Spaltrohr

Die Erfindung betrifft Spaltrohr für einen Elektromotor, eine elektrische rotierende Maschine und/oder eine Flüssigkeits pumpe.

Der Steigerung der Leistungsdichte von elektrischen rotieren den Maschinen kommt auf dem elektrifizierten Gebiet der Mobi lität, wie z. B. bei elektrisch angetriebenen Kraftwagen wie Bussen, Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, bei Zügen und Schiffen, sowie Flugzeugen immer größere Bedeutung zu, weil sich durch leistungsstarkere Motoren Gewicht einsparen lässt.

Daher wird verstärkt auf flüssigkeitsgekühlte elektrische ro tierende Maschinen, insbesondere Elektromotoren, gesetzt.

Dimensionierend für die elektrische Leistungsdichte eines Elektromotors und/oder Generators ist die produzierte Abwärme mit den damit einhergehenden 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 Entwicklung höherer Leistungsdichten im Elektromotor ein besonders 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. Dabei wird in der Regel beim flüssigkeitsgekühlten Elektromotor der Stator mit den Blechpaketen und den in polymerem Verguss vor liegenden Wickelspulen gekühlt, nicht der Rotor. Der Rotor ist durch die fehlende polymere Isolierung weniger wärmeemp findlich als die Blechpakete des Stators, die einen polymeren Verguss haben. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung ei nes Elektromotors vorzugsweise auf der Stator-Außenseite rea lisiert, 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 oder einer Flüssigkeitspumpe und separiert die Kühlflüssigkeit im Statorbereich von dem sich drehenden Rotor respektive der sich drehenden Pumpe. Beim Elektromotor würden Reibungsver luste durch die Viskosität der Kühlflüssigkeit ansonsten die Drehung des Rotors stark behindern.

Ziel bei der Entwicklung des Spaltrohres ist es, eine mög lichst geringe Wandstärke zu realisieren, da so die elektri schen Verluste des Elektromotors minimal gehalten werden. Bisher am erfolgreichsten sind Spaltrohre aus faserverstärk ten Verbundwerkstoffen, allerdings weisen diese relativ hohe Wandstärken auf, weil die Mediendichtigkeit der Faserverbund werkstoffe geringe Wandstärken für die Herstellung von Spalt rohren unmöglich macht.

Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe, im Folgenden auch kurz als Faserverbundwerkstoffe bezeichnet, besitzen im Ver gleich zu Metallen eine niedrigere Medienbarriere gegen Durchdringen von Flüssigkeiten wie hier Kühlflüssigkeit vom Stator in den Luftspalt. Ein Faserverbundwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass im Faserverbundwerkstoff zumindest ein Matrixmaterial und darin eingebettet zumindest eine Art Ver stärkungsfasern vorliegen.

Das Ziel ist es, durch eine sehr dünnwandige Bauweise des Spaltrohrs die elektrischen Verluste gering zu halten. Dabei verstärkt sich das Problem des Mediendurchtritts. Herstel lungsbedingt, insbesondere durch den heterogenen Stoffaufbau der Faserverbundwerkstoffe, befinden sich mikroskopische und/oder makroskopische Störstellen im Faserverbundwerkstoff, die dessen Flüssigkeitsdichtigkeit herabsetzen und dessen Möglichkeit zur Flüssigkeitspermeation erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Spalt rohr für einen Elektromotor, eine elektrische rotierende Ma schine, respektive eine Flüssigkeits-Pumpe oder ein sonstiges druckbelastetes Rohr zur Verfügung zu stellen, das die Nach teile des Standes der Technik, insbesondere die geringe Medi endichtigkeit der bisher eingesetzten Materialien und Faser verbundwerkstoffe verbessert und/oder eine verbesserte Medi endichtigkeit 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 Spaltrohr für eine elektrische rotie rende Maschine oder eine Flüssigkeitspumpe, das zumindest ei ne Barriereschicht umfasst.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass eine Be schichtung und/oder eine dünne Folie aus mediendichtem Mate rial in ein Spaltrohr aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere bei Vorliegen eines Hybridaufbaus aus Schichten und/oder La minatlagen, gut einarbeitbar ist und die Mediendichtigkeit eines aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellten Spaltrohres deutlich erhöht, so dass geringere Wandstärken eines aus Fa serverbundwerkstoff hergestellten Spaltrohres als bisher rea lisierbar sein sollten. Dies hat sich in ersten Tests und Studien bereits bewahrheitet.

