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Title:
HOUSING HAVING HALF-SHELL DESIGN FOR ELECTRIC MACHINES, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAID HOUSING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/149781
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a housing for an electric machine and to a method for manufacturing a housing for an electric machine from at least two shell parts (4.1, 4.2), each part covering at least one portion of the periphery. At least one of the shell parts (4.1, 4.2) is manufactured from sheet metal (5) by means of at least one forming process, and the sheet metal (5) is provided, at least in part, with a plastics layer (6) before the forming process.

Inventors:
PATBERG, Lothar (Friesenstraße 35, Moers, 47445, DE)
SCHONGEN, Fabian (Erlenweg 28, Kempen, 47906, DE)
WALTER, Andreas (Bummelberg 31, Dortmund, 44149, DE)
GRUNDEN, Philipp (Mündelheimer Str. 59, Duisburg, 47259, DE)
Application Number:
EP2018/053405
Publication Date:
August 23, 2018
Filing Date:
February 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP STEEL EUROPE AG (Kaiser-Wilhelm-Straße 100, Duisburg, 47166, DE)
THYSSENKRUPP AG (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
International Classes:
H02K5/02; H02K5/20; H02K15/14
Domestic Patent References:
WO2007051684A12007-05-10
Foreign References:
DE1613042A11970-08-27
JP2003174752A2003-06-20
EP0641643A21995-03-08
JP2001232689A2001-08-28
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren für die Herstellung eines Motorengehäuse für eine elektrische Maschine aus mindestens zwei Schalenteilen (4.1, 4.2), welche jeweils zumindest einen Teil des Umfangs abdecken, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Schalenteile (4.1, 4.2) aus Blech (5) durch zumindest eine Umformung hergestellt wird, und dass das Blech (5) vor der Umformung zumindest teilweise mit einer Kunststoffschicht (6) versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach der Umformung Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) auf der Kunststoffschicht (6) aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) in einem Verfahrensschritt gemeinsam mit der Kunststoffschicht (6) vor der Umformung einteilig aufgebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) mit einer Temperiereinheit (7.1) versehen werden.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schalenteilen (4.1, 4.2) flanschartige Verbindungsbereiche (8.1) zur Verbindung der Schalenteile (4.1, 4.2) miteinander durch Umformung und/oder Aufbringung ans Blech (5) hergestellt werden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise ein zusätzliches Metallteil auf der Seite der Kunststoffschicht (6) aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (5) aus mehreren gegeneinander elektrisch isoliert Metallschichten ausgebildet wird.

8. Gehäuse für eine elektrische Maschine, welches zumindest ein Schalenteil (4.1, 4.2) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenteil (4.1, 4.2) flanschartige Verbindungsbereiche (8.1) aufweisen und aus einem Blech (5) bestehen, und dass das Blech (5) zumindest teilweise eine Kunststoffschicht (6) aufweist.

9. Gehäuse nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenteile (4.1, 4.2) auf der Kunststoffschicht (6) vorgesehene Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) aufweist.

10. Gehäuse nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (6) und die Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) einteilig ausgebildet sind.

11. Gehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die flanschartigen Verbindungsbereiche (8.1) als Flansche ausgebildet sind, bei denen die Kunststoffschicht (6) und/oder Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) der jeweiligen Schalenteile (4.1, 4.2) miteinander verbunden sind.

12. Gehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente (7, 7.1, 7.2) zumindest eine Temperatiereinheit (7.1) aufweisen.

13. Gehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise ein zusätzliches Metallteil auf der Seite der Kunststoffschicht (6) vorgesehen ist.

14. Gehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (5) aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Metallschichten ausgebildet ist.

Description:
Gehäuse für elektrische Maschinen in Haibschalenbauweise und Verfahren für dessen

Herstellung

Technisches Gebiet (Technical Field)

Auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen, insbesondere Elektromotoren, beispielsweise für Fahrantriebe von Fahrzeugen oder Maschinenantriebe, werden üblicherweise Metallgehäuse verwendet. Hierbei sind Gussgehäuse aus Aluminium gebräuchlich.

