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(11) | EP 4 286 074 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES GUSSTEILS UND ELEKTROMOTOR |
| (57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils (16), mit den
Schritten Anordnen eines Wärmeträgerrohrs (22) auf einem Stützkörper (24) und Umgießen
des Wärmeträgerrohrs (22) und des Stützkörpers (24) mit flüssigem Umgussmetall (44),
sodass das Gussteil (16) entsteht, wobei vor dem Umgießen ein stoffschlüssiges Verbinden
des Wärmeträgerrohrs (22) mit dem Stützkörper (24) und/oder beim Umgießen ein Kühlen
des Wärmeträgerrohrs (22) erfolgt.
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[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils, mit den Schritten: (a) Anordnen eines Wärmeträgerrohrs auf einem Stützkörper und (b) Umgießen des Wärmeträgerrohrs und des Stützkörpers mit flüssigem Umgussmetall, sodass das Gussteil entsteht. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit (a) einem Rotor, (b) einem Stator, der mit einem Stützkörper verbunden ist, wobei der Stützkörper kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit einem Umguss verbunden ist, und einem Wärmeträgerrohr, das einen Kühlkanal umgibt, der im Umguss ausgebildet und mit dem Stützkörper verbunden ist.
[0002] Bei der Herstellung von Elektromotoren muss im Gehäuse in der Regel ein Kühlkanal vorgesehen werden, durch den beim Betrieb des Elektromotors ein Kühlfluid zirkuliert. Ein derartiger Kühlkanal kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass das Wärmeträgerrohr umgossen wird. Das Innere des Wärmeträgerrohrs bildet den Kühlkanal. Das Wärmeträgerrohr wird auf einem Stützkörper angeordnet, damit es beim Gießen/Umgießen örtlich fixiert wird. Zudem ist das Wärmeträgerrohr in der Regel aus einem Wärmeträgerrohrmaterial, insbesondere einem Metall, aufgebaut, das sich vom Umgussmetall unterscheidet. Beispielsweise besitzt das Wärmeträgerrohrmaterial eine höhere Festigkeit als das Umgussmetall.
[0003] Um die Wärme möglichst effizient abführen zu können, sollte das Wärmeträgerrohr einen möglichst guten thermischen Kontakt mit seiner Umgebung haben.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern, insbesondere den Wärmeübergang in das Wärmeträgerrohr zu verbessern.
[0005] Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit dem Schritt (c) vor dem Umgießen stoffschlüssiges Verbinden des Wärmeträgerrohrs mit dem Stützkörper. Alternativ oder zusätzlich löst die Erfindung das Problem durch den Schritt des Kühlens des Wärmeträgerrohrs beim Umgießen.
[0006] Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch einen gattungsgemäßen Elektromotor, der einen Lotbereich aufweist, der zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Stützkörper ausgebildet ist, wobei ein Lot im Lotbereich sich von dem Gussmaterial des Umgusses unterscheidet.
[0007] Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Wärmeübergang vom Stützkörper in das Wärmeträgerrohr verbessert wird. Ein stoffschlüssiges Verbinden des Wärmeträgerrohrs mit dem Stützkörper, beispielsweise durch Hartlöten, schafft eine feste Verbindung zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Stützkörper. Das vermindert die Ausprägung von Spalten im Bereich zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Stützkörper. Spalten stellen eine signifikante Barriere für den Wärmestrom dar. Zwar kann es weiter zu Spalten zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Umguss kommen, der dadurch bewirkte geringere Wärmeübergang vom Umguss in das Wärmeträgerrohr wiegt jedoch nicht so schwer, da der Wärmestrom vom Stützkörper in den Umguss und vom Umguss in das Wärmeträgerrohr ohnehin länger ist als direkt vom Stützkörper in das Wärmeträgerrohr.
[0008] Durch das Kühlen des Wärmeträgerrohrs beim Umgießen wird erreicht, dass die Erstarrung des Umgussmetalls am Wärmeträgerrohr beginnt und sich die Erstarrungsfront des erstarrenden Umgussmetalls vom Wärmeträgerrohr weg bewegt. Da Metalle beim Erstarren schrumpfen, führt dies zu Druck-Eigenspannungen in der Grenzfläche zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Stützkörper. Das behindert die Ausbildung von Spalten.
[0009] Das stoffschlüssige Verbinden von Wärmeträgerrohr mit dem Stützkörper einerseits und das Kühlen des Wärmeträgerrohrs beim Umgießen andererseits sind beide für sich getrennt geeignet, den Wärmeübergang in das Wärmeträgerrohr zu verbessern. Beide Maßnahmen wirken jedoch auch synergistisch, da die Spaltbildung zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Stützkörper durch das stoffschlüssige Verbinden besonders effizient verbessert wird, wohingegen das Kühlen beim Umgießen die Spaltbildung zwischen dem Umguss und dem Wärmeträgerrohr verbessert.
