Additive Fertigung im Elektromaschinenbau: Erforschung von Potentialen der additiven Fertigung in Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd Ponick; Professor Dr.-Ing. Mirko Schaper; Professor Dr. Detmar Zimmer
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406108415

Additive Fertigungsverfahren (AF) stellen Bauteile und Baugruppen aus Metall schichtweise und ohne die Verwendung eines formgebenden Werkzeugs her. Durch die Verfahrensprinzipien ergeben sich sowohl konstruktive als auch werkstoffliche Freiheiten in der Bauteilgestaltung und -herstellung. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Potentiale der additiven Fertigungsverfahren im Elektromaschinenbau, speziell in Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen, systematisch zu untersuchen. Durch die Zusammenarbeit zwischen dem DMRC der Universität Paderborn und dem IAL der Leibniz-Universität Hannover sind insbesondere im Bereich der additiven Fertigung erhebliche Vorkenntnisse über unterschiedliche Materialsysteme, deren spezifische Charakterisierung sowie mögliche Anwendungen im Elektromaschinenbau erarbeitet worden. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in die Phasen „Werkstofferforschung“, „Rotorgestaltung“, „Rotorfertigung“ und „Rotorprüfung“. In der ersten Phase „Werkstofferforschung“ werden geeignete Werkstoffe für den Elektromaschinenbau ausgewählt, und es werden Prozessparameter für die additive Fertigung mithilfe von Parameterstudien identifiziert. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden dazu eine Eisen-Kobalt- und zwei Eisen-Silizium-Legierungen betrachtet. Zur Charakterisierung der Werkstoffe sollen die erreichbaren elektrischen, magnetischen und dynamischen Eigenschaften an additiv gefertigten Prüfkörpern ermittelt werden. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt in der zweiten Phase „Rotorgestaltung“ anhand von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen.Die Erkenntnisse der Werkstoffentwicklung sowie die mittels additiver Fertigung gewonnene dreidimensionale Gestaltungsfreiheit werden genutzt, um Maßnahmen zur Funktionsverbesserung durch die rotorseitige Staffelung oder Schrägung und die dreidimensionale Strukturierung der Rotoroberfläche zur Unterdrückung von Wirbelstromeffekten zu erforschen, um die Potentiale additiv gefertigter PMSM aufzuzeigen. Nach der Konzeption der Rotoren erfolgt ihre elektromagnetische und mechanische Dimensionierung und Konstruktion mit den oben genannten Funktionserweiterungen sowie Untersuchungen zur belastungs- und fertigungsgerechten Gestaltung, um eine robuste Herstellung der Rotoren zu ermöglichen. In der dritten Phase „Rotorfertigung“ erfolgt die additive Fertigung der Rotoren inklusive der zugehörigen Nachbearbeitung als Grundlage für die experimentelle Untersuchung. Die abschließende vierte Phase ist die „Rotorprüfung“ hinsichtlich elektromechanischer Leistungskenndaten und erreichbarer Torsionswechselfestigkeit. Zur Bewertung der erzielten Eigenschaften in Bezug auf Dynamik, Effizienz, Festigkeit und Leistungsdichte werden vergleichende Untersuchungen an konventionell und an additiv gefertigten Rotoren durchgeführt. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt abschließend den erzielten Mehrwert und die Potentiale additiv gefertigter PMSM-Rotoren gegenüber der konventionellen Fertigung auf.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen