langfristig sichergestellt und die Lebensdauer und die Beständigkeit des Lamellenpakets sind dementsprechend erhöht.
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Die Temperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung ist bei dem Umspritzen mindestens so hoch wie seine Schmelztemperatur, die hier als maßgebender Faktor des Schmelzpunkts dient. Unter dem Schmelzpunkt ist insofern insbesondere die Schmelztemperatur des jeweiligen Kunststoffs zu verstehen. Weist der Kunststoff der Nutisolierungen eine gleich hohe oder niedrigere Schmelztemperatur wie/als der Kunststoff der Kunststoffumspritzung auf, so ist die Temperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung bei dem Umspritzen mindestens so hoch wie die Schmelztemperatur der Nutisolierungen.
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Demzufolge wird ein Anschmelzen der Nutisolierungen ermöglicht. Alternativ weist der Kunststoff der Nutisolierungen eine ähnlich hohe, insbesondere höhere, Schmelztemperatur wie/als der Kunststoff der Kunststoffumspritzung auf. Um ein beim Umspritzen erfolgendes Anschmelzen des Kunststoffs der Nutisolierungen sicherzustellen, muss die Temperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung beim Umspritzungsprozess mindestens so hoch sein wie die Schmelztemperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen. Demzufolge muss der Kunststoff der Kunststoffumspritzung auf eine Temperatur, die über seiner Schmelztemperatur liegt, erhitzt werden. Da sich der Kunststoff bei einer zu starken Erhitzung in seine Grundbestandteile zersetzt, ist vorgesehen, dass der Kunststoff der Nutisolierungen eine ähnlich hohe, insbesondere eine lediglich etwas höhere, Schmelztemperatur wie/als der Kunststoff der Kunststoffumspritzung aufweist, um eine derartige Zersetzung zu vermeiden und gleichzeitig ein Anschmelzen zu ermöglichen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nutisolierungen und die Kunststoffumspritzung aus dem gleichen Kunststoff, insbesondere zumindest im Wesentlichen aus Polyoxymethylen, bestehen. Folglich weisen der Kunststoff der Nutisolierungen und der Kunststoff der Kunststoffumspritzung die gleiche Schmelztemperatur auf. Bei dem Umspritzungsprozess kann es insofern zu einem Anschmelzen des Kunststoffs der Nutisolierung kommen, da die Temperatur des dem Umspritzen dienenden Kunststoffs der Kunststoffumspritzung der Schmelztemperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen entspricht beziehungsweise größer als diese ist. Vorzugsweise bestehen die Nutisolierungen und die Kunststoffumspritzung vollständig aus Polyoxymethylen (POM).
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Nutisolierungen in die jeweilige Nut eingespritzt sind. Das Einspritzen der Nutisolierungen in die jeweilige Nut erfolgt vor dem Umspritzen des Lamellenpakets mit dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung. Die Nutisolierungen bedecken vorzugsweise vollständig die Innenseiten der jeweiligen Nut, so dass eine elektrische Isolierung der in den Nuten verlaufenden Wicklungsdrähten sichergestellt ist. Vorzugsweise erstrecken sich die Nutisolierungen bis in die Stirnbereiche des Lamellenpakets um auch dort die Wicklungsdrähte, die in diesen Stirnbereichen beispielsweise einen Wicklungskopf ausbilden, elektrisch zu isolieren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche der jeweiligen Nutisolierung mindestens eine Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mindestens eine Rippe, aufweisen/aufweist. Die Erhebung wird beim Umspritzen von mehreren Seiten gleichzeitig mit dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung beaufschlagt. Dadurch wird die Erhebung schnell durchhitzt. Demzufolge kommt es auch schneller zu einem Anschmelzen der Erhebung, insbesondere von deren Oberfläche, im Gegensatz zu einer ebenen Oberfläche. Vorzugsweise wird die Erhebung der Oberfläche der Nutisolierung von der Kunststoffumspritzung umgeben und/oder die Kunststoffumspritzung dringt in die Vertiefung der Nutisolierung ein. Insbesondere ist diese Ausbildung bei einem Rotorlamellenpaket vorteilhaft, da durch die Erhebung und/oder Vertiefung ein zusätzlicher Formschluss zwischen der jeweiligen Nutisolierung und der Kunststoffumspritzung bei einer Drehung des Rotorlamellenpakets um dessen Rotationsachse erzielt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Erhebung, insbesondere die Rippe, im Querschnitt eckig ausgebildet ist. Die Breite der Erhebung nimmt bevorzugt mit ihrer Höhe ab. Vorzugsweise ist die Erhebung im Querschnitt sägezahnförmig. Aufgrund dieser Ausbildung kann es bei dem Umspritzungsprozess mit dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung außer dem Anschmelzen der jeweiligen Nutisolierung durch den ausgeübten Druck des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung zu einer Umformung der Erhebung kommen, wodurch die formschlüssige Verbindung zwischen der Nutisolierung und der Kunststoffumspritzung, insbesondere durch Bildung eines Hintergriffs, verbessert werden kann.