Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die \u00fcbergeordnete Zielsetzung des Forschungsprojektes war die Entwicklung von Gie\u00dfverfahren zur verbesserten Herstellung von gegossenen Rotoren f\u00fcr Asynchronmotoren und die Betrachtung der Einfl\u00fcsse der Gie\u00dfparameter auf den Wirkungsgrad der Rotoren. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt wurden im ersten Schritt Voruntersuchungen bez\u00fcglich des Zusammenspiels zwischen
\nSchmelze und Elektroblech durchgef\u00fchrt. Hierbei erfolgten Untersuchungen zum W\u00e4rme\u00fcbergang mit Elektroblechen im Gie\u00dfsystem, zur F\u00fcllung stabf\u00f6rmiger Geometrien sowie Vorversuche zur Gie\u00dfbarkeit der erarbeiteten Testgeometrie im Sandguss. Anschlie\u00dfend wurden die Gie\u00dfversuche durchgef\u00fchrt sowie m\u00f6gliche Einflussgr\u00f6\u00dfen auf die Rotoreigenschaften sowohl separat als auch im Gie\u00dfprozess betrachtet. <\/p>\n
Isolierte Betrachtung der Einflussfaktoren auf die magnetischen Eigenschaften:
\nZur Untersuchung der Einfl\u00fcsse des Gie\u00dfprozesses auf die magnetischen Eigenschaften wurden zun\u00e4chst Versuche mit den einzelnen Einflussfaktoren nachgestellt. Die magnetischen Eigenschaften wurden mittels Ringkernmessungen ermittelt und die Messungen am IEM der RWTH Aachen beauftragt. Zun\u00e4chst wurde der Temperatureinfluss im Gie\u00dfprozess auf die Elektrobleche untersucht. Anschlie\u00dfend wurde der Einfluss eingebrachter Spannungen auf die magnetischen Eigenschaften des Elektroblechs analysiert. <\/p>\n
Gie\u00dfversuche:
\nDie Gie\u00dfversuche im Schwerkraftguss wurden durch PINTER GUSS durchgef\u00fchrt und die Versuche im Niederdruckguss durch das utg der TUM. Dabei wurden soweit m\u00f6glich vergleichbare Versuchsr\u00e4ume f\u00fcr die Parameter Legierungszusammensetzung, Schmelzetemperatur, Werkzeugtemperatur und F\u00fcllgeschwindigkeit verwendet. Die Versuchsrotoren wurden anschlie\u00dfend f\u00fcr die Durchf\u00fchrung von elektromagnetischen Messungen hergerichtet. <\/p>\n
Analyse der Versuchsabg\u00fcsse:
\nDie gegossenen Versuchsgeometrien wurden auf ihre magnetischen Eigenschaften, die Porosit\u00e4tsneigung und sonstige Gie\u00dffehler untersucht. Die magnetischen Eigenschaften wurden wie die Proben in den Versuchen zu den isolierten Prozessparametern mittels Ringkernmessungen am IEM der RWTH Aachen untersucht. F\u00fcr die Porosit\u00e4tsanalyse wurden Schliffanalysen und CT-\/R\u00f6ntgenmessungen durchgef\u00fchrt. Schlie\u00dflich wurde noch die Gie\u00dfbarkeit einer Serienrotorgeometrie mit dem Niederdruckgie\u00dfverfahren betrachtet. <\/p>\n
Simulationsmodell magnetischer Eigenschaften:
\nAuf Basis der Ergebnisse wurde durch den Partner RWP GmbH ein Modell zur Simulation magnetischer Kennwerte entwickelt. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Untersuchung des Einflusses von Temperatureinwirkung auf die magnetischen Eigenschaften der Elektrobleche:
\nUm den Einfluss des Gie\u00dfprozesses auf die magnetischen Eigenschaften der Bleche bewerten zu k\u00f6nnen, wurden zun\u00e4chst Referenzmessungen an mehreren unbehandelten Blechen durchgef\u00fchrt. Die Bleche wiesen keine signifikanten Abweichungen der magnetischen Eigenschaften auf. <\/p>\n
