Gezielte Eigenspannungsnutzung in Elektroblechen zur Steigerung der Energieeffizienz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kay Hameyer; Dr. Michael Schulz; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374548845

Konventionelle Methoden zur Erzielung höherer Wirkungsgrade in Elektromotoren sind größtenteils ausgeschöpft, daher sind neuartige Ansätze zur weiteren Steigerung der Effizienz nötig. Eine mögliche Herangehensweise ist der gezielte Einsatz von Eigenspannungen als Ersatz für konventionelle Flussbarrieren. Durch die gezielte Änderung der magnetischen Werkstoffeigenschaften werden neue Designmöglichkeiten für zukünftige elektrische Maschinen eröffnet. Speziell der Verzicht von Aussparungen ermöglicht es, aufgrund der erhöhten mechanischen Festigkeit, höhere Motordrehzahlen mit damit verbundenen Effizienzsteigerungen zu konzipieren. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase, welche den Nachweis der zugrundeliegenden Arbeitshypothese erbrachte, wurden in der zweiten Phase die Auswirkungen von Eigenspannungen auf Elektrobleche stärker quantifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die mechanische Festigkeit der Elektrobleche bei der Verwendung geprägter Flussbarrieren signifikant ansteigt und somit höhere Motordrehzahlen realisierbar sind. Weiterhin wurde gezeigt, dass typische Abweichungen im Prägeprozess nur geringe Schwankungen in den magnetischen Eigenschaften der Flussbarrieren verursacht. Durch die durchgeführten Messungen (Neutronen-Gitter-Interferometrie, Single Sheet Tests und Nanoindentierung) konnten die Simulationsmodelle validiert werden. Durch Querverknüpfung der Simulation, der Messmethoden untereinander und Ergebnissen der ersten Phase wurde die Eigenspannungsmessung validiert. In der dritten Projektphase wird nun aufbauend auf den Ergebnissen der ersten beiden Förderperioden die industrielle Anwendung der Forschungsergebnisse untersucht. Dazu werden die vorhandenen magneto-mechanischen und mikromagnetischen Simulationsmodelle verbessert. In Verbindung mit den Messmethoden werden anschließend Modelle zur Prognose der Eigenschaftsverbesserung erstellt. Ausgehend von den Prognosemodellen werden die Flussbarrieren weiter optimiert und der Einfluss von typischen Betriebsbedingungen (Temperatur sowie statische und zyklische Lasten) überprüft. Anhand dieser Ergebnisse wird der Magnetfluss in einem Demonstrator modelliert, optimiert und numerisch mit einem konventionellen Demonstrator verglichen. Anhand des gebauten optimierten Demonstrators soll die erfolgreiche magnetische Flussführung gezeigt werden. Während dieser Prozesse werden weiterhin die Messmethoden verbessert und kontinuierlich Validierungsmessungen durchgeführt. Am Ende der dritten Phase soll ein Leitfaden zur Entwicklung geprägter Rotorgeometrien erstellt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2013: Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Roland Golle; Dr.-Ing. Nora Leuning