[0010] Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Anordnen des Wärmeträgerrohrs auf dem Stützkörper insbesondere verstanden, dass das Wärmeträgerrohr so auf dem Stützkörper angeordnet wird, dass es allein durch Bewegen des Stützkörpers bewegt werden kann.
[0011] Die Verwendung des unbestimmten Artikels bedeutet, dass genau ein entsprechendes Objekt oder dass mehr als ein entsprechendes Objekt vorhanden sein kann. Wird beispielsweise von einem Wärmeträgerrohr gesprochen, so ist damit sowohl genau ein Wärmeträgerrohr als auch zumindest ein Wärmeträgerrohr gemeint.
[0012] Das Umgießen des Wärmeträgerrohrs ist vorzugsweise ein Druckgießen, das ist aber nicht notwendig, es kann sich beispielsweise auch um einen Schwerkraftguss oder einen Schleuderguss handeln.
[0013] Insbesondere wird das Umgießen des Wärmeträgerrohrs und des Stützkörpers so durchgeführt, dass das Wärmeträgerrohr zumindest abschnittsweise vollständig vom Umguss umgeben ist.
[0014] Unter dem stoffschlüssigen Verbinden wird insbesondere ein flächiges stoffschlüssiges Verbinden verstanden. In anderen Worten werden das Wärmeträgerrohr und der Stützkörper nicht lediglich durch einzelne Verbindungspunkte miteinander verbunden, sondern durch eine oder mehrere flächige Verbindungflächen. Bei dem Umgussmetall handelt es sich vorzugsweise um Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Zink oder eine Zinklegierung.
[0015] Das Umgussmetall unterscheidet sich vorzugsweise vom Stützkörper-Material, aus dem der Stützkörper aufgebaut ist, und dem Wärmeträgerrohr-Material, aus dem das Wärmeträgerrohr aufgebaut ist. Insbesondere haben das Stützkörper-Material und das Wärmeträgerrohr-Material einen höheren Wärmeträgerrohrmaterial-Schmelzpunkt als das Umgussmetall.
[0016] Günstig ist es, wenn das Stützkörper-Material eine höhere mechanische Festigkeit aufweist als das Gussmaterial und/oder das Wärmeträgerrohr-Material.
[0017] Günstig ist es, wenn der Stützkörper eine zunächst abschnittsweise zylindermantelförmige Innenkontur und/oder Außenkontur hat. Insbesondere ist der Stützkörper zumindest abschnittsweise rohrförmig.
[0018] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das stoffschlüssige Verbinden ein Festlöten, insbesondere ein Hartlöten. Unter Hartlöten wird insbesondere verstanden, dass das zum Löten verwendete Lot einen Schmelzpunkt von zumindest 450°C hat.
[0019] Das Festlöten erfolgt beispielsweise durch zumindest teilweises Eintauchen des Wärmeträgerrohrs und des Stützkörpers in ein Lotbad. Insbesondere wird das Festlöten mittels einer Bandlötanlage durchgeführt. Durch das Festlöten befindet sich Lot zwischen dem Stützkörper und dem Wärmeträgerrohr und verbindet beide miteinander.
[0020] Alternativ umfasst das Festlöten vorzugsweise die Schritte (a) Anordnen von Lot, insbesondere eines Lotbands oder von Lotportionen, zwischen dem Wärmeträgerrohr und dem Stützkörper und (b) Erwärmen des Lots, sodass das Lot das Wärmeträgerrohr und den Stützkörper verbindet. Das Erwärmen kann beispielsweise ein Erwärmen nur des Werbeträgerrohrs, nur des Stützkörpers, nur des Lots oder ein Erwärmen von zwei dieser Objekte oder aller drei Objekte sein.
[0021] Das Lot ist vorzugsweise eine, insbesondere aeutektische, also nicht-eutektische, Aluminium-Silizium-Legierung.
[0022] Vorzugsweise ist das Festlöten ein flächiges Festlöten. Insbesondere beträgt eine Lotwirkkontaktfläche zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 35 %, insbesondere zumindest 50 %, einer Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche des Wärmeträgerrohrs auf den Stützkörper. Die senkrechte Projektion des Lotbereichs auf den Stützkörper ist die Lotwirkkontaktfläche. In anderen Worten wird für jeden Punkt des Lotbereichs, also des Bereichs, in dem Lot vorhanden ist, die kürzeste Strecke zum Stützkörper bestimmt. Der Fußpunkt dieser Strecke ist ein Punkt der Lotwirkkontaktfläche. Die Lotwirkkontaktfläche ist die Gesamtheit aller so ermittelten Punkte.
[0023] Die Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche wird bestimmt, indem für jeden Punkt des Wärmeträgerrohrs die kürzeste Strecke zum Stützkörper ermittelt wird. Der Fußpunkt dieser Strecke ist ein Punkt der Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche. Die Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche ist die Gesamtheit so ermittelter Fußpunkte.
[0025] Das Kühlen des Wärmeträgerrohrs umfasst vorzugsweise ein Spülen des Wärmeträgerrohrs mit einem Druckfluid. Das Druckfluid ist beispielsweise ein Gas, also ein Stoff, der bei 23°C und 1013 hPa gasförmig ist. Geeignet sind beispielsweise Stickstoff, ein Edelgas oder Kohlendioxid oder Mischungen daraus.
[0026] Vorzugweise beträgt ein Fluiddruck, unter dem das Druckfluid beim Umgießen, insbesondere bei Spülen, steht, zumindest 30% eines maximalen Gussdrucks beim Umgießen. Das ermöglicht es, ein vergleichsweise dünnwandiges Wärmeträgerrohr zu verwenden, da beim Druckguss eine kleinere Druckdifferenz auf das Wärmeträgerrohr wirkt.
[0027] Vorzugsweise beträgt der Fluiddruck beim Umgießen höchstens 120% des maximalen Gussdrucks. Das vermindert die Wahrscheinlichkeit einer plastischen Verformung des Wärmeträgerrohrs.
[0028] Um eine gute Kühlwirkung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Druckfluid mit einer Eingangstemperatur in das Wärmeträgerrohr eingebracht wird, die kleiner ist als die Umgussmetall-Schmelztemperatur und sich von der Umgussmetall-Schmelztemperatur um zumindest 100 Kelvin unterscheidet. In anderen Worten ist die Eingangstemperatur um zumindest 100 Kelvin kleiner als die Umgussmetall-Schmelztemperatur. Dadurch wird bei einem vorgegebenen Druckfluidstrom eine höhere Kühlleistung erreicht.
[0029] Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Eingangstemperatur sich um höchstens 600 Kelvin von der Umgussmetall-Schmelztemperatur unterscheidet. Eine zu niedrige Eingangstemperatur kann zu erhöhten thermischen Spannungen führen und ist daher in der Regel nicht erwünscht.
[0030] Vorzugsweise verlässt das Kühlfluid das Wärmeträgerrohr mit einer Ausgangstemperatur, die sich von der um Umgussmetall-Schmelztemperatur um zumindest 50 Kelvin unterscheidet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass hinreichend viel Wärme aus dem Gussteil abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich verlässt das Kühlfluid das Wärmeträgerrohr vorzugweise mit einer Ausgangstemperatur, die sich von der Umgussmetall-Schmelztemperatur um höchstens 300 Kelvin unterscheidet.
[0031] Günstig ist es, wenn das Kühlen die folgenden Schritte (a) Füllen des Wärmeträgerrohrs mit Druckfluid , insbesondere mit einem Fluiddruck von zumindest 10 MPa, (b) danach Verschließen des Wärmeträgerrohrs, insbesondere durch Verschließen von der Enden des Wärmeträgerrohrs, (c) Umgießen des Wärmeträgerrohrs und (d) danach Ablassen des Druckfluids .
[0032] Beispielsweise ist das Druckfluid Stickstoff, wobei als Druckfluidquelle eine Druckflasche oder ein Drucktank verwendet werden kann. Das Wärmeträgerrohr wird mit dem Druckfluid gefüllt und vorliegen und an beiden Ende verschlossen sein, also beim Gießprozess nicht mehr mit der Gasversorgung verbunden sein. Es hat dann eine Eingangstemperatur von zunächst annähernd Raumtemperatur von beispielsweise ungefähr 300 K. Da die Temperatur des Wärmeträgerrohrs beim Eingießen bis auf (fast) die Temperatur des Umgusses ansteigt, werden beispielsweise 800-900 K und damit die 2-3-fache Temperatur (in Kelvin) gegenüber der Eingangstemperatur erreicht.
[0033] Damit ergibt sich dann auch ein Fluiddruck im Wärmeträgerrohr, der dem 2 bis 3-fachen dann, nach dem allgemeinen Gasgesetzt gerechnet, dem Nachverdichtungsdruck von ca. 100 MPa im Umguss nahekommt. Somit wird das Rohr durch den steigenden Innendruck gegen den Gussdruck stabilisiert und somit nicht komprimiert. Bei der nachfolgenden Abkühlung nimmt der Fluiddruck im Rohr dann temperaturbedingt wiederum auf den Ausgangsdruck ab. Zwischenzeitlich stabilisiert der Umguss das verlangsamt abkühlende, eingegossene Kühlrohr, das unter hohem Fluiddruck steht.