Technischer Hintergrund (Background Art)

Aus der WO 2007/051684 AI ist ein Elektromotor bekannt, der zwei becherförmige Gehäuse aufweist, die übereinander geschoben werden, wobei zwischen die die Gehäuse eine Hülse zur Ausbildung von Kühlkanälen eingesetzt wird. Hierbei ist ein hoher Montageaufwand notwendig und das Gehäuse stellt einen hohen Anteil am Gewicht des Elektromotors dar.

Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein gewichtsreduziertes Gehäuse einer elektrischen Maschine bzw. Elektromotor bereitzustellen, welches günstig herstellbar ist und eine leichte Montage ermöglicht.

Weitere Aufgaben der Erfindung sind eine Verbesserung der elektromagnetischen Abschirmung sowie eine Reduzierung der sogenannten NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness) - also der akustischen Eigenschaften und der Körperschallschwingungen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Gehäuse für elektrische Maschinen, wie Elektromotoren, Generatoren und dergleichen, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs l.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren für die Herstellung eines Gehäuses für eine elektrische Maschine aus mindestens zwei Schalenteilen, welche jeweils zumindest einen Teil des Umfangs abdecken, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Schalenteile aus Blech durch zumindest eine Umformung hergestellt wird, und dass das Blech vor, während oder nach der Umformung zumindest teilweise mit einer Kunststoff Schicht versehen wird. Die Schalenteile werden hierbei derart gefertigt, dass sie zumindest einen Teil des Umfangs des Motoren- gehäuses bilden und somit zumindest mit einem Teil des Stators des Elektromotors abdecken. Hierfür werden metallische Bleche, insbesondere Stahlbleche verwendet, welche zumindest auf einer Seite zumindest bereichsweise mit einer Kunststoffschicht versehen wurden. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung können die Bleche, insbesondere Stahlbleche, anstelle von bereichsweise auch vollflächig mit einer Kunststoffschicht beschichtet sein. Die beschichteten Bleche werden anschließend in die Form der Schalenteile umgeformt, insbesondere durch Tiefziehen, Press-, Stanz- und/oder Biegevorgänge, wobei sie zumindest einen Teil der Umfangs- fläche des späteren Motorengehäuses, sowie vorzugsweise zumindest einen Teil zumindest einer Stirnfläche des Motorengehäuses umfassen.

In bevorzugten Ausführungsformen decken die Schalenteile gleichmäßige Bereiche des Umfangs ab, insbesondere jeweils 120° oder 180°, wodurch Symmetrien genutzt und die Teilezahl sowie Variantenzahl, das heißt Anzahl unterschiedlicher Teile, gering gehalten werden kann.

In alternativ bevorzugten Ausführungen wird eine zumindest teilweise Abdeckung eines Umfangbereichs von mehr als 180° bevorzugt, sofern die verbleibende lichte Weite der Öffnung dem Durchmesser des Stators entspricht oder der Stator durch rein elastische Verformung des Schalenteils eingesetzt werden kann. Hierdurch kann die Montage und Positionierung des Stators vereinfacht werden.

Weiteren Ausführungen des Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach der Umformung Funktionselemente auf der Kunststoff Schicht aufgebracht werden. Die Funktionselemente sind ebenfalls aus Kunststoff, vorzugsweise aus dem gleichen oder ähnlichen Kunststoff wie die Kunststoffschicht, insbesondere einem Thermoplast, bevorzugt einem Polyamid, wie beispielsweise PA, PA6, PA66, PA610, oder alternativ PES, PEI, PPSU und PPS sowie faserverstärkte Kunststoffe gefertigt, wodurch die Verbindung mit der Kunststoffschicht vereinfacht wird, sowie die erforderliche Temperaturbeständigkeit realisiert wird. Die Aufbringung kann beispielsweise erfolgen durch Spritzguss, Laminieren, Formpressen, Tape legen oder vorgefertigte Formteile, die aufgeklebt oder verschweißt werden. Für Funktionselemente, die in nicht oder nur gering umzuformenden Bereichen des Blechs liegen, wie beispielsweise Anschläge, Rastelemente oder Positionierhilfen, erfolgt die Aufbringung bevorzugt vor der Umformung, insbesondere wenn diese innenliegend vorgesehen sind, da hierdurch die Herstellung vereinfacht wird. Für Funktionselemente wie beispielsweise Versteifungen, Lager- oder Stützelemente, deren Form erst nach der Umformung gegeben ist oder zur Verstärkung des Schalenteils dienen, werden nach der Umformung aufgebracht.

