Elektromotoren fördern eine emissionsreduzierte Wirtschaft durch die Elektrifizierung von Industrie und Mobilität. Dank 3D-Druck kann die Produktion ressourceneffizienter und können die Motoren im Betrieb energieeffizienter werden.
Juli 2024 – Im Rahmen des Projekts EffiBlech wollen WGP-Forschende aus Erlangen-Nürnberg die Effizienz von Elektromotoren steigern. Sie entwickeln alternative Herstellungsprozesse für Statorbleche, die eine Reduktion der Blechstärke ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz ist der Siebdruck, bei dem bereits die Grünteile endkonturnah gedruckt und in einem anschließenden kombinierten Entbinderungs- und Sinterprozess zu Magnetblechen weiterverarbeitet werden können.
Die Blechstärke ist entscheidend
In elektrischen Antrieben entstehen bei der Energiewandlung neben Wärmeverlusten maßgebliche Eisenverluste, die überwiegend im Stator auftreten. Die Eisenverluste werden derzeit durch den Einsatz von Eisen-Silizium-Elektroblechen reduziert. Diese konventionellen Elektrobleche werden in aufwändigen mehrstufigen Umform- und Wärmebehandlungsprozessen hergestellt und anschließend zu Rotor- bzw. Statorblechpaketen verarbeitet.
Eine weitere Steigerung der Effizienz elektrischer Maschinen kann durch die Reduktion der Blechstärke der Elektrobleche erzielt werden. Je geringer die Blechstärke desto geringer werden die Wirbelstromverluste, die bei mittleren und hohen Frequenzen den Hauptbestandteil der Eisenverluste darstellen. Bei konventionellen Elektroblechen ist die Minimaldicke der Bleche durch die Prozessschritte Kaltwalzen und Stanzen auf etwa 0,2 mm begrenzt. Deshalb ist eine weitere Reduzierung der Wirbelstromverluste nicht möglich. Weiterhin fallen bei der Formgebung der Elektroblechlamellen Materialverschnitte von bis zu 50 % an, sodass ein Großteil des unbenutzten teuren Materials erneut thermisch und prozesstechnisch aufbereitet werden muss. Das alternative Siebdruck-Verfahren ermöglicht jedoch, die Blechstärke weiter zu reduzieren.
Vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert
Dieser Ansatz der Forschungsgruppe Elektromotorenproduktion (EMP) aus Erlangen-Nürnberg wird im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert und gemeinsam mit industriellen und wissenschaftlichen Partnern durchgeführt.
Der WGP-Lehrstuhl FAPS der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg beteiligt sich in diesem Projekt schwerpunktmäßig mit der Fragestellung zur Weiterverarbeitung der endkonturnah gesinterten Magnetbleche. Diese werden mit einer Isolationsschicht beaufschlagt und zu Blechpaketen weiterverarbeitet. Untersucht werden sowohl verschiedene geeignete Isolationsmaterialien als auch potenzielle Applikationsverfahren. Da die gedruckten Elektrobleche nach dem Sintern bereits als Endkontur vorliegen, stellt dies neue Herausforderungen an die Applikation von Klebe- und Isolationsprozessen. Ziel ist es, sowohl den Klebe- als auch den Isolationsprozess in einem Schritt abzubilden sowie die Applikation und das Paketieren selbst automatisiert und in möglichst effizienten Taktzeiten durchzuführen.
Ein Demonstrator ist in Vorbereitung
Die WGP-Forschenden entwickeln ein entsprechendes Applikationskonzept, bei dem ein ganzes Statorsegment aus gedruckten Einzelblechen beschichtet werden kann. Dazu werden Elektrobleche durch ein einstellbares Magnetfeld aufgefächert und mittels einer verfahrbaren Tellerdüse vollflächig beschichtet. Anschließend kann das Blechpaket in der Anlage verpresst und als Segment entnommen werden. Darüber hinaus wird in der Forschungsgruppe EMP ein Industrialisierungskonzept ausgearbeitet, in dem Energie- und Materialwertströme der Technologie vom Labormaßstab bis hin zur industriellen Serienproduktion abgebildet werden. Damit soll der Primärenergiebedarf des neuartigen Herstellprozesses analysiert und optimiert werden.
Das Projekt wird von der zentralen Technologie der Siemens AG koordiniert, die auch den Demonstrator aus gedruckten Magnetblechen aufbauen wird. Die Siemens AG verantwortet sowohl die Erforschung und kontinuierliche Entwicklung des Siebdruckprozesses als auch die thermische Prozessierung und magnetische sowie metallurgische Prüfung der Magnetbleche sowie die Anwendung in einem Prototyp im Vordergrund. Das Fraunhofer Institut IFAM aus Dresden entwickelt Pasten und optimiert den Siebdruck der Einzelbleche. Die Firma EKRA aus Bönnigheim entwickelt eine hochproduktive Fertigungsanlage zur Prozessskalierung. Das Unternehmen MUT aus Jena konzipiert den Wärmebehandlungsprozess, und die Optonic GmbH aus Freiburg integriert optische Inspektionssysteme zur Qualitätssicherung.
Das Projekt befindet sich im letzten Halbjahr seiner Laufzeit und die Voraussetzungen für eine Skalierung der Produktion im industriellen Maßstab werden geschaffen. Geeignete Isolationsmaterialien für die endkonturnahen Magnetblech konnten definiert und die notwendigen Herstellprozesse und Anlagen entwickelt werden. Die abschließenden Arbeiten konzentrieren sich nun auf den Aufbau und Test des Mustermotors sowie die finale Beschreibung des Industrialisierungskonzepts. Es wird eine Skalierung der Anlagentechnik angestrebt, mit der (Klein-)Serien gefertigt werden können. Ab 2030 sollen Kleinserien dann marktreif sein.
Beitragsbild: Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Nico Wieprecht, prüft die Auffächereinheit der am Lehrstuhl FAPS entwickelten Anlage zur Beschichtung von gedruckten Elektroblechen. | Quelle: Lehrstuhl FAPS der FAU Erlangen-Nürnberg
Förderer
7. Energieforschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Fördernummer 03EN4013 (EffiBlech)
Ansprechpartner
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Leibniz Universität Hannover
Prof. Jörg Franke
Lehrstuhlinhaber
Tel.: +49 9131 85 27569
E-Mail: joerg.franke@fau.de
Marcel Baader
Forschungsbereichsleiter Elektromotorenproduktion
Tel.: +49 162 1024 819
E-Mail: marcel.baader@faps.fau.de
Alexander Schmidt
Ansprechpartner Effiblech
Tel.: +49 173 6074 614
E-Mail: alexander.schmidt@faps.fau.de
Nico Wieprecht
Ansprechpartner Effiblech
Tel.: +49 173 2177 358
E-Mail: nico.wieprecht@faps.fau.de
Downloads:
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Nico Wieprecht, prüft die Auffächereinheit der am Lehrstuhl FAPS entwickelten Anlage zur Beschichtung von gedruckten Elektroblechen. | Quelle: Lehrstuhl FAPS der FAU Erlangen-Nürnberg