Nutzung eigenspannungsbasierter Flussbarrieren zur Steigerung der Leistungsdichte rotierender elektrischer Maschinen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Nora Leuning; Dr. Michael Schulz; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532773068

Im beantragten Projekt steht die Anwendung der vorangegangenen Projektphasen des Schwerpunktprogrammes im Vordergrund der wissenschaftlichen Tätigkeit. Gemeinsam mit dem Projektpartner MUBEA soll sowohl die Praktikabilität eigenspannungsbasierter magnetischer Flussbarrieren und deren Einbindung in den Herstellungsprozess von Blechpaketen elektrischer Maschinen, als auch die tatsächliche Eigenschaftsverbesserung durch höhere Drehzahlen und gesteigerte Energiedichten der Elektromotoren nachgewiesen werden. Die Idee des Projektes besteht darin, gezielt lokale Eigenspannungen in den Blechquerschnitt von Rotoren, deren Funktionsweise auf einer starken magnetischen Anisotropie (PMSM und SynRM) beruht, einzubringen und somit breitere verbleibende Stege und somit eine höhere mechanische Stabilität bei gleichbleibender magnetischer Anisotropie zu gewährleisten. Durch die gesteigerte mechanische Stabilität könnten somit höhere Drehzahlen der Antriebe realisiert werden, was eine gesteigerte Leistungsdichte zur Folge hat. Zu Beginn des Projektes wird in enger Absprache mit MUBEA eine der beiden Anisotropie-basierten Maschinen-Topologien ausgewählt, anhand welcher der Prozess und die Eigenschaftsverbesserung nachgewiesen werden soll. In Anschluss an die Entscheidung wird eine Serienmaschine, die dem aktuellen Standard von Traktionsantrieben in der Elektromobilität entspricht, beschafft. Die Randbedingungen wie die axiale Länge sowie der Außen- und Innendurchmesser werden somit vorgegeben. In den Arbeitspaketen wird durch analytische Betrachtungen sowie Finite-Elemente Simulationen eine alternative Innovations-Rotorgeometrie erstellt, die mit dem beschafften Motorkomponenten kompatibel ist, jedoch eine andere Schnittgeometrie aufweist. Zu diesem Zweck wird eine ausführliche Materialcharakterisierung hinsichtlich der magneto-mechanischen Kopplung sowie der mechanischen Festigkeit durchgeführt. Um etwaigen Verfälschungen des Vergleichs von Serien- und Innovationsrotor durch unterschiedliches Elektroband und von der Serienproduktion abweichende Füge- und Trennverfahren zu vermeiden, wird ein Referenzrotor aufgebaut. Dieser weist einen zur Serienmaschine identischen magnetischen Querschnitt auf, wird jedoch aus dem für das Projekt ausgewählte Material und unter den gleichen Herstellungsprozessen wie der Innovationsrotor hergestellt. Der Musterbau und die genauen Prozessschritte werden in enger Abstimmung zum industriellen Kooperationspartner MUBEA festgelegt. Im Anschluss an den Aufbau des Referenz- und Innovationsrotors werden die verschiedenen Rotoren im Betrieb vermessen, um die Effizienz und das generierte Drehmoment unter identischer Bestromung bei verschiedenen Drehzahlen zu bestimmen. Darüber hinaus wird im abschließenden Arbeitspaket mittels Schleuderversuchen, sowie elektromagnetischen und mechanischen Simulationen die Zunahme Energiedichte durch die gesteigerte mechanische Festigkeit und somit die Steigerung der maximal möglichen Drehzahl bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Muhr und Bender KG