Weitere erfindungsgemäße Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente in einem Verfahrensschritt gemeinsam mit der Kunststoffschicht vor, während oder nach der Umformung einteilig aufgebracht werden. Durch eine gleichzeitige Aufbringung werden die benötigten Fertigungsschritte reduziert und es ist eine sichere Anbindung der Funktionselemente gewährleistet.

Bevorzugte Ausführungen des Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente eine Temperiereinheit beinhaltet. Die Temperiereinheit kann als Kühlkanal, Wärmeleitelemente, wie Partikel, Heatpipe oder dergleichen, oder Kühlrippe ausgeführt sein. Um eine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine zu gewährleisten, werden die Schalenteile des Motorengehäuses beispielsweise mit Kühlkanälen als Funktionselemente versehen. Die Kühlkanäle können auf der Innen- und/oder Außenseite der Schalenteile auf oder gemeinsam mit der Kunststoffschicht angebracht werden.

In Ausführungsformen der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass an den Schalenteilen flanschartige Verbindungsbereiche zur Verbindung der Schalenteile miteinander durch Umformung und/oder Aufbringung ans Blech hergestellt werden. Zur Verbindung der einzelnen Schalenteile zu einem Gehäuse wird die Verbindung zwischen den Schalenteilen bevorzugt durch eine Flanschverbindung hergestellt, über die die Teile miteinander verbunden, insbesondere verschraubt, werden. In bevorzugten Ausführungsformen weist bei der Verbindung mindestens eine der miteinander in Kontakt tretenden Flächen der Schalenteile die Kunststoffschicht oder ist aus Kunststoff gebildet. Anders ausgedrückt, wird der Flanschbereich derart umgeformt, dass die Kunststoff Schicht innerhalb der zu bildenden Flanschverbindung liegt oder der Flansch stellt ein Funktionselement dar, welches an das Blech aufgebracht wird. Durch die Anordnung von Kunststoff in der Flanschverbindung werden die metallischen Komponenten der Schalenteile voneinander getrennt, wodurch hinsichtlich mechanischer Schwingungen eine bessere Entkopplung beziehungsweise Dämpfung stattfindet und somit die akustischen Eigenschaften verbessert werden.

In weiteren Ausführungsformen ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise ein zusätzliches Metallteil auf der Seite der Kunststoffschicht aufgebracht wird. Das zusätzliche Metallteil kann hierbei zur lokalen Verstärkung, zur Temperierung oder Abschir- mung dienen oder auch beispielsweise als Kurzschlussring der elektrischen Maschine vorgesehen sein.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass das Blech aus mehreren gegeneinander elektrisch isoliert Metallschichten ausgebildet wird. Hierdurch werden die Verluste, z.B. durch Wirbelströme, verringert und eine elektromagnetische Abschirmung sowie die mechanische/akustische Dämpfung verbessert.

Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass das Blech vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus einem niedrig-permeablenStahlwerkstoff (nach Norm SEW 390), bevorzugt einem austeni- tischen Hoch-Mn-Stahl, X-IP-Stahl und CrNi-Stahl besteht.

Die vorgenannten Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren sind ebenfalls analog für die damit hergestellten erfindungsgemäßen Gehäuse für elektrische Maschinen anwendbar.

Erfindungsgemäße Gehäuse für eine elektrische Maschine, welches zumindest ein Schalenteil hergestellt mit einem oben beschriebenen Verfahren umfasst, sind dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenteil Verbindungsbereiche aufweisen und aus einem Blech bestehen, und dass das Blech zumindest teilweise eine Kunststoffschicht aufweist. Hierbei können alle Schalenteile mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein oder auch erfindungsgemäße Schalenteile mit anders hergestellten Gehäuseteilen oder entsprechenden Maschinen- bzw. Anlagenteilen zu einem erfindungsgemäßen Motorengehäuse verbunden werden.

Ausführungsformen des Gehäuses sind dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenteile auf der Kunststoffschicht vorgesehene Funktionselemente aufweist. Diese Funktionselemente können Lagerstellen, Anschläge, Positionierhilfen, Temepriereinheiten (z.B. Kühlkanäle) und dergleichen sein.

