Eine Auslegungsmethode für direkt einlaminierte Dichthülsen in elektrischen Antriebsmaschinen
Jan David Hübsch
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer strukturmechanischen Auslegungsmethode für eine Dichthülse aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), die statorseitig im Luftspalt zwischen Rotor und Stator anlaminiert ist. Die Dichthülse ermöglicht es, das Kühlmedium axial entlang der Nuten des Stators in unmittelbarer Nähe der thermisch kritischen Kupferwicklungen zu leiten und erlaubt eine deutlich effizientere Kühlung als durch einen herkömmlichen Statorkühlmantel.
Die vorliegende Arbeit untersucht die beiden Versagensmechanismen, Weeping und Ablösen, der Dichthülse. Hierbei werden in Grundlagenuntersuchungen detailliert die beteiligten Einzelkomponenten, Elektroblech, GFK und Reinharz, betrachtet. Es folgt die theoretische Betrachtung der beiden Versagensphänomene. Weeping ist die Folge eines Netzwerks aus Zwischenfaserbrüchen (ZFB) in der Dichthülse. Eine Festigkeitsbetrachtung mittels Finite Elemente Methode untersucht die durch Temperatur und Druck beanspruchte Dichthülse. Anhand eines analytischen Modells wird mittels bruchmechanischer Ansätze das zweite Versagensphänomen, das Ablösen, betrachtet. Dabei beschreibt die finite Bruchmechanik mit gekoppelten Kriterien die versagenskritische Rissinitiierung zwischen Dichthülse und Stator.
Die folgenden empirischen Untersuchungen zeigen den Einfluss von ZFB auf die Dichtheit von dünnwandigen GFK-Laminaten. Die Untersuchungen des Versagensphänomens Ablösen bedienen sich druckbeaufschlagter Prüfkörper, die an den Blistertest angelehnt sind. Sie zeigen eine Auswahl an Einflüssen auf temperaturabhängige Versagensdrücke bis 160 bar bei Temperaturen zwischen –40 °C und 180 °C. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einer Beschreibung des versagensunkritischen Bereichs für den Einsatz der Dichthülse.