[0034] Bei dem Druckfluid kann es sich zudem um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder eine wässrige Lösung, handeln. Günstig ist es, wenn die Flüssigkeit nicht brennbar ist. Vorzugsweise liegt ein Siedepunkt der Flüssigkeit oberhalb von 50°C und/oder unterhalb von der Hälfte der Umgussmetall-Schmelztemperatur (in Kelvin). In diesem Fall verdampft zumindest ein Teil der Flüssigkeit beim Umgießen. Dadurch wird Verdampfungswärme aufgenommen, was ein Kühlen bewirkt. Zudem führt das verdampfen zu eine Druckerhöhung, sodass diese Druckerhöhung den Gussdruck zumindest teilweise kompensiert. Dadurch resultiert eine geringere Gesamtkraft auf die Wandlung des Wärmeträgerrohrs.
[0035] Alternativ oder zusätzlich zum stoffschlüssigen Verbinden mittels Festlöten ist das formschlüssige Verbinden des Wärmeträgerrohrs mit dem Stützkörper vorzugsweise ein Festkleben mit einem anorganischen Klebstoff. Bei diesem Klebstoff kann es sich beispielsweise um Wasserglas handeln. Günstig ist es, wenn die Klebstoffschicht eine Dicke von höchstens 0,2 mm, insbesondere höchstens 0,1 mm, aufweist. Zwar stellt eine solche Klebstoffschicht einen Wärmewiderstand dar, dieser Effekt wird jedoch dadurch überkompensiert, dass im Bereich der Klebstoffschicht deutlich weniger Spalten auftreten.
[0036] Günstig ist es, wenn das Wärmeträgerrohr einen Wärmeträgerrohrquerschnitt hat, der ein Aspektverhältnis von zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, hat. Dadurch hat das Wärmeträgerrohr einerseits eine geringe radiale Dicke, also eine kleine Dicke, die in Richtung vom Stützkörper weg gemessen wird. Das wiederum erlaubt ein vergleichsweise dünnes Gussteil.
[0037] Vorzugsweise verläuft das Wärmeträgerrohr zumindest abschnittsweise flächig entlang des Stützkörpers. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Fläche, die das Wärmeträgerrohr dem Stützkörper zuwendet, der Kontur des Stützkörpers folgt. Auf diese Weise wird der Wärmewiderstand vermindert.
[0039] Um Eigenspannungen im Gussteil zu vermindern ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, das Gussteil bei einer Temperierungstemperatur zu temperieren, die kleiner ist als der Umgussmetall-Schmelzpunkt. Das Temperieren kann auch Tempern genannt werden. Es ist möglich, dass die Temperierungstemperatur größer ist als die Lot-Schmelztemperatur. Günstiger ist es jedoch in der Regel, wenn die Temperierungstemperatur kleiner ist als die Lot-Schmelztemperatur.
[0040] Vorzugsweise liegt die Temperierungstemperatur zwischen 35 % und 95 % des Umgussmetall-Schmelzpunkts (in Kelvin).
[0041] Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt des Positionierens, insbesondere eines Montierens, zumindest eines Statorteils in einem Stützkörper-Innenraum des Stützkörpers. Auf diese Weise kann das Gussteil leicht zu einem Elektromotor weitergebaut werden.
[0042] Vorzugsweise erfolgt das Umgießen des Werbeträgerrohrs und des Stützkörpers so, dass sich eine drehfeste Verbindung zwischen dem Statorteil und dem Umguss, der durch das Erstarren des flüssigen Umgussmetalls entsteht, ausbildet.
[0043] Insbesondere wird der Gussdruck und/oder der Nachverdichtungsdruck beim Umgießen so gewählt, dass der Stützkörper sich plastisch radial einwärts verformt. Das Statorteil besitzt vorzugsweise eine so hohe, insbesondere radiale, Festigkeit, dass es sich beim Umgießen nicht plastisch verformt. Insbesondere ist die Festigkeit vorzugsweise so hoch, dass der Stator-Innenraum nach dem Entformen des Gussteils aus der Gussform die gleichen Innenabmessungen hat wie nach dem Positionieren im Stützkörper. Günstig, nicht aber notwendig ist es, wenn das Statorteil vor dem Umgießen des Stützkörpers mit dem flüssigen Umgussmetall nicht fest, insbesondere lösbar, mit dem Stützkörper verbunden ist.
[0044] Der Umguss bildet das Gehäuse, das das Statorteil umgibt und gleichzeitig fest mit diesem verbunden ist.
[0045] Vorzugsweise hat das Wärmeträgerrohr beim Umgießen, insbesondere auch beim Anordnen des Wärmeträgerrohrs auf dem Stützkörper, einen Kern. Der Kern besteht vorzugsweise aus Sand oder Salz. Das Verfahren umfasst in diesem Fall vorzugsweise den Schritt des Herauslösens des Kerns nach dem Umgießen, sodass ein Kanal entsteht. Dieser Kanal wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss verbunden, sodass ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, durch den ersten Anschluss in den Kanal leitbar und mittels des zweiten Anschlusses aus dem Kanal leitbar ist. Der Kanal kann dann als Kühlkanal verwendet werden.