Je nach Aufbau des Spaltrohres kann die Barriereschicht voll flächig oder nur bereichsweise auf/an und/oder in das Spalt rohr eingearbeitet werden. Im Wesentlichen ist die Barriere schicht sinnvollerweise vollumfänglich, zumindest vollflächig auf der oder den druckbelasteten Seite(n) des Spaltrohrs aus gebildet. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Barriereschicht in einen Hybridaufbau aus Schichten und/oder Laminatlagen eines Spaltrohres eingearbeitet.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine Barriere schicht beispielsweise als Zwischenlage innerhalb der Schich ten des Hybridaufbaus vorgesehen ist.

Beispielsweise umfassen die Schichten des Hybridaufbaus Schichten mit Faserverstärkung, insbesondere mit Kohlenstoff basierter Faserverstärkung, beispielsweise auch hochmoduli- gen- also bis 500GPa E-Modul - und ultra-hochmoduligen - also ab 500GPa E-Modul - Kohlenstofffasern. Die Lage dieser elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern innerhalb der Schichten des Hybridaufbaus ist bevorzugt quer zur Achsaus- richtung, insbesondere in einem Anstell-Winkel im Bereich zwischen 80° und 90° zur Rotorachse. Bei dieser Ausrichtung ist der Wirbelstrom-Störeffekt auf die elektrische Maschine durch die elektrische Leitfähigkeit des Materials des Spalt rohrs besonders gering.

Beispielsweise umfassen die Schichten des Hybridaufbaus er gänzend oder alternativ zu den oben genannten Kohlenstoff basieren Faserverstärkten Schichten, solche mit orientierter Faserverstärkung, die in einem Anstellwinkel von zwischen 20° und 70° zur Rotorachse liegen. Diese Verstärkungsfasern um fassen in der Regel nicht oder nur sehr gering elektrisch leitfähige Fasern wie beispielsweise Glasfasern, Polymerfa sern, keramische Fasern, insbesondere solche auf Metalloxid basis, Siliziumcarbidfasern, Borfasern, Aramidfasern und/oder andere bekannte Verstärkungsfasern, allein in beliebigen Kom binationen und/oder Mischungen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung um fasst die Barriereschicht eine Barrierefolie. Diese liegt beispielsweise und bevorzugt vollflächig vor, so dass sie z.B. als „interlayer" im Grenzbereich zwischen zwei Schichten des Hybridaufbaus des Spaltrohrs vorgesehen ist. Diese Barri ereschicht ist entsprechend innerhalb des Spaltrohrs vorgese hen. Alternativ oder ergänzend können eine oder mehrere Barriere schicht (en) außen und/oder innen auf der Oberfläche des Spaltrohrs vorgesehen sein. Dabei ist es unerheblich, ob das Spaltrohr einen Hybridaufbau aus zumindest zwei Schichten o- der nicht hat. Die oberflächlich vorgesehene Barriereschicht kann als zumindest eine Barrierefolie und/oder als zumindest eine Barrierebeschichtung ausgebildet sein.

Als Barrierefolie eignet sich beispielsweise eine nichtlei tende metalloxidische und/oder keramische Folie wie bei spielsweise eine metalloxidische Folie, eine Folie aus Sili- ziumcarbid, eine Folie aus Bornitrid und/oder eine Kohlen stoff-basierte Folie aus Graphenen, Carbonflakes oder ähnli chem.

Eine Barrierefolie kann beispielsweise auch ein mit Füll stoffpartikeln gefülltes Matrixmaterial in Form einer Poly merfolie sein, wie eine Folie aus duroplastischem oder ther moplastischem Material wie eine PET - Polyethylenterephthalat -Folie, eine PP - Polypropylen-Folie, PI- Polyimid - Folie, PEEK - Polyetheretherketon-Folie, PPS-Polyphenylensulfid - Folie, PPSU-Polyphenylensulfon -Folie, sowie eine Material- Kombination, also eine Folie aus einem beliebigen Copolymer, eine Folie aus einer Polymermischung oder Kombination ver schiedener Verbindungen und/oder Derivate der vorgenannten Polymere, sowie eine Abmischung verschiedener Copolymere und/oder Polymere sein. Die Polymerfolie kann auch aus einem gefüllten, insbesondere mit feinen Füllstoffpartikeln gefüll ten, Material sein.

