Der Einsatz federnder Komponenten steigert die Leistungsdichte von Elektromotoren und verbessert die Wiederverwendbarkeit von Komponenten. Hierzu werden im Forschungsvorhaben Roflex neuartige Technologien untersucht.

 

Dezember 2022 – Zur Erreichung hoher Leistungsdichten werden insbesondere bei Antrieben elektrischer Fahrzeuge hohe maximale Drehzahlen (> 20.000 U/min) und der Einsatz von Leichtbaumaterialien angestrebt. Dies erfordert thermische Fügeprozesse und enge Fertigungstoleranzen der Fügepartner, woraus ein erhöhter Energiebedarf, erhöhte Ausschussraten und somit ein gesteigerter CO2-Ausstoß resultieren. Zudem werden bei Permanentmagnetrotoren in der Regel nicht lösbare, thermisch aktivierte Magnetfixierungen eingesetzt, die eine Rückgewinnung seltener Erden verhindern.

 

Branchen- und technologieübergreifender Ansatz

Im Vorhaben Roflex erproben daher Forschende der WGP (Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik) Technologien für die Steigerung der Leistungsdichte von Rotoren elektrischer Antriebe sowie für deren Eignung zur Demontage. In Zusammenarbeit mit der Muhr und Bender KG (Mubea) sowie den assoziierten Partnern Wittenstein und ZF wird am wbk (Institut für Produktionstechnik) in Karlsruhe die Montage und Demontage einer neuartigen Rotorwelle, Wuchtscheibe und Magnetfixierung numerisch und experimentell untersucht. Die beiden weiteren Projektpartner Burkhardt Auswuchttechnik und Koob Testsystems ergänzen die neue Prozesskette um eine Schleuderprüfung sowie magnetische Vermessung der Rotoren. Durch die Berücksichtigung der Produktanforderungen von Asynchron- und permanentmagneterregten Synchronmaschinen (ASM und PSM) wird ein branchen- und technologieübergreifender Transfer der gewonnenen Erkenntnisse sichergestellt. Somit können Projektergebnisse sowohl auf Antriebe für die Elektromobilität (hauptsächlich PSM) als auch für die Industrie (ASM und PSM) übertragen werden.

 

Ressourceneinsparungen bei Produkt und Produktion

Der dreiteilige Aufbau der Rotorwelle ermöglicht durch eine fortlaufend dünne Wandstärke sowie einen höheren Innendurchmesser des Blechpakets produktseitige Gewichtseinsparungen. Diese werden um dünnwandige Wuchtscheiben ergänzt, die durch ihr federndes Verhalten zusätzliche Zugstäbe ersetzen, die zur Erzeugung einer axialen Vorspannung der Blechpakete erforderlich wären.

Mit Blick auf die Produktion können Materialbedarfe reduziert werden, indem über zusätzliche magnetische Messtechnik frühzeitig Ausschuss detektiert wird und zulässige Fertigungstoleranzen gezielt aufgeweitet werden können. Zudem soll ein Auswuchten durch Masseauftrag oder -verlagerung die Menge an Material reduzieren, die für einen konventionell subtraktiven Auswuchtprozess erforderlich ist. Der bisher thermisch unterstützte Fügeprozess der Welle-Nabe-Verbindung kann durch das federnde Verhalten der Rotorwelle durch ein Fügen bei Raumtemperatur ersetzt werden. Die federnde Magnetfixierung erfordert ebenfalls keine thermischen Aushärteprozesse.

 

Recycling Seltener Erden ermöglicht

Gleichzeitig gewährleisten die Rotorwelle und ihre Fügeverbindung mit dem Blechpaket im Betrieb eine hohe Beständigkeit gegenüber Drehzahl und Temperatur, da eine radiale Aufweitung des Blechpakets kompensiert wird. Die Eignung für hohe Drehzahlen steigert zudem die Leistungsdichte des elektrischen Antriebs und reduziert somit die zur Fortbewegung erforderliche Energie. Zum Ende des Lebenszyklus ermöglicht die federnde und somit lösbare Magnetfixierung eine Demontage der Seltenerd-Magnete. Diese können wiederverwendet oder von den restlichen Werkstoffen getrennt in hoher Güte recycelt werden.

Am wbk Institut für Produktionstechnik werden im Forschungsvorhaben bis Ende 2023 Versuchsstände für die Montage sowie die Demontage der drei federnden Komponenten implementiert. Die experimentellen Untersuchungen an den Versuchsständen werden in Kombination mit den parallel entwickelten numerischen Prozessmodellen eingesetzt, um Montage- und Demontageprozesse hinsichtlich Energieeffizienz und Produktivität zu optimieren. Zudem wird ein digitaler Zwilling für die Rotorproduktion entwickelt. Dieser ermöglicht bis Ende 2024 die Reduktion von Ausschussraten durch eine konsistente Datenerfassung sowie eine Quantifizierung erreichter CO2-Einsparungen.

 

Beitragsbild: Neuartige Rotorkomponenten mit federndem Verhalten | Quelle: Mubea


Weitere Informationen


https://www.wbk.kit.edu/wbkintern/Forschung/Projekte/Roflex/index.php

Förderer

  • Förderträger: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
  • Projektträger: Projektträger Jülich

 

Ansprechpartner

wbk Institut für Produktionstechnik
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Prof. Jürgen Fleischer
Institutsleiter
Tel.: +49 721 608 44009
E-Mail: juergen.fleischer@kit.edu

Markus Heim
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Tel.: +49 1523 950 2661
E-Mail: markus.heim@kit.edu


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Neuartige Rotorkomponenten mit federndem Verhalten | Quelle: Mubea

 

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