[0046] Vorzugsweise besteht der Salzkern oder das Salzformteil aus einer Salzmischung, die zumindest ein Chlorid, insbesondere ein Alkalimetallchlorid, und zumindest ein Carbonat enthält.
[0047] Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt des Einbringens eines Rotors in das Gussteil, insbesondere in einen Statorteil-Innenraum des Statorteils, sodass ein Elektromotor entsteht. Der Rotor ist drehbar gelagert, insbesondere mittels Wälzlager.
[0048] Günstig ist es, wenn der Stützkörper in einer Gussform so angeordnet wird, dass der Innenraum des Stützkörpers gegen die Gussform abgedichtet ist. In diesem Fall gelangt kein flüssiges Umgussmetall in den Innenraum des Stützkörpers. In anderen Worten erfolgt das Umgießen so, dass kein flüssiges Umgussmetall in den Innenraum gelangt.
[0049] Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte (a) nach dem Anordnen des Stützkörpers in der Gussform Schließen der Gussform durch Bewegen von zumindest zwei Formteilen auf einander zu. Günstig ist es, wenn der Stützkörper beim Bewegen der zumindest zwei Formteile auf einander an seinen Stützkörper-Stirnseiten gegen die Gussform abgedichtet wird.
[0050] Um einen reproduzierbaren Guss zu gewährleisten, ist es günstig, wenn das Statorteil in der Gussform fixiert wird.
[0051] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
- Figur 1
- eine perspektivische Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- Figur 2
- in Teilfigur 2a eine perspektivische Ansicht eines Wärmeträgerrohrs, in Teilfigur 2b einen Stützkörper mit darauf angeordnetem Lot, in Teilfigur 2c das auf dem Stützkörper angeordnete Wärmeträgerrohr und in Teilfigur einen Querschnitt durch das Wärmeträgerrohr auf dem Stützkörper,
- Figur 3
- in Teilfigur 3a einen Querschnitt durch das Wärmeträgerrohr, den Stützkörper und ein eingebrachtes Statorteil und in in Teilfigur 3b die Anordnung gemäß Teilfigur 3a in einer geöffneten Gussform,
- Figur 4
- in Teilfigur 4a die Anordnung gemäß Figur 3b in der geschlossenen Gussform und in in Teilfigur 4b die Anordnung gemäß Figur 4 a mit eingebrachtem Umgussmetall,
- Figur 5
- in Teilfigur 5a das entformte Gussteil und in in Teilfigur 5b den fertigen Elektromotor und
- Figur 6
- in Teilfigur 6a einen Querschnitt durch ein Wärmeträgerrohr gemäß einer ersten Ausführungsform und in in Teilfigur 6b einen Querschnitt durch ein Wärmeträgerrohr gemäß einer ersten Ausführungsform.
[0052] Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektromotor 10 in einer Explosionsansicht. Der Elektromotor besitzt einen Rotor 12, der von einem Statorteil 14 umgeben ist. Der Stator 14 ist von einem Gehäuse 16 umgeben, das ein Gussteil ist. Es sei darauf hingewiesen, dass auch Gussteile erfindungsgemäß herstellbar sind, bei denen es sich nicht um Gehäuse handelt.
[0053] Der Elektromotor 10 besitzt einen ersten Anschluss 18.1 zum Zuführen eines Fluids, hier in Form von Kühlflüssigkeit, und einen zweiten Anschluss 18.2 zum Abführen der Kühlflüssigkeit. Das Statorteil 14 ist durch Stromanschlüsse 20.1, 20.2 mit einer Stromquelle zum Antreiben des Elektromotors 10 verbindbar.
[0054] Im Gehäuse 16 ist ein Kühlkanal 20 (vergleiche Figur 2a) ausgebildet, der mit den Anschlüssen 18.1, 18.2 in Verbindung steht. Im Folgenden wird die Herstellung des Gehäuses 16 mitsamt des Kühlkanals 20 beschrieben.
[0055] Figur 2a zeigt ein Wärmeträgerrohr 22, das abschnittsweise spiralförmig verlaufen kann, nicht aber muss. Das Wärmeträgerrohr 22 besteht aus einem Wärmeträgerrohr-Material, das einen Wärmeträgerrohrmaterial-Schmelzpunkt T22 hat. Das Wärmeträgerrohr-Material kann beispielsweise eine Aluminium-Knetlegierung sein, insbesondere aus der aus der 6000er Serie nach EN 573-3/4.
[0056] Figur 2b zeigt einen Stützkörper 24, der einen, im vorliegenden Fall zylinderförmigen, Stützkörper-Innenraum 26 hat. Auf einer Stützkörper-Mantelfläche 28 ist Lot 30, im vorliegenden Fall in Form eines Lotbands 32 angeordnet. Das Lot ist beispielsweise eine aeutektische Aluminium-Silizium-Legierung, im vorliegenden Fall AlSi10Mg.