Um eine separierte Betrachtung des Temperatureinflusses beim Gie\u00dfen auf die magnetischen Eigenschaften der Elektrobleche zu erm\u00f6glichen, wurden W\u00e4rmebehandlungsversuche an Blechstapeln und Einzelblechen durchgef\u00fchrt. In einem ersten Versuch wurden dabei insgesamt sechs Blechstapel bei verschiedenen Temperaturen f\u00fcr unterschiedlich lange Zeit jeweils einer konstanten Temperatur ausgesetzt und anschlie\u00dfend bei Raumtemperatur abgek\u00fchlt. Es zeigte sich, dass durch die W\u00e4rmebehandlung die Schwankungsbreite der Eisenverluste erh\u00f6ht 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 l\u00e4ngsten w\u00e4rmebehandelten Blechstapel ein Einsetzen der S\u00e4ttigung bei h\u00f6heren Feldst\u00e4rken auf, wodurch sich in diesem Bereich eine Reduzierung der Hystereseverluste ergibt. <\/p>\n
Um eine Ursache f\u00fcr die Ver\u00e4nderungen der magnetischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden im Anschluss Eigenspannungsmessungen vor und nach W\u00e4rmebehandlung von Blechstapeln mittels der Bohrlochmethode durchgef\u00fchrt. Dabei konnte eine Reduzierung der Eigenspannungen in dem Blech durch die W\u00e4rmebehandlung festgestellt werden. Eine Untersuchung der H\u00e4rte der Bleche im Bereich der Schneidkante zeigte hingegen keine Beeinflussung durch die W\u00e4rmebehandlung, wobei die Bleche nicht als Stapel, sondern einzeln w\u00e4rmebehandelt wurden. In einem separaten Versuch wurden zudem R\u00f6ntgendiffraktometriemessungen, eine Analyse der metallographischen Textur sowie Ringkernmessungen an einzeln w\u00e4rmebehandelten Blechen durchgef\u00fchrt. In dem Versuch konnte keine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften durch die W\u00e4rmebehandlung festgestellt werden. Gleichzeitig konnte auch keine \u00c4nderung der Eigenspannungen und der metallographischen Textur ermittelt werden. Als m\u00f6gliche Ursache f\u00fcr die variierenden Ergebnisse in den Versuchen werden die unterschiedlichen Abk\u00fchlraten bei der W\u00e4rmebehandlung von Blechstapeln im Vergleich zu Einzelblechen angesehen, sodass nur bei der W\u00e4rmebehandlung von Blechstapeln eine Reduzierung der Hystereseverluste ermittelt wurde. <\/p>\n
Untersuchung des Einflusses eingebrachter Spannungen auf die magnetischen Eigenschaften der Elektrobleche:
\nNeben der Temperatureinwirkung stellt das Aufschrumpfen des Aluminiumk\u00e4figs auf den Blechstapel eine weitere m\u00f6gliche Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften der Bleche dar. Um die Druckaufbringung durch den Kurzschlussk\u00e4fig nachstellen zu k\u00f6nnen, wurden Versuche zur separaten Spannungsbelastung der Bleche durchgef\u00fchrt. Hierf\u00fcr wurde eine Federkonstruktion zur Aufbringung einer axialen Belastung an einem Blechstapel angebracht. Bez\u00fcglich 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 Feldst\u00e4rke von ungef\u00e4hr 750 A\/m eine Erh\u00f6hung der maximalen Polarisation stattfindet, w\u00e4hrend oberhalb von ungef\u00e4hr 750 A\/m die maximale Polarisation geringer wird. Bez\u00fcglich der Eisenverluste ist hingegen eine deutliche Reduktion bei zunehmendem Spannungsniveau zu erkennen. <\/p>\n
Magnetische Untersuchung der gegossenen Rotoren:
\nNach der separierten Betrachtung der m\u00f6glichen Einfl\u00fcsse auf die magnetischen Eigenschaften der Blechpakete wurden schlie\u00dflich 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 Aluminiumk\u00e4fig zur\u00fcckzuf\u00fchren. Eine \u00e4hnliche Tendenz ist auch bei den niederdruckgegossenen Rotoren zu erkennen, wobei in diesem Fall eine leicht erh\u00f6hte Schwankung der Ergebnisse vorhanden ist. Bez\u00fcglich der Abweichungen der Messungen untereinander ist allerdings kein eindeutiger Trend erkennbar.
