Projekt 34988/01

Gießtechnische Ansätze zur Steigerung des Wirkungsgrads von Elektromotoren

Projektdurchführung

Pinter Guss GmbH
Brunnwiesenstr. 2
94469 Deggendorf

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die übergeordnete Zielsetzung des Forschungsprojektes war die Entwicklung von Gießverfahren zur verbesserten Herstellung von gegossenen Rotoren für Asynchronmotoren und die Betrachtung der Einflüsse der Gießparameter auf den Wirkungsgrad der Rotoren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt wurden im ersten Schritt Voruntersuchungen bezüglich des Zusammenspiels zwischen
Schmelze und Elektroblech durchgeführt. Hierbei erfolgten Untersuchungen zum Wärmeübergang mit Elektroblechen im Gießsystem, zur Füllung stabförmiger Geometrien sowie Vorversuche zur Gießbarkeit der erarbeiteten Testgeometrie im Sandguss. Anschließend wurden die Gießversuche durchgeführt sowie mögliche Einflussgrößen auf die Rotoreigenschaften sowohl separat als auch im Gießprozess betrachtet.

Isolierte Betrachtung der Einflussfaktoren auf die magnetischen Eigenschaften:
Zur Untersuchung der Einflüsse des Gießprozesses auf die magnetischen Eigenschaften wurden zunächst Versuche mit den einzelnen Einflussfaktoren nachgestellt. Die magnetischen Eigenschaften wurden mittels Ringkernmessungen ermittelt und die Messungen am IEM der RWTH Aachen beauftragt. Zunächst wurde der Temperatureinfluss im Gießprozess auf die Elektrobleche untersucht. Anschließend wurde der Einfluss eingebrachter Spannungen auf die magnetischen Eigenschaften des Elektroblechs analysiert.

Gießversuche:
Die Gießversuche im Schwerkraftguss wurden durch PINTER GUSS durchgeführt und die Versuche im Niederdruckguss durch das utg der TUM. Dabei wurden soweit möglich vergleichbare Versuchsräume für die Parameter Legierungszusammensetzung, Schmelzetemperatur, Werkzeugtemperatur und Füllgeschwindigkeit verwendet. Die Versuchsrotoren wurden anschließend für die Durchführung von elektromagnetischen Messungen hergerichtet.

Analyse der Versuchsabgüsse:
Die gegossenen Versuchsgeometrien wurden auf ihre magnetischen Eigenschaften, die Porositätsneigung und sonstige Gießfehler untersucht. Die magnetischen Eigenschaften wurden wie die Proben in den Versuchen zu den isolierten Prozessparametern mittels Ringkernmessungen am IEM der RWTH Aachen untersucht. Für die Porositätsanalyse wurden Schliffanalysen und CT-/Röntgenmessungen durchgeführt. Schließlich wurde noch die Gießbarkeit einer Serienrotorgeometrie mit dem Niederdruckgießverfahren betrachtet.

Simulationsmodell magnetischer Eigenschaften:
Auf Basis der Ergebnisse wurde durch den Partner RWP GmbH ein Modell zur Simulation magnetischer Kennwerte entwickelt.




Ergebnisse und Diskussion

Untersuchung des Einflusses von Temperatureinwirkung auf die magnetischen Eigenschaften der Elektrobleche:
Um den Einfluss des Gießprozesses auf die magnetischen Eigenschaften der Bleche bewerten zu können, wurden zunächst Referenzmessungen an mehreren unbehandelten Blechen durchgeführt. Die Bleche wiesen keine signifikanten Abweichungen der magnetischen Eigenschaften auf.