In weiteren Ausführungsformen sind erfindungsgemäße Motorengehäuse dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht und die Funktionselemente einteilig ausgebildet sind.

Weitere Ausführungsformen des Gehäuses sind dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche als Flansche ausgebildet sind, bei denen die Kunststoffschicht und/oder Funktionselemente der jeweiligen Schalenteile miteinander verbunden sind. Der Kontakt zwischen den Schalenteilen findet somit über zumindest eine Kunststoffschicht statt beziehungsweise über als Kunststoffflansche ausgebildete Funktionselemente.

Ausführungsformen des Gehäuses sind dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente zumindest eine Temperiereinheit aufweisen.

Weitere Ausführungsformen des Gehäuses sind dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise ein zusätzliches Metallteil auf der Seite der Kunststoffschicht vorgesehen ist.

Motorengehäuse können in weiteren Ausführungsformen auch dadurch gekennzeichnet sein, dass das Blech aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Metallschichten ausgebildet ist.

Durch Ausführungsformen aus Stahlblech, insbesondere niedrig-permeabler, austenitischer Stahl, ist eine gute elektromagnetische Abschirmung gegeben, welche durch die zusätzlichen Metallteile und/oder den Aufbau aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Metallschichten verbessert werden kann. Bei einer entsprechend guten Abschirmung können an der Außenseite des Gehäuses Bauteile der Leistungselektronik angebracht werden, was im Stand der Technik bei hohen Leistungsdichten zurzeit oft nicht möglich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen (Brief Description of Drawings)

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Perspektive Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektromotors in teilweise geschnittener Darstellung und

Fig. 2 eine Detailansicht am Umfang eines Schalenteils im Bereich eines Endes des Stators.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor in einem schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Ein Elektromotor umfasst eine Motorwelle (1) die mit dem Rotor (2) verbunden ist, wobei der Rotor (2) von dem Stator (3) umgeben ist. Das Motorengehäuse im dargestellten Beispiel ist aus drei Teilen zusammengesetzt, wobei zwei erfindungsgemäße Schalenteile (4.1, 4.2) mit einem Lagerschild, welches eine Stirnseite des Motors abschießt, kombiniert sind. Die Schalenteile (4.1, 4.2) sind in diesem Ausführungsbeispiel gleichartig und symmetrisch ausgeführt und umschließen jeweils eine Umfangswinkel von 180° des Elektromotors und bilden zusammen einen topfförmiges Gehäuse. Die beiden Schalenteile (4.1, 4.2) sind über einen flanschartigen Verbindungsbereich (8.1) miteinander verbunden. Über den Flansch (8.2) wird das in dieser Ansicht nicht dargestellte Lagerschild mit den Schalenteile (4.1, 4.2) verbunden.

Die Schalenteile (4.1, 4.2) sind in diesem Ausführungsbeispiel vollflächig mit einer Kunststoffschicht (6) versehen. Im flanschartigen Verbindungsbereich (8.1) werden die beiden Schalenteile (4.1, 4.2.) über diese Kunststoffschicht (6) miteinander in Kontakt gebracht. An der inneren Umfangsfläche der Schalenteile (4.1, 4.2) sind Funktionselemente (7) vorgesehen.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Detaildarstellung des äußeren Umfangsbereichs eines erfindungsgemäßen Elektromotors im Bereich eines Endes des Stators (3) dargestellt. Das Schalenteil weist ein Blech (5) auf. In diesem Beispiel sind die Kunststoffschicht und die Funktionselemente einteilig ausgeführt. Der Stator ist von Kühlkanälen (7.1) als Funktionselement umgeben und seine Positionierung wird durch einen Anschlag (7.2) als weiteres Funktionselement erleichtert.

Die verschiedenen Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar und nicht nur auf die beschriebenen oder dargestellten Beispiele von Ausführungsformen beschränkt. So können die Kunststoffschicht sowie die Funktionselemente entgegen der beispielhaften Darstellung auch auf der Außenseite des Schalenteils oder auf beiden Seiten vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1 Motorwelle

2 Rotor

3 Stator

4.1, 4.2 Schalenteil

5 Blech

6 Kunststoffschicht

7 Funktionselement

7.1 Kühlkanal

7.2 Anschlag

8.1 Flanschartiger Verbindungsbereich

8.2 Flansch