\nSchlie\u00dflich wurde noch eine W\u00e4rmebehandlung an den zuvor bereits magnetisch untersuchten schwerkraftgegossenen Rotoren durchgef\u00fchrt. Die Verl\u00e4ufe entsprechen dabei den Ergebnissen vor der W\u00e4rmebehandlung. Eine m\u00f6gliche Ursache ist die Behinderung einer Spannungsreduktion durch den umgossenen Aluminiumk\u00e4fig, der damit eine Reduktion der Hystereseverluste verhindert. W\u00e4rmebehandlung. Eine m\u00f6gliche Ursache ist die Behinderung einer Spannungsreduktion durch den umgossenen Aluminiumk\u00e4fig, der damit eine Reduktion der Hystereseverluste verhindert. <\/p>\n
Zusammengefasst ergibt sich aus den Messungen, dass in keinem der Versuche eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften zu beobachten war. Durch eine zus\u00e4tzliche Druckbeaufschlagung sowie durch eine zus\u00e4tzliche W\u00e4rmebehandlung vor dem Abguss bei ausreichend langsamer Abk\u00fchlung besteht zudem die M\u00f6glichkeit einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Rotoren.<\/p>\n
Porosit\u00e4t der Gie\u00dfversuche:
\nZur Untersuchung der Porosit\u00e4t wurden CT-Messungen an im Schwerkraftkokillenguss gefertigten Versuchsabg\u00fcssen durchgef\u00fchrt. Abgesehen von einer Mirkolunkerung konnten keine signifikanten Porengr\u00f6\u00dfen oder -verteilungen festgestellt werden. Zus\u00e4tzlich zu den CT-Messungen an den schwerkraftgegossenen Rotoren wurden Schliffbilder von niederdruckgegossenen Rotoren sowie eines serienm\u00e4\u00dfig druckgegossenen Rotors durchgef\u00fchrt. Die Auswertung eines niederdruckgegossenen Versuchsrotors best\u00e4tigt die Ergebnisse aus den CT-Messungen. Lediglich eingeschwemmte Oxide f\u00fchrten zu gr\u00f6\u00dferen Defekten. Die anteilige Fl\u00e4che der Fehlstellen liegt im Mittel bei 0,29 %. <\/p>\n
Bez\u00fcglich der Realgeometrie weist der im Druckgie\u00dfverfahren gegossene Rotor eine signifikant h\u00f6here Fehlstellenfl\u00e4che im Vergleich zu dem vom Konsortium hergestellten Rotor auf. Die Form deutet auf Luft- und Oxideinschl\u00fcsse aus dem Gie\u00dfprozess hin. Runde Porenvolumina, wie sie durch Wasserstoffporen entstehen k\u00f6nnen, sind nur in sehr geringer Gr\u00f6\u00dfenordnung zu erkennen. Die Ringe des Rotors aus dem Druckgie\u00dfverfahren 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 f\u00fcr die im Druckguss gefertigte Realgeometrie eine Fehlstellenfl\u00e4che in den Schnittebenen der St\u00e4be zwischen 3,5 und 5,6 %, w\u00e4hrend der niederdruckgegossene Rotor nur eine Fehlstellenfl\u00e4che von 0,1 bis 0,6 % aufweist. In den Kurzschlussringen liegt die Fehlstellenfl\u00e4che zwischen 10,3 und 13,1 % im druckgegossenen Rotor bzw. zwischen 0,02 und 1,4 % im niederdruckgegossenen Rotor. <\/p>\n
Rotorerprobung:
\nUm eine Aussage \u00fcber den Einfluss auf die Motorkennlinie durch Verwendung des niederdruckgegossenen Rotors treffen zu k\u00f6nnen, wurden Motorpr\u00fcfstandsmessungen mit druckgegossenem und niederdruckgegossenem Rotor durchgef\u00fchrt. Es zeigte sich, dass der Motor mit niederdruckgegossenem Rotor bis 2500 1\/min ein h\u00f6heres Drehmoment aufweist als mit druckgegossenem Rotor, jedoch oberhalb von 2500 1\/min unter die Werte mit druckgegossenem Rotor abf\u00e4llt. Das Verhalten deutet unter Betrachtung der Spannungs- und Stromverl\u00e4ufe auf einen erh\u00f6hten elektrischen Gesamtwiderstand unter Verwendung des niederdruckgegossenen Rotors hin. <\/p>\n
Eine Analyse der m\u00f6glichen Einflussgr\u00f6\u00dfen auf die ermittelten Drehmomentverl\u00e4ufe ergab, dass eine h\u00f6here Leitf\u00e4higkeit der im niederdruckgegossenen Rotor verwendeten Legierung sowie der geringere Fehlstellenanteil im niederdruckgegossenen Rotor durch eine abweichende Blechgeometrie \u00fcberkompensiert wird. Ohne zus\u00e4tzliche Simulation der beiden Konfigurationen ist somit anhand der Motorpr\u00fcfstandsmessungen keine Aussage \u00fcber die Drehmoment- bzw. Wirkungsgradunterschiede durch Verwendung des Niederdruckgie\u00dfverfahrens m\u00f6glich. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
25.11.2021, Fuchs G., Tagungsbeitrag auf der Barbaratagung des Fraunhofer IGCV in M\u00fcnchen unter dem Titel \u0084Gie\u00dftechnische Ans\u00e4tze zur Steigerung des Wirkungsgrads von Elektromotoren\u0093