Das Material der Füllstoffpartikel, die im Matrixmaterial der Barrierefolie eingebettet sind, ist beliebig, beispielsweise metalloxidisch und/oder elementorganylisch.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Barrierefolie selbst noch auf der Oberfläche ganz, also beidseitig oder teilweise, also entweder bereichsweise auf ein oder zwei Seiten und/oder nur einseitig beschichtet. Da bei ist besonders vorteilhafte, dass beispielsweise ein Foli enaufbau vorliegt, bei dem eine polymere Folie mit einer ein- seitigen oder beidseitigen dünnen metalloxidischen und/oder elementorganylischen Beschichtung eine Barrierefolie oder ei ne Lage einer Barrierefolie bildet.

Eine metallorganische Verbindung ist ein so genanntes Metall- organyl oder Elementorganyl. Diese sind in der Regel so ge nannte „Komplex-Verbindungen" in denen ein organischer - also kohlenwasserstoff-basierter Rest - an ein oder mehrere Zent ralatome - die in der Regel Metalle sind, gebunden vorliegt. Als „Metall" in diesem Sinn werden auch Silizium und/oder Bor bezeichnet .

Eine metalloxidische Verbindung ist eine Verbindung eines Me talls mit einem oder mehreren Sauerstoffatomen, die in der Regel stark polar, insbesondere auch salzartig, aufgebaut ist.

Zur Herstellung einer Barriereschicht, die als beschichtete Barrierefolie ausgebildet ist, wird diese beispielsweise mit einem Metalloxid und/oder Elementorganyl bedampft oder - wie derum beispielsweise mittels PVD - physikalische Gasphasenab scheidung - und/oder CVD- chemische Gasphasenabscheidung - Prozess beschichtet. Durch diese Verfahren können feinste und dünnste Beschichtungen der Barrierefolie, insbesondere solche mit Schichtdicken im einstelligen Nanometerbereich bis hin zu mehreren 100 Nanometern, insbesondere auch bis zu 10 Mikrome tern, hergestellt werden.

Eine Barrierefolie kann auch mehrere Lagen umfassen und bei spielsweise polymere und keramische, beschichtete, einseitig oder beidseitig beschichtete, Lagen kombiniert umfassen.

Die Einarbeitung einer Barrierefolie in ein Spaltrohr, das beispielsweise über Nasswickeln herstellbar ist, geschieht durch einfaches Einlegen der Folie im Nasswickeln, Laminie ren, Prepregwickeln und/oder Pultrudieren.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung um fasst die Barriereschicht eine auf dem Spaltrohr oberfläch lich aufgebrachte ein- oder beidseitige Barrierebeschichtung. Die Barriereschicht als Barrierebeschichtung lieg dabei wie der beispielsweise vollflächig und Oberflächig auf dem Spalt rohr vor, oder bereichsweise und oberflächlich, was sich so wohl auf die Innen- oder Außenseite des Spaltrohrs als auch auf Bereiche auf einer Seite des Spaltrohres beziehen kann.

Die Barriereschicht als Barrierebeschichtung des Spaltrohres kann außerdem auch wie die Barriereschicht als Barrierefolie mehrlagig aufgebaut sein.

Dabei kann eine oberflächliche Beschichtung einer Barriere schicht, die als Barrierebeschichtung ausgebildet ist, ebenso und mit dem gleichen Materialaufbau wie die Beschichtung ei ner Barriereschicht, die als Barrierefolie ausgebildet ist, erfolgen. Lediglich die Dicke dieser Barrierebeschichtung ist - weil sie oberflächlich aufgebracht ist beispielsweise di cker als die Dicke der Beschichtung einer Barrierefolie. Die Schichtdicke einer Beschichtung einer Barrierebeschichtung wird beispielsweise auch wieder über Gasphasenabscheidung hergestellt. Durch diese Verfahren können feinste und dünnste Beschichtungen der Barrierefolie, insbesondere solche mit Schichtdicken im einstelligen Nanometerbereich bis hin zu mehreren 100 Nanometern, insbesondere auch von einigen Mikro metern bis zu 10 Mikrometern, hergestellt werden.

Eine bevorzugte Barrierebeschichtung ist beispielsweise eine so genannte Hochbarrierebeschichtung oberflächlich auf der Innen- und/oder Außenseite eines Spaltrohrs. Diese ist bei spielsweise, aber nicht notwendigerweise, über ein Gasphasen abscheidungsverfahren herstellbar.