[0057] Das Lot hat eine Lot-Schmelztemperatur T30, für das vorzugsweise, nicht aber notwendigerweise 450°C ≤ T30 ≤ T22 gilt. Vorzugsweise gilt gilt T22 - T30 ≥ 10 Kelvin.
[0058] Figur 2c zeigt das Wärmeträgerrohr 22 auf dem Stützkörper 24. Das Lot 30 ist zwischen dem Wärmeträgerrohr 22 und dem Stützkörper 24 angeordnet. Nachfolgend werden das Wärmeträgerrohr 22, der Stützkörper 24 und das Lot 30 auf eine Löttemperatur Tl erwärmt. Beispielsweise gilt T30 ≤ Tl < T22. Dadurch verbindet sich das Wärmeträgerrohr 22 stoffschlüssig mit dem Stützkörper 24.
[0059] Figur 2d zeigt einen Querschnitt durch das Wärmeträgerrohr 22 auf dem Stützkörper 24 zur Erläuterung der Berechnung einer Lotwirkkontaktfläche A30. Dazu werden alle Bereiche, in denen das Lot 30 vorhanden ist, senkrecht auf die Stützkörper-Mantelfläche 28 projiziert, die Vereinigungsmenge aller so erhaltenen Flächen ist die Lotwirkkontaktfläche A30.
[0060] Eine Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche A22 ergibt sich entsprechend durch senkrechte Projektion des Wärmeträgerrohrs 22 auf die Stützkörper-Mantelfläche 28. Günstig, wenngleich nicht notwendig ist, wenn 0,65*A22 ≤ A30 ≥ 1,2*A22 gilt.
[0061] Nachfolgend wird das Statorteil 14 mit oder ohne Spiel in den Stützkörper-Innenraum 26 eingebracht. Diese Situation ist im Querschnitt in Figur 3a gezeigt.
[0062] Figur 3b zeigt den Stützkörper 24, das damit stoffschlüssig verbundene Wärmeträgerrohr 22 und das Statorteil 14 in einer Gussform 34, die ein erstes Formteil 36.1 und ein zweites Formteil 36.2 aufweist. In Figur 3b ist die Gussform 34 in ihrer geöffneten Stellung gezeigt. Es ist zu erkennen, dass das Statorteil 14 eine Spule 38 aufweist, die eine Vielzahl an elektrischen Windungen eines Drahts 40, insbesondere eines Kupferdrahts, aufweist.
[0063] Figur 4a zeigt die Situation, in der die beiden Formteile 36.1, 36.2 geschlossen sind. Dabei wird der Stützkörper 24 an seinen Stützkörper-Stirnflächen 42.1, 42.2 so abgedichtet, dass der Stützkörper-Innenraum 26 nicht mit flüssigem Metall gefüllt werden kann.
[0064] Figur 4b zeigt den Zustand nach dem Umgießen von Stützkörper 24 und Wärmeträgerrohr 22 mit Umgussmetall 44. Das Umgussmetall 44 hat eine Umgussmetall-Schmelztemperatur T44 von beispielsweise 850 K.
[0065] Das Umgießen erfolgt mit einem Gussdruck ps, für den beispielsweise ps = 60 MPa gilt. Der Gussdruck kann, muss aber nicht so hoch gewählt werden, dass sich der Stützkörper 24 radial einwärts verformt. Ein etwaig vorhandener Spalt 45 zwischen dem Statorteil 14 und dem Stützkörper 24 schließt sich dadurch. Es kommt zu einer drehfesten Verbindung zwischen dem Statorteil 14 und dem Stützkörper 24.
[0066] Nach dem Einbringen des Umgussmetalls 44 kann, nicht aber muss, ein Nachverdichtungsdruck pN angelegt werden, der vorzugsweise größer ist als der Gussdruck ps. Beispielsweise gilt 20 MPa ≤ pN ≤ 200 MPa Dadurch wird Umgussmetall 44 nachgeliefert, das ein erstarrungbedingtes Schwinden ausgleicht. Es ist bevorzugt, nicht aber notwendig, dass der Nachverdichtungsdruck pN größer ist als der Gussdruck ps.
[0067] Beim Erkalten des Gussmaterials 44 bildet sich ein Umguss 46, der im vorliegenden Fall das Gehäuse 16 darstellt. Nach dem Erkalten wird das entstandene Gussteil 16 entformt.
[0068] Figur 5a zeigt das entformte Gussteil 16. Es ist zu erkennen, dass im Wärmeträgerrohr 22 ein Kern 48 ausgebildet sein kann. Der Kern 48 besteht vorzugsweise aus Sand, Salz oder einem Sand-Salz-Gemisch. Der Kern 48 wird, insbesondere mittels Wasser, ausgewaschen, sodass sich die in Figur 5b gezeigte Situation ergibt, dass das Wärmeträgerrohr 22 gefüllt ist und den Kühlkanal 20 bildet.