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Rippe als Längsrippe oder Querrippe ausgebildet ist. Bei der Längsrippe handelt es sich um eine parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotorlamellenpakets, verlaufende Rippe. Die Längsrippe erstreckt sich demzufolge auch in Längsrichtung der Nuten. Bevorzugt erstreckt sich die Rippe über die gesamte Länge der Nut. Bei der Querrippe handelt es sich um eine quer, insbesondere orthogonal, zur Rotationsachse verlaufende Rippe. Vorzugsweise sind pro Nutisolierung mehrere derartige Rippen vorgesehen. Die Rippen sind vorzugsweise im Öffnungsbereich, insbesondere am Nutrand, der jeweiligen Nut ausgebildet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rippe einstückig mit der jeweiligen Nutisolierung ausgebildet ist. Die Rippe wird demzufolge beim Einspritzen der Nutisolierungen in die jeweilige Nut mit ausgebildet. Alternativ kann sie durch nachträgliches, das heißt nach dem Einspritzen erfolgendes, Bearbeiten der jeweiligen Nutisolierung geschaffen werden.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kunststoffumspritzung derart geformt ist, dass das Lamellenpaket eine kreiszylinderförmige Mantelaußenfläche aufweist. Die Mantelaußenfläche ist vorzugsweise strukturlos, insbesondere glatt, ausgebildet, wodurch bei einer Rotation des Lamellenpakets in einer Flüssigkeit hydraulische Verluste, insbesondere Wirbelverluste, minimiert werden. In einer bevorzugten Ausbildungsform ist die Mantelaußenfläche bereichsweise durch die Kunststoffumspritzung und bereichsweise durch Blechlamellen des Lamellenpakets ausgebildet, wobei die Bereiche der Kunststoffumspritzung und die Bereiche der Blechlamellen bündig aneinander schließen, so dass insgesamt die kreiszylinderförmige Mantelaußenfläche gebildet wird. Alternativ kann die Mantelaußenfläche vollständig durch die Kunststoffumspritzung ausgebildet sein.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Lamellenpakets, vorzugsweise eines Statorlamellenpakets oder Rotorlamellenpakets, einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, wobei das Lamellenpaket Nuten mit jeweils einer Nutisolierung und in den Nuten verlaufende Wicklungsdrähte von mindestens einer elektrischen Wicklung aufweist. Das Lamellenpaket wird mitsamt den in den Nuten verlaufenden Wicklungsdrähten mit einer Kunststoffumspritzung zumindest bereichsweise umspritzt und die Kunststoffumspritzung und die Nutisolierungen bestehen jeweils aus einem thermoplastischen Kunststoff und der Kunststoff der Nutisolierungen weist einen gleich hohen oder ähnlich hohen oder niedrigeren Schmelzpunkt wie/als der Kunststoff der Kunststoffumspritzung auf, wobei die Nutisolierungen und die Kunststoffumspritzung durch ein beim Umspritzen erfolgendes Anschmelzen der Nutisolierungen stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Vorteilhafterweise ist das Lamellenpaket nach einer oder mehreren der voranstehenden Ausführungen ausgebildet. Die Temperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung wird bei dem Umspritzungsprozess bevorzugt derart hoch gewählt, dass sie höher als die Schmelztemperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen ist. Dadurch werden beim Umspritzen die Nutisolierungen, insbesondere die Oberfläche der jeweiligen Nutisolierung, angeschmolzen, so dass zwischen dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung und dem Kunststoff der jeweiligen Nutisolierung eine stoffschlüssige Verbindung geschaffen wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Lamellenpaket vor dem Umspritzen erwärmt wird. Es wird also das Lamellenpaket mitsamt den Nutisolierungen und den in den Nuten verlaufenden Wicklungsdrähten erwärmt. Durch diese Erwärmung wird die Temperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen vorab derart erhöht, dass durch den der Umspritzung dienenden Kunststoff der Kunststoffumspritzung lediglich ein geringerer Wärmeübertrag auf den Kunststoff der Nutisolierungen erfolgen muss, um ein Anschmelzen von diesem zu ermöglichen. Dadurch kann ein schnelleres Anschmelzen der Nutisolierungen erzielt werden. Zudem kann auch eine niedrigere Temperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung, insbesondere eine Temperatur im Bereich seiner Schmelztemperatur, gewählt werden. Durch das Erwärmen des Lamellenpakets wird vorzugsweise die Temperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen bereits derart stark erhöht, insbesondere in den Bereich von dessen Schmelztemperatur gebracht, so dass der Kunststoff der Nutisolierungen bereits durch die Erwärmung angeschmolzen wird oder nur noch ein geringerer Wärmeübertrag von dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung auf den Kunststoff der Nutisolierungen erfolgen muss, um das Anschmelzen zu ermöglichen, wodurch die Erzeugung einer stoffschlüssige Verbindung sichergestellt ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor und/oder Stator ein Lamellenpaket aufweisen/aufweist. Erfindungsgemäß ist das Lamellenpaket nach einer oder mehreren der voranstehenden Ausführungen ausgebildet.