Zur Bildung einer Hochbarrierebeschichtung kann beispielswei se ein Matrixmaterial, wie ein Harz, das beispielsweise die duroplastische Basis des Matrixmaterials eines faserverstärk ten Verbundwerkstoffes bildet, eingesetzt werden. Dieses Mat rixmaterial wird dann entsprechend über Partikelmodifizierung zur Verbesserung seiner Barriere-Eigenschaften gefüllt. Durch die Partikelmodifikation wird die Barriere-Eigenschaft des diffusionsoffenen Harzes und/oder Polymers verbessert. Je feiner die Füllstoff-Partikel sind, also je kleiner und fein- körniger, desto besser deren Barriere-Wirkung innerhalb des gefüllten Matrixmaterials, Harzes und/oder Polymers. Ganz bevorzugt werden hier also Nanopartikel - eventuell auch in Abmischung mit grobkörnigerem Füllstoff - zur Füllung des Matrixmaterials eingesetzt.

Das Material des Füllstoffes kann wieder keramische, me talloxidische, Elementorganylische und/oder polymere Parti kel, die jeweils als Core-Shell-Partikel, als beschichtete, teilweise beschichtete und/oder unbeschichtete Partikel, als Hohlkörper und/oder als massive Teilchen vorliegen können. Diese Eigenschaften können je nach Anwendungsfall, sowohl in Bezug auf die Matrix - als auch in Bezug auf das Spaltrohr - angepasst neu kombiniert und/oder durch Abmischungen ange passt werden.

Beispielsweise können die Füllstoffpartikel folgende Verbin dungen, allein oder in beliebiger Abmischung und/oder Kombi nation umfassen: Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Borni trid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Kohlenstoff-basierte Füllstoffe, Graphene, Carbon-Flakes, Carbon-Nanotubes, etc. umfassen.

Ein Matrixmaterial einer Barriereschicht, die als Barrierebe schichtung vorliegt, ist so beliebig wählbar wie das der Fa serverbundwerkstoffe, es sind nahezu alle Kunststoffe dafür einsetzbar, insbesondere aber kommen hier anorganische Mate rialien, die auch als Lacke eingesetzt werden, in Betracht. Insbesondere können polymer, hybridpolymer und/oder weitge hend anorganisch vorliegende handelsübliche Lacke, beispiels weise auch silikatische, wobei spröde, insbesondere Ethyl- silikatische Lacke vermieden werden, und/oder siliziumorgani sche Lacke, Silazane, Siloxane, Silane, keramische Grünkörper als Lacke eingesetzt werden. Das Augenmerk liegt dabei auch auf der Flexibilität der Lacke.

Für eine derartige Barrierebeschichtung wird ein Lack in flüssiger Form auf die Innen- und/oder Außenseite des Spalt rohrs mit gängigen nasschemischen Beschichtungs- und/oder La ckierverfahren, wie Sprühen, Rakeln, Pinseln, Rollern, Ein- tauchen, spin coating etc. aufgebracht. Dadurch werden Schichtdicken im Bereich von 0,1 mpibis 10mm, insbesondere von 5pm bis 1mm und besonders bevorzugt von 250pm bis 700pm, hergestellt .

Andererseits kann ein Lack auch als Pulverlack aufgebracht werden, insbesondere bei keramisch basierten und/oder hochge füllten Lacken.

Schließlich, wie bereits oben erwähnt, kann die metalloxi disch und/oder elementorganylisch gefüllte Barrierebeschich tung auch über Gasphasen-Abscheidung aufgebracht werden.

Die Dicke einer Barriereschicht, einer - möglicherweise be schichteten - Barrierebeschichtung und/oder einer -ebenfalls möglicherweise beschichteten - Barrierefolie liegt beispiels weise im Bereich von 20pm bis zu einigen Millimeter bevorzugt darunter, beispielsweise im Bereich 20pm bis 1mm, insbesonde re bevorzugt im Bereich zwischen 20pm und 800pm und ganz be vorzugt im Bereich zwischen 20pm und lOOpm.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, oh ne Änderung der Prozessbedingungen und Herstellungsmethoden auf eine einfache Weise eine Mediendichtigkeit in einem aus Faserverbundwerkstoff hergestellten Spaltrohr zu erzeugen, die auf so einfachen zusätzlichen Arbeitsschritten wie La ckieren mit einem oder mehreren Lackschichten und/oder Lami nieren beruht. Dadurch wird in bevorzugt keramischen und/oder polymeren Matrixmaterialien mediendichter Füllstoff einge bracht und aus diesem eingebetteten Füllstoff wird dann eine Beschichtung und/oder eine Folie hergestellt, die innerhalb und/oder auf der Oberfläche des Spaltrohres angebracht wird und dort die Mediendichtigkeit um ein Vielfaches erhöht.