Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Neuer Ansatz zur Steigerung des Wirkungsgrads von ASM
Die zunehmende Elektrifizierung in allen Bereichen der Industrie und der Mobilität sorgt für neue Herausforderungen bei der Erreichung der Entwicklungsziele und des Marktbedarfs von Asynchronmaschinen (ASM). Im Fokus stehen die Steigerung des Wirkungsgrads bei Verringerung des Bauraumbedarfs, die Senkung von Fertigungs-, Material- und Wartungskosten effizienter Motoren sowie die Erhöhung der Herstellungsqualität und der Prozesssicherheit zur Reduzierung von Ausschuss.
Kostengünstige, reproduzierbare Herstellung von Hybridrotoren
Im Projekt »UltraHybRo« befassten sich die Expertinnen und Experten aus dem Bereich »Elektrische Antriebe« am Fraunhofer IFAM gemeinsam mit dem Projektpartner mth Ultraschalltechnologie GmbH & Co. KG mit der Entwicklung eines Fügeverfahrens zur Herstellung von Rotoren für Asynchronmaschinen. Damit verfolgen sie einen neuartigen Ansatz, um den Wirkungsgrad von Asynchronmaschinen über einen großen Betriebsbereich zu steigern. Dafür sind die Entwicklung eines neuen Konzepts zum Ultraschallschweißen sowie die Erforschung der Gestaltung und Dimensionierung von Hybridrotoren notwendig. Dabei soll der Ultraschallschweißprozess etabliert werden, der die Verbindung der Kurzschlussringe aus Aluminium mit den Rotorstäben aus Kupfer ermöglicht und somit die Herstellung von gebauten Hybridrotoren sicherstellt. Hierzu müssen die gebauten Hybridrotoren fertigungsgerecht ausgelegt und gestaltet werden, um die Vorteile des Verfahrens sowie die prinzipbedingten Vorteile des Hybridrotors im Serieneinsatz nutzbar zu machen.
Asynchronmaschinen mit Käfigläufern zeichnen sich durch ihre ressourcenschonende und robuste Bauweise aus und sind deshalb in der industriellen Anwendung bereits weit verbreitet. Jedoch erreichen ASM im direkten Vergleich zu permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) typischerweise etwas niedrigere Wirkungsgrade sowie eine geringere gravimetrische und volumetrische Drehleistungsdichte.
Wertvolle Erkenntnisse über die Einflüsse auf die Fügequalität und die Abhängigkeiten zwischen Schweißparametern
Um den Bedarf an hocheffizienten ASM zu decken, verfolgten die Partner im Projekt »UltraHybRo« den Ansatz des gebauten Hybridrotors als bessere Alternative sowohl für die klassische ASM als auch für die PMSM im Fahrzeugeinsatz sowie zur Erfüllung der gesetzlichen Wirkungsgradziele für Motoren (IE4). Das Ergebnis der im Rahmen des Projekts durchgeführten Marktrecherche zeigt, dass der Einsatz von Hybridrotoren auch für IEC Norm Motoren vielversprechende Vorteile bietet. Mittels elektromagnetischer Simulation wurde der Effizienzvorteil validiert. Durch den Einsatz von Kupfer als Stabmaterial konnte eine Effizienzsteigerung von etwa 2,1 % erzielt werden, was zu einem Sprung in der Energieeffizienzklasse von IE3 auf IE4 führt und die Effektivität des Ansatzes unterstreicht.
Im Rahmen des Projekts wurden die geometrischen Eigenschaften der Fügepartner, nämlich des Rotorstabs und des Kurzschlussringsegments, untersucht. Ziel war es, den Hybridrotor fügegerecht zu gestalten und die Funktionsfähigkeit der Technologie nachzuweisen. Dieser Nachweis wurde erfolgreich erbracht, indem Aluminium-Kurzschlussringe mit Kupfer-Rotorstäben verbunden wurden. Die ursprünglich für Einzelsegmente geplanten Versuche wurden direkt an Rotor-Blechpaketen mit einem vollständigen Kurzschlussring und reduzierter Stabanzahl durchgeführt. Dadurch konnten wertvolle Erkenntnisse für das spätere Fügen vollständiger Rotoren gewonnen werden.
Es wurde nachgewiesen, dass durch beide entwickelten Ultraschallschweißkonfigurationen, axial und orthogonal, eine Fügung erzeugt werden kann. Beide Konzepte wurden hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile bewertet, und keine der Konfigurationen konnte endgültig ausgeschlossen werden. Daher wurden beide Konfigurationen bis zum Ende des Projekts weiterverfolgt und praktisch untersucht.
Das Projekt »UltraHybRo« wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Förderprogramms »Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)« gefördert (Fördernummer KK5031418EW1).