[0069] Figur 5b zeigt den Zustand nach dem Anordnen des Rotors 12 im Stützkörper-Innenraum 26. Der Rotor 12 ist mittels zweier Lager 50.1, 50.2 gelagert, bei denen es sich vorzugsweise um Wälzlager, insbesondere Kugellager, handelt. Das zweite Wälzlager 50.2 kann beispielsweise an einem Lagerschild 52 oder einem Deckel ausgebildet sein.
[0070] Wenn der Stützkörper 24 mit dem Wärmeträgerrohr 22 in der Gussform 34 angeordnet ist, wie es in Figur 4a gezeigt ist, kann, was aber nicht notwendig ist, das Wärmeträgerrohr 22 mit einer schematisch eingezeichneten Druckfluidquelle 54 verbunden werden. Aus der Druckfluidquelle 54 wird Druckfluid 56 entnommen und damit ein Fluiddruck pF im Inneren des Wärmeträgerrohrs 22 eingestellt werden. Beispielsweise gilt pF = 0,6 MPa.
[0071] Solange das Umgussmetall 44 nicht erstarrt ist, kann ein Druckfluidstrom V56 eingestellt werden, das ist aber nicht notwendig. Dazu ist das Wärmeträgerrohr 22 an einer zweiten Stelle kontaktiert. Beispielsweise verlässt das Druckfluid 56 die Gussform 34 durch einen Auslass 58 in die Umgebung. Alternativ wird das Druckfluid, gekühlt oder ungekühlt, der Druckfluidquelle 54 erneut zugeführt. Es ist auch möglich, dass das Wärmeträgerrohr 22 nach dem Befüllen mit dem Druckfluid 56 gasdicht verschlossen wird. Danach wird das Umgussmetall 44 eingefüllt.
[0072] Das Kühlfluid hat eine Druckfluid-Temperatur von beispielsweise 10°C ≤ T56 ≤ T44-50 K. Der Druckfluidstrom V56 und die Druckfluid-Temperatur T56 sind so gewählt, dass das Umgussmetall 44 zunächst am Wärmeträgerrohr 22 erstarrt. Die Erstarrungsfront breitet sich dann vom Wärmeträgerrohr 22 weg aus.
[0073] Figur 6a zeigt einen möglichen Querschnitt des Wärmeträgerrohrs 22, der in diesem Fall rechteckig ist.
[0074] Figur 6b zeigt einen weiteren möglichen Querschnitt des Wärmeträgerrohrs 22. Für ein Aspektverhältnis A = a1/a2 des Querschnitts gilt vorzugsweise A ≥ 2. Beispielsweise gilt 1 < A ≤ 10.
Bezugszeichenliste
| 10 | Elektromotor | 44 | Umgussmetall |
| 12 | Rotor | 45 | Lücke |
| 14 | Statorteil | 46 | Spalt |
| 16 | Gussteil, Gehäuse | 48 | Kern |
| 18 | Anschluss | ||
| 20 | Kühlkanal | 50 | Lager |
| 52 | Lagerschild | ||
| 22 | Wärmeträgerrohr | 54 | Druckfluidquelle |
| 24 | Stützkörper | 56 | Druckfluid |
| 26 | Stützkörper-Innenraum | 58 | Auslass |
| 28 | Stützkörper-Mantelfläche | ||
| A | Aspektverhältnis | ||
| 30 | Lot | A30 | Lotwirkkontaktfläche |
| 32 | Lotband | A22 | Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche |
| 34 | Gussform | ||
| 36 | Formteilen | pF | Fluiddruck |
| 38 | Spule | pN | Nachverdichtungsdruck |
| ps | Gussdruck | ||
| 40 | Draht | T22 | Wärmeträgerrohrmaterial-Schmelzpunkt |
| 42 | Stirnfläche | ||
| T44 | Umgussmetall-Schmelztemperatur | ||
| Tl | Löttemperatur |
1. Verfahren zum Herstellen eines Gussteils (16), mit den Schritten:
(a) Anordnen eines Wärmeträgerrohrs (22) auf einem Stützkörper (24) und
(b) Umgießen des Wärmeträgerrohrs (22) und des Stützkörpers (24) mit flüssigem Umgussmetall
(44), sodass das Gussteil (16) entsteht,
gekennzeichnet durch den Schritt
(c) vor dem Umgießen stoffschlüssiges Verbinden des Wärmeträgerrohrs (22) mit dem Stützkörper (24) und/oder
(d) beim Umgießen Kühlen des Wärmeträgerrohrs (22).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das stoffschlüssige Verbinden ein Festlöten ist und/oder
(b) eine Lotwirkkontaktfläche (A30) zumindest 50% einer Wärmeträgerrohr-Projektionsfläche (A22) einer senkrechten Projektion des Wärmeträgerrohrs (22) auf den Stützkörper (24) beträgt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlöten die folgenden Schritte aufweist:
(a) Anordnen von Lot (30), insbesondere eines Lotbands (32) oder von Lotportionen, zwischen dem Wärmeträgerrohr (22) und dem Stützkörper (24) und