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Die folgenden Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, und zwar zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung eines Rotors,
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2 eine perspektivische Darstellung des Rotors mit einer Kunststoffumspritzung,
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3 eine Querschnittsansicht von Rippen einer Nutisolierung, und
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4 eine Querschnittsansicht der Rippen während eines Umspritzungsprozesses.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Rotors 1 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine. Vorzugsweise handelt es sich um einen Rotor 1 einer elektrischen Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeugs. Demzufolge wird der Rotor 1 im Betrieb von einem Kraftstoff umspült.
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Der Rotor 1 weist ein Rotorlamellenpaket 2 auf, das drehfest auf einer eine Rotationsachse 3 definierenden Welle 4 angeordnet ist. Das Rotorlamellenpaket 2 weist ein Blechpaket 5 auf, das aus Blechlamellen besteht. In dem Blechpaket 5 sind mehrere axial verlaufende Nuten 6 ausgebildet. Die Nuten 6 sind jeweils mit einer Nutisolierung 7 versehen, die an den Innenseiten der jeweiligen Nut 6 vorgesehen ist und diese vollständig bedeckt. Vorzugsweise sind die Nutisolierungen 7 in die Nuten 6 eingespritzt. Die Nutisolierungen 7 erstrecken sich zudem bevorzugt – wie dargestellt – über die beiden Stirnflächen 8 und 9 des Blechpakets 5. Das Rotorlamellenpaket 2 weist ferner eine elektrische Wicklung 10 auf, die aus mehreren, nicht dargestellten Wicklungsdrähten besteht. Die Wicklungsdrähte der elektrischen Wicklung 10 verlaufen durch die Nuten 6 und bildet an den Stirnflächen 8 und 9 des Blechpakets 5 jeweils einen Wicklungskopf 11 beziehungsweise 12 aus.
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Es ist ferner ein Kollektor 13 eines Kommutators 14 des Rotors 1 zu erkennen. Der Kollektor 13 ebenfalls drehfest auf der Welle 3 angeordnet ist. Der Kollektor 13 weist mehrere Lamellen 15 sowie Kommutatorhaken 16 auf, wobei jeweils ein Kommutatorhaken 16 einer Lamelle 15 zugeordnet ist.
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Die 2 zeigt den Rotor 1 der 1, wobei der Rotor 1, insbesondere das Rotorlamellenpaket 2, mit einer Kunststoffumspritzung 17 bereichsweise ummantelt ist. Die elektrische Wicklung 10, insbesondere die Wicklungsdrähte, ist/sind vollständig von der Kunststoffumspritzung 17 bedeckt. Die Nuten 6 werden insofern von der Kunststoffumspritzung 17 verschlossen. Die Außenseite des Blechpakets 5 des Rotorlamellenpakets 2 und die Kunststoffumspritzung 17 schließen bündig aneinander an, so dass das Rotorlamellenpaket 2 mit der Kunststoffumspritzung 17 insgesamt eine kreiszylinderförmige Mantelaußenfläche 18 aufweist. Die Kunststoffumspritzung 17 ist ferner derart ausgebildet, dass sie den dem Kollektor 13 abgewandten Wicklungskopf 11 vollständig verdeckt. Zudem verdeckt die Kunststoffumspritzung 17 auch vollständig den dem Kollektor 13 zugewandten Wicklungskopf 12 sowie die Kommutatorhaken 16 des Kollektors 13.