Um eine separierte Betrachtung des Temperatureinflusses beim Gießen auf die magnetischen Eigenschaften der Elektrobleche zu ermöglichen, wurden Wärmebehandlungsversuche an Blechstapeln und Einzelblechen durchgeführt. In einem ersten Versuch wurden dabei insgesamt sechs Blechstapel bei verschiedenen Temperaturen für unterschiedlich lange Zeit jeweils einer konstanten Temperatur ausgesetzt und anschließend bei Raumtemperatur abgekühlt. Es zeigte sich, dass durch die Wärmebehandlung die Schwankungsbreite der Eisenverluste erhöht wird, jedoch kein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Eisenverlusten und der Haltetemperatur bzw. Haltedauer vorhanden ist. Unter Betrachtung der Hystereseverluste wiesen die mit 60 min. am längsten wärmebehandelten Blechstapel ein Einsetzen der Sättigung bei höheren Feldstärken auf, wodurch sich in diesem Bereich eine Reduzierung der Hystereseverluste ergibt.

Um eine Ursache für die Veränderungen der magnetischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden im Anschluss Eigenspannungsmessungen vor und nach Wärmebehandlung von Blechstapeln mittels der Bohrlochmethode durchgeführt. Dabei konnte eine Reduzierung der Eigenspannungen in dem Blech durch die Wärmebehandlung festgestellt werden. Eine Untersuchung der Härte der Bleche im Bereich der Schneidkante zeigte hingegen keine Beeinflussung durch die Wärmebehandlung, wobei die Bleche nicht als Stapel, sondern einzeln wärmebehandelt wurden. In einem separaten Versuch wurden zudem Röntgendiffraktometriemessungen, eine Analyse der metallographischen Textur sowie Ringkernmessungen an einzeln wärmebehandelten Blechen durchgeführt. In dem Versuch konnte keine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften durch die Wärmebehandlung festgestellt werden. Gleichzeitig konnte auch keine Änderung der Eigenspannungen und der metallographischen Textur ermittelt werden. Als mögliche Ursache für die variierenden Ergebnisse in den Versuchen werden die unterschiedlichen Abkühlraten bei der Wärmebehandlung von Blechstapeln im Vergleich zu Einzelblechen angesehen, sodass nur bei der Wärmebehandlung von Blechstapeln eine Reduzierung der Hystereseverluste ermittelt wurde.


Untersuchung des Einflusses eingebrachter Spannungen auf die magnetischen Eigenschaften der Elektrobleche:
Neben der Temperatureinwirkung stellt das Aufschrumpfen des Aluminiumkäfigs auf den Blechstapel eine weitere mögliche Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften der Bleche dar. Um die Druckaufbringung durch den Kurzschlusskäfig nachstellen zu können, wurden Versuche zur separaten Spannungsbelastung der Bleche durchgeführt. Hierfür wurde eine Federkonstruktion zur Aufbringung einer axialen Belastung an einem Blechstapel angebracht. Bezüglich der Ummagnetisierung konnte nur eine geringe Beeinflussung durch die aufgebrachten Druckspannungen ermittelt werden. Es zeigt sich jedoch eine Tendenz, dass mit zunehmender Spannung unterhalb einer maximalen Feldstärke von ungefähr 750 A/m eine Erhöhung der maximalen Polarisation stattfindet, während oberhalb von ungefähr 750 A/m die maximale Polarisation geringer wird. Bezüglich der Eisenverluste ist hingegen eine deutliche Reduktion bei zunehmendem Spannungsniveau zu erkennen.

Magnetische Untersuchung der gegossenen Rotoren:
Nach der separierten Betrachtung der möglichen Einflüsse auf die magnetischen Eigenschaften der Blechpakete wurden schließlich auch die gegossenen Rotoren magnetisch untersucht. Die Ergebnisse der schwerkraftgegossenen Rotoren zeigen eine geringe Abweichung zu der jeweils dargestellten Referenzmessung. Diese Abweichung ist auf den Magnetfluss durch den gegossenen Aluminiumkäfig zurückzuführen. Eine ähnliche Tendenz ist auch bei den niederdruckgegossenen Rotoren zu erkennen, wobei in diesem Fall eine leicht erhöhte Schwankung der Ergebnisse vorhanden ist. Bezüglich der Abweichungen der Messungen untereinander ist allerdings kein eindeutiger Trend erkennbar.
Schließlich wurde noch eine Wärmebehandlung an den zuvor bereits magnetisch untersuchten schwerkraftgegossenen Rotoren durchgeführt. Die Verläufe entsprechen dabei den Ergebnissen vor der Wärmebehandlung. Eine mögliche Ursache ist die Behinderung einer Spannungsreduktion durch den umgossenen Aluminiumkäfig, der damit eine Reduktion der Hystereseverluste verhindert. Wärmebehandlung. Eine mögliche Ursache ist die Behinderung einer Spannungsreduktion durch den umgossenen Aluminiumkäfig, der damit eine Reduktion der Hystereseverluste verhindert.