(b) Erwärmen des Lots, sodass das Lot (30) das Wärmeträgerrohr (22) und den Stützkörper (24) verbindet.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das Kühlen des Wärmeträgerrohrs (22) ein Spülen des Wärmeträgerrohrs mit einem Druckfluid (56) umfasst und/oder
(b) ein Fluiddruck (pF) des Druckfluids (56) beim Umgießen zumindest 30% eines maximalen Gussdrucks (ps) beim Umgießen des Wärmeträgerrohrs (22) mittels Spritzgießens beträgt und/oder höchstens 120% des maximalen Gussdrucks (ps) beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlen die folgenden Schritte umfasst:
(a) Füllen des Wärmeträgerrohrs (22) mit Druckfluid (56), insbesondere mit einem Fluiddruck von zumindest 10 MPa,
(b) danach Verschließen des Wärmeträgerrohrs (22),
(c) Umgießen des Wärmeträgerrohrs (22) und
(d) danach Ablassen des Druckfluids (56).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umgießen des Wärmeträgerrohrs (22) das Kühlfluid
(a) mit einer Eingangstemperatur in das Wärmeträgerrohr eingebracht wird, die kleiner ist als die Umgussmetall-Schmelztemperatur (T44) und sich von der um Umgussmetall-Schmelztemperatur (T44) um zumindest 100 Kelvin und/oder höchstens 600 Kelvin unterscheidet und/oder
(b) das Wärmeträgerrohr (22) mit einer Ausgangstemperatur verlässt, die sich von der um Umgussmetall-Schmelztemperatur (T44) um zumindest 50 Kelvin und/oder höchstens 300 Kelvin unterscheidet.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden ein Festkleben mit einem anorganischen Klebstoff, insbesondere
mit Wasserglas, ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerrohr (22)
(a) einen Wärmeträgerrohrquerschnitt hat, der ein Aspektverhältnis (A) von zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, hat und/oder
(b) zumindest abschnittsweise flächig entlang des Stützkörpers (24) verläuft.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt
Temperieren des Gussteils (16) bei einer Temperierungstemperatur die höher/niedriger ist als die Lot-Schmelztemperatur
zwischen 35 % und 95 % des Umgussmetall-Schmelzpunkts (in Kelvin) liegt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt
(a) Positionieren zumindest eines Statorteils in einem Stützkörper-Innenraum (26) des Stützkörpers,
(b) wobei das Umgießen des Wärmeträgerrohrs (22) und des Stützkörpers (24) so erfolgt, dass sich eine drehfeste Verbindung zwischen Statorteil (14) und einem Umguss, der durch das Erstarren des flüssigen Umgussmetalls (44) entsteht, ausbildet.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das Umgießen unter einem Gussdruck (ps) erfolgt, der so groß gewählt ist, dass der Stützkörper (24) sich radial einwärts verformt und/oder
(b) der Gussdruck (ps) und/oder ein Nachverdichtungsdruck (pN) so gewählt ist, dass sich die drehfeste Verbindung zwischen Statorteil (14) und dem Umguss bildet.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
(a) Herauslösens eines Kerns des Wärmeträgerrohrs (22), der aus Sand und/oder Salz aufgebaut ist, wodurch ein Kanal entsteht,
(b) Verbinden des Kanals mit einem ersten Anschluss (18.1) und einem zweiten Anschluss (18.2), sodass ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, durch den ersten Anschluss (18.1) in den Kanal leitbar und mittels des zweiten Anschlusses (18.2) aus dem Kanal leitbar ist,
(c) Einbringen eines Rotors (12) in das Gussteil (16), insbesondere in den Stützkörper (24), sodass ein Elektromotor (10) entsteht.
13. Elektromotor (10) mit
(a) einem Rotor (12),
(b) einem Stator, der mit einem Stützkörper (24) verbunden ist, wobei der Stützkörper (24) stoffschlüssig mit einem Umguss verbunden ist, und
(c) einem Wärmeträgerrohr (22), das
einen Kühlkanal (20) umgibt, der im Umguss ausgebildet und mit dem Stützkörper (24)
verbunden ist,
gekennzeichnet durch
(d) einen Lotbereich, der zwischen dem Wärmeträgerrohr (22) und dem Stützkörper (24) ausgebildet ist, wobei ein Lot (30) im Lotbereich sich von einem Umgussmetall (44) des Umgusses unterscheidet.