DER KONSTRUKTEUR 12/2017

LEICHTBAU LEICHTGEWICHT

LEICHTBAU LEICHTGEWICHT MOTOR Autor: Dr.-Ing. J.-P. Jastrzembski, Wittenstein Cyber Motor GmbH, Igersheim SPECIAL Um im Leichtbau erfolgreich zu sein, gilt es im übertragenen Sinn an allen Schrauben zu drehen und alle relevanten Komponenten, Bauteile und Teilmaschinen einzubeziehen – auch Motoren in bewegten Systemen. Wenn der elektrische Antrieb für die Bewegung einer Anwendung verantwortlich ist, beispielsweise im Bereich der E-Mobilität, oder wenn er selbst durch andere Antriebe mitbewegt wird, beispielsweise im Bereich der Robotik bei bewegten Achsen, tritt das Gewicht des Antriebs ins Rampenlicht, denn in derartigen Anwendungen spielt häufig der Wirkungsgrad bzw. die resultierende Dynamik (Verhältnis von Stellkraft zu Massenträgheit) eine große Rolle. Das Gewicht des Antriebs beeinflusst diese Größen unmittelbar und entscheidet über den notwendigen Energieaufwand. Aus diesem physikalischen Zusammenhang leitet sich der Ansatz ab, den Wirkungsgrad bzw. die Dynamik eines Antriebs durch die Verringerung von Massenbzw. Massenträgheitsbeiträgen seiner Bestandteile zu steigern. Im Rahmen des Forschungsvorhabens Prolemo (Produktionstechnologien für effiziente Leichtbaumotoren für Elektrofahrzeuge), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde und Teil des Förderprogramms Elektro Power war, haben die Projektpartnerfirmen Aumann, Arburg, Index und Wittenstein Cyber Motor zusammen mit den Instituten FAST und WBK des KIT Karlsruhe an Produktionstechnologien für effiziente Leichtbaumotoren geforscht. Und die Forschung war erfolgreich – die Masse des betrachteten Antriebs konnte um 23 % reduziert werden, ohne die Performance maßgeblich zu beeinträchtigen. ANSATZPUNKTE ZUR MASSENOPTIMIERUNG Eine elektrische Maschine besteht aus verschiedenen Bauteilen und Materialien, wobei der Großteil davon üblicherweise aus einem Metallwerkstoff hergestellt wird. Die Masse eines Bauteils lässt sich grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten beeinflussen, die aber auch kombinierbar sind. Zum einen liegt es nahe, das Bauteil aus einem Material anderer Dichte herzustellen, zum anderen ist es durch konstruktive Bauteiloptimierungen möglich, nur gerade so viel Material vorzusehen, wie es für den anforderungsgemäßen Einsatz erforderlich ist. Die Auswahl des Werkstoffs findet in Abhängigkeit von den jeweils notwendigen spezifischen Eigenschaften eines Bauteils ab. Für die Wicklung einer elektrischen Maschine ist es z. B. an erster Stelle notwendig, dass der Leiterwerkstoff über eine möglichst gute elektrische Leitfähigkeit verfügt, um die auftretenden Stromwärmeverluste im Betrieb klein zu halten. An die flussführenden Bauteile besteht hingegen primär die Anforderung an eine möglichst gute magnetische Leitfähigkeit oder – anders ausgedrückt – an eine möglichst hohe Permeabilität. Nach Festlegung des primären Auswahlkriteriums stehen die sekundären Eigenschaften eines Werkstoffs unveränderbar fest. Wird der Wicklungswerkstoff allein nach dem Massenbeitrag ge- 42 DER KONSTRUKTEUR 12/2017

01 Die Bauteile einer rotierenden elektrischen Maschine 02 Anforderungen an Werkstoffe 3 D - F S I MULAT I ON SPRITZGIESS- SIMULATION 01 02 wählt, käme beispielsweise Aluminium in Betracht, da die Dichte ca. 30 % der Dichte von Kupfer ausmacht. Aluminium verfügt jedoch nur über ca. 63 % der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer, wodurch der Wirkungsgrad bei gleichem Leiterquerschnitt gegenüber dem einer sonst identisch ausgeführten Kupferwicklung deutlich sinkt. Es wäre denkbar den Wirkungsgrad zu steigern, indem der Leiter querschnitt der Aluminiumwicklung soweit erhöht wird, dass damit etwa gleich große Stromwärmeverluste anfallen, wie bei einer sonst ausführungsgleichen Kupferwicklung. Derartige Untersuchungen im Forschungsvorhaben Prolemo haben gezeigt, dass das resultierende Wicklungsgewicht damit zwar immer noch kleiner ist als das der vergleichbaren Kupferwicklung, jedoch nimmt der notwendige Nutraum innerhalb des Statorblechpakets DER LEICHTBAUMOTOR HAT 23 % WENIGER MASSE BEI NAHEZU IDENTISCHER PERFORMANCE und damit dessen Gewicht zu. Der vermeintliche Gewichtsvorteil bei der Wicklung wird durch den deutlich größeren Gewichtsnachteil beim Statorblechpaket mehr als aufgewogen. Ebenfalls muss berücksichtigt werden, dass auch das Volumen bzw. das Gewicht aller umgebenden Gehäuseteile dadurch steigt. Gewicht lässt sich durch die Erhöhung des Kupferfüllfaktors einsparen. Dieser beschreibt das Verhältnis aus Leiterquerschnittsfläche zur Bruttonutfläche. Bei einer halb geschlossenen Nut, in die Runddrähte manuell eingeträufelt werden, können in Abhängigkeit von der geforderten Isolationsfestigkeit Kupferfüllfaktoren zwischen 30 und 35 % erreicht werden. Wird der Kupferfüllfaktor durch maschinelle Verfahren erhöht, oder anders betrachtet, die Nutfläche bei gleichbleibendem Leiterquerschnitt verringert, ist es möglich, das umgebende Statorblechpaket kleiner und damit leichter zu dimensionieren. Im Forschungsvorhaben Prolemo wurde dieser Ansatz erfolgreich aufgegriffen und Entdecken Sie die Präzision und einfache Handhabung von Cadmould ® . Tagesseminare mit 4-wöchiger Testinstallation in Ihrer Nähe: www.simcon-worldwide.com Jetzt informieren! simcon kunststofftechnische Software GmbH fon: +49 (0) 2405 64 57 1-0 sales@simcon-worldwide.com