Zusammengefasst ergibt sich aus den Messungen, dass in keinem der Versuche eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften zu beobachten war. Durch eine zusätzliche Druckbeaufschlagung sowie durch eine zusätzliche Wärmebehandlung vor dem Abguss bei ausreichend langsamer Abkühlung besteht zudem die Möglichkeit einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Rotoren.

Porosität der Gießversuche:
Zur Untersuchung der Porosität wurden CT-Messungen an im Schwerkraftkokillenguss gefertigten Versuchsabgüssen durchgeführt. Abgesehen von einer Mirkolunkerung konnten keine signifikanten Porengrößen oder -verteilungen festgestellt werden. Zusätzlich zu den CT-Messungen an den schwerkraftgegossenen Rotoren wurden Schliffbilder von niederdruckgegossenen Rotoren sowie eines serienmäßig druckgegossenen Rotors durchgeführt. Die Auswertung eines niederdruckgegossenen Versuchsrotors bestätigt die Ergebnisse aus den CT-Messungen. Lediglich eingeschwemmte Oxide führten zu größeren Defekten. Die anteilige Fläche der Fehlstellen liegt im Mittel bei 0,29 %.

Bezüglich der Realgeometrie weist der im Druckgießverfahren gegossene Rotor eine signifikant höhere Fehlstellenfläche im Vergleich zu dem vom Konsortium hergestellten Rotor auf. Die Form deutet auf Luft- und Oxideinschlüsse aus dem Gießprozess hin. Runde Porenvolumina, wie sie durch Wasserstoffporen entstehen können, sind nur in sehr geringer Größenordnung zu erkennen. Die Ringe des Rotors aus dem Druckgießverfahren weisen an diversen Stellen Risse auf. Diese Problemstellung wurde im Niederdruckguss durch eine Kornfeinung mit 0,1% Ti und 0,02% B behoben. Die Analysen zeigen für die im Druckguss gefertigte Realgeometrie eine Fehlstellenfläche in den Schnittebenen der Stäbe zwischen 3,5 und 5,6 %, während der niederdruckgegossene Rotor nur eine Fehlstellenfläche von 0,1 bis 0,6 % aufweist. In den Kurzschlussringen liegt die Fehlstellenfläche zwischen 10,3 und 13,1 % im druckgegossenen Rotor bzw. zwischen 0,02 und 1,4 % im niederdruckgegossenen Rotor.

Rotorerprobung:
Um eine Aussage über den Einfluss auf die Motorkennlinie durch Verwendung des niederdruckgegossenen Rotors treffen zu können, wurden Motorprüfstandsmessungen mit druckgegossenem und niederdruckgegossenem Rotor durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Motor mit niederdruckgegossenem Rotor bis 2500 1/min ein höheres Drehmoment aufweist als mit druckgegossenem Rotor, jedoch oberhalb von 2500 1/min unter die Werte mit druckgegossenem Rotor abfällt. Das Verhalten deutet unter Betrachtung der Spannungs- und Stromverläufe auf einen erhöhten elektrischen Gesamtwiderstand unter Verwendung des niederdruckgegossenen Rotors hin.