\n27.04.2023; Fuchs G. ,Bissels J., Konferenzbeitrag auf dem \u00f6sterreichischer Gie\u00dfereitag in Schladming unter dem Titel \u0084Gie\u00dftechnische Ans\u00e4tze zur Steigerung der Effizienz von Elektromotoren\u0093
\n21.03.2024, Fuchs G. ,Bissels J., Konferenzbeitrag auf der World Magnetic Konferenz in Augsburg unter dem Titel \u0084Gie\u00dftechnische Ans\u00e4tze zur Steigerung der Effizienz von Elektromotoren \u0093
\n06.06.2024, Fuchs G., Konferenzbeitrag auf der Production Technologies and Systems for E-Mobility Konferenz in Bamberg unter dem Titel \u0084Efficiency Increase of Asynchronous Motors using Casting Technology Approaches\u0093 <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Projekts wurden die Einflussfaktoren des Prozessschritts des Gie\u00dfens eines Kurzschlussk\u00e4figs auf die Eigenschaften des Rotors untersucht. Die durchgef\u00fchrten Untersuchungen haben gezeigt, dass die Temperaturbelastung im Gie\u00dfprozess keine signifikante Ver\u00e4nderung der magnetischen Eigenschaften des Rotors bewirkt. Die Fertigung von Rotoren f\u00fcr Asynchronmotoren kann sowohl im Schwerkraft- als auch im Niederdruckguss erfolgen. Die H\u00f6he der Rotoren kann durch eine geschickte Einstellung des Temperaturgradienten und der Gie\u00dftechnik erweitert werden. F\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Stabl\u00e4ngen sind die Verfahren jedoch durch den nicht vorhandenen oder geringeren Nachdruck begrenzt. <\/p>\n
Das Konsortium demonstrierte, dass die Fertigung von Rotoren f\u00fcr Asynchronmotoren im Niederdruck- und Schwerkraftguss m\u00f6glich ist. Mit einem Au\u00dfendurchmesser von 35 mm und einer H\u00f6he von 48 mm des Rotors sowie einer Dicke der Leiterst\u00e4be zwischen 0,7 und 3,5 mm konnte ein Demonstrator mit extremen gie\u00dftechnischen Herausforderungen erzeugt werden. Im Vergleich zu einem im Druckgie\u00dfverfahren gefertigten Rotor konnte eine deutlich verbesserte Gussqualit\u00e4t 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 f\u00fchren, was wiederum zu einer Verringerung der Energieverluste und Abw\u00e4rme im Rotor f\u00fchrt. <\/p>\n
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. <\/p>\n
Umweltrelevanz <\/p>\n
In Deutschland ist wie in der gesamten Europ\u00e4ischen Union der Betrieb von Elektromotoren f\u00fcr ca. 50 % des Stromverbrauchs verantwortlich, was im Jahr 2007 insgesamt 302 TWh entsprach. In der deutschen
\nIndustrie liegt der Anteil von Elektromotoren am Stromverbrauch bei ca. 68 %, wovon etwa 90 % auf<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Die \u00fcbergeordnete Zielsetzung des Forschungsprojektes war die Entwicklung von Gie\u00dfverfahren zur verbesserten Herstellung von gegossenen Rotoren f\u00fcr Asynchronmotoren und die Betrachtung der Einfl\u00fcsse der Gie\u00dfparameter auf den Wirkungsgrad der Rotoren. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Projekt wurden im ersten Schritt Voruntersuchungen bez\u00fcglich des Zusammenspiels zwischen Schmelze und Elektroblech […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[57],"class_list":["post-27213","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-bayern"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"34988\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"","dbu_projektdatenbank_bsumme":"580.783,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Pinter Guss GmbH","dbu_projektdatenbank_strasse":"Brunnwiesenstr. 2","dbu_projektdatenbank_plz_str":"94469","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Deggendorf","dbu_projektdatenbank_p_von":"2019-10-09 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2023-08-09 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 10 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"+49 991 320 18 12","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Bayern","dbu_projektdatenbank_foerderber":"162","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-34988_01-Hauptbericht.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27213","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27213\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":40216,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/27213\/revisions\/40216"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=27213"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=27213"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=27213"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}