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In der 3 sind zwei Erhebungen 19 in der Oberfläche 20 der Nutisolierung 7 einer der Nuten 6 im Querschnitt dargestellt. Die Erhebungen 19 sind jeweils als Rippe 21 ausgebildet. Die Rippen 21 sind sägezahnförmig ausgebildet. Ferner sind sie zueinander beabstandet ausgebildet und insbesondere parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind in der Nutisolierung 7 jeder Nut 6 ein bis fünf, insbesondere ein bis drei, derartige Rippen 21 vorgesehen. Vorzugsweise beträgt die Höhe der Rippen 21 0,1 mm bis 0,9 mm, insbesondere 0,25 mm bis 0,75 mm. Die Breite der Rippen 21 liegt vorzugsweise im Intervall zwischen 0,1 mm und 1,15 mm, insbesondere 0,25 mm und 1 mm. Die Rippen 21 können als Längsrippen oder Querrippen ausgebildet sein. Unter Längsrippe ist eine Rippe 21 zu verstehen, die sich parallel zur Rotationsachse 3, das heißt in Richtung der Nuterstreckung, erstreckt. Vorzugsweise sind mehrere derartige Längsrippen am im Öffnungsbereich, insbesondere am Nutrand 22, der jeweiligen Nut 6 vorgesehen. Insbesondere erstrecken sich die Rippen 21 entlang der gesamten axialen Länge der Nuten 6. Unter Querrippe ist eine Rippe 21 zu verstehen, die sich quer zur Rotationsachse 3 erstreckt.
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Zur Herstellung des Rotors 1 wird folgendermaßen vorgegangen:
Zunächst wird das Blechpaket 5 auf der Welle 4 montiert. Bereits davor oder danach werden die Nutisolierungen 7 in die Nuten 6 eingespritzt und auch die Stirnflächen 8 und 9 des Blechpakets 5 mit den Nutisolierungen 7 versehen. Dann wird der Kollektor 13 des Kommutators 14 auf der Welle 4 befestigt. Im nächsten Schritt werden die Wicklungsdrähte der elektrischen Wicklung 10 auf das Blechpaket 5 gewickelt und dabei in die Nuten 6 eingelegt. Dann wird das gesamte Bauteil, also insbesondere das Rotorlamellenpaket 2 und der Kollektor 13, vorgewärmt. Dabei wird folglich auch der Kunststoff der Nutisolierungen 7 erwärmt. Es wird dann der Rotor 1, insbesondere das Rotorlamellenpaket 2, mit dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung 17 umspritzt. Dabei erfolgt ein oberflächennahes Anschmelzen des Kunststoffs der Nutisolierungen 7, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff der Nutisolierungen 7 und dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung 17 zustande kommt. Dies ist möglich, da die Temperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung 17 beim Umspritzen mindestens so hoch gewählt wird wie die Schmelztemperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen 7. Insbesondere ist die Schmelztemperatur des Kunststoffs der Kunststoffumspritzung 17 gleich hoch, ähnlich hoch oder höher als die Schmelztemperatur des Kunststoffs der Nutisolierungen 7.
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Bei dem Umspritzen mit dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung 17 kann es ferner zu einer Verformung der Rippen 21, die in der Oberfläche 20 der jeweiligen Nutisolierung 7 vorgesehen sind, kommen. Dies ist aus 4 ersichtlich. Die Rippen 21 werden durch den Druck des Kunststoffs beim Umspritzen in die Richtung (Pfeil 23), in die der Kunststoff der Kunststoffumspritzung 17 aufgespritzt wird, verformt, insbesondere umgeknickt. Dies ist insbesondere aufgrund der sägezahnförmigen Gestaltung der Rippen 21 möglich, da die Breite und somit die Stabilität der Rippen 21 mit ihrer Höhe abnimmt. Es wird also nicht nur eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff der Nutisolierungen 7 und dem Kunststoff der Kunststoffumspritzung 17, sondern auch eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen realisiert, wobei durch das Umknicken der Rippen 21 jeweils ein Hintergriff erzeugt wird.
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Insgesamt wird eine derart gute und beständige Verbindung zwischen den Nutisolierungen 7 und der Kunststoffumspritzung 17 geschaffen, dass ein Eindringen von aggressiven Flüssigkeiten, insbesondere aggressiven Bestandteilen von Flüssigkeiten, die eine Korrosion der Wicklungsdrähte der elektrischen Wicklung 10 bewirken können, sicher verhindert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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