Eine Analyse der möglichen Einflussgrößen auf die ermittelten Drehmomentverläufe ergab, dass eine höhere Leitfähigkeit der im niederdruckgegossenen Rotor verwendeten Legierung sowie der geringere Fehlstellenanteil im niederdruckgegossenen Rotor durch eine abweichende Blechgeometrie überkompensiert wird. Ohne zusätzliche Simulation der beiden Konfigurationen ist somit anhand der Motorprüfstandsmessungen keine Aussage über die Drehmoment- bzw. Wirkungsgradunterschiede durch Verwendung des Niederdruckgießverfahrens möglich.




Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

25.11.2021, Fuchs G., Tagungsbeitrag auf der Barbaratagung des Fraunhofer IGCV in München unter dem Titel „Gießtechnische Ansätze zur Steigerung des Wirkungsgrads von Elektromotoren“
27.04.2023; Fuchs G. ,Bissels J., Konferenzbeitrag auf dem österreichischer Gießereitag in Schladming unter dem Titel „Gießtechnische Ansätze zur Steigerung der Effizienz von Elektromotoren“
21.03.2024, Fuchs G. ,Bissels J., Konferenzbeitrag auf der World Magnetic Konferenz in Augsburg unter dem Titel „Gießtechnische Ansätze zur Steigerung der Effizienz von Elektromotoren “
06.06.2024, Fuchs G., Konferenzbeitrag auf der Production Technologies and Systems for E-Mobility Konferenz in Bamberg unter dem Titel „Efficiency Increase of Asynchronous Motors using Casting Technology Approaches“


Fazit

Im Rahmen des Projekts wurden die Einflussfaktoren des Prozessschritts des Gießens eines Kurzschlusskäfigs auf die Eigenschaften des Rotors untersucht. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass die Temperaturbelastung im Gießprozess keine signifikante Veränderung der magnetischen Eigenschaften des Rotors bewirkt. Die Fertigung von Rotoren für Asynchronmotoren kann sowohl im Schwerkraft- als auch im Niederdruckguss erfolgen. Die Höhe der Rotoren kann durch eine geschickte Einstellung des Temperaturgradienten und der Gießtechnik erweitert werden. Für größere Stablängen sind die Verfahren jedoch durch den nicht vorhandenen oder geringeren Nachdruck begrenzt.

Das Konsortium demonstrierte, dass die Fertigung von Rotoren für Asynchronmotoren im Niederdruck- und Schwerkraftguss möglich ist. Mit einem Außendurchmesser von 35 mm und einer Höhe von 48 mm des Rotors sowie einer Dicke der Leiterstäbe zwischen 0,7 und 3,5 mm konnte ein Demonstrator mit extremen gießtechnischen Herausforderungen erzeugt werden. Im Vergleich zu einem im Druckgießverfahren gefertigten Rotor konnte eine deutlich verbesserte Gussqualität erzielt werden. Im Vergleich zum Druckguss konnte der mittlere Fehlstellenanteil von 7,7 % auf 0,5 % reduziert werden. Dies sollte zu einer Reduzierung des elektrischen Widerstands führen, was wiederum zu einer Verringerung der Energieverluste und Abwärme im Rotor führt.

Die Ergebnisse zeigen das Potential zur Herstellung von Rotoren mittels Schwerkraft und Niederdruckguss auf. Bei mindestens gleichbleibenden magnetischen Eigenschaften im Vergleich zum Druckguss sind die Verfahren aufgrund der deutlich geringeren Werkzeugkosten eine wirtschaftlich interessante Alternative zum Druckguss oder der integralen Bauweise von Asynchronrotoren.


Umweltrelevanz

In Deutschland ist wie in der gesamten Europäischen Union der Betrieb von Elektromotoren für ca. 50 % des Stromverbrauchs verantwortlich, was im Jahr 2007 insgesamt 302 TWh entsprach. In der deutschen
Industrie liegt der Anteil von Elektromotoren am Stromverbrauch bei ca. 68 %, wovon etwa 90 % auf