KMU-innovativ Optimierung elektrischer Maschinen durch die gezielte Materialbeeinflussung von nichtkornorientiertem Elektroblech (OPTIMIST)

Problemstellung
Bei der Fertigung von Elektroblechen für Elektromotoren wird in aufwändigen Walz- und Glühprozessen das Material auf ein möglichst ideales magnetisches Verhalten sowie auf eine hohe Homogenität der magnetischen und mechanischen Eigenschaften hin optimiert. Die Materialien bestehen fast ausschließlich aus Eisen und enthalten mit Ausnahme von Silizium quasi keine Zuschlagstoffe, was begrenzte Festigkeitswerte zur Folge hat. Allerdings zeigen Simulationen, dass Elektromotoren verbessert werden könnten, indem man örtlich magnetische und mechanische Inhomogenitäten im Elektroblech berücksichtigt. Es erscheint also vorteilhaft an definierten Stellen bewusst eine Materialveränderung herbeizuführen, bei der sich zum Beispiel die magnetische Leitfähigkeit verringert und im Gegenzug die Festigkeit steigt. Beim Design elektrischer Maschinen könnte so eine gezielte Kompromissbildung für die gesamte Struktur des weichmagnetischen Materials realisiert werden. Dies bietet Potenzial sowohl zur Einsparung von Material, beispielsweise seltene Erden für Permanentmagneten, als auch zur Leistungssteigerung von Motoren.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projektes OPTIMIST ist die Entwicklung von Prozessen zur gezielten lokalen Beeinflussung der ferromagnetischen Eigenschaften und der Materialfestigkeit von Elektroblechen durch Laserbehandlung. Die so eingebrachten Inhomogenitäten dienen dazu, den magnetischen Fluss vorteilhaft zu lenken, Streuflussanteile zu reduzieren und an mechanisch besonders beanspruchten Strukturen die Festigkeit zu erhöhen.

Vorgehensweise
Die theoretischen und simulatorischen Überlegungen sollen innerhalb des Vorhabens prototypisch in der realen Fertigungskette umgesetzt werden. Zunächst werden aktuelle Trends bei der Motorenentwicklung erfasst und eine Übersicht über die derzeit verwendeten Bleche geschaffen. So soll die Übertragbarkeit auf verschiedenste Elektroblechmaterialien gewährleistet werden. Nach dem Entwurf von vereinfachten Probekörpern werden die Technologien zur Materialgefügeveränderung ausgewählt und Vorrichtungen für die gezielte lokale Behandlung der Bleche gebaut. Die Materialeigenschaften der behandelten Probekörper werden analysiert und so die Prozessparameter ermittelt. Mit Hilfe der Erkenntnisse wird das Referenzdesign einer optimierten Maschine erstellt und die entsprechenden Motorenkomponenten gefertigt.

Ergebnisse und Anwendungspotentzial
Bei erfolgreicher Umsetzung des Projekts wird es erstmals möglich sein, gezielt berechnete Blechpakete mit definierten Inhomogenitäten zu fertigen. Damit erhalten Entwickler ein Werkzeug, verbesserte Elektromotoren zu modellieren und zu bauen. Angesichts der zunehmenden Elektrifizierung des Alltags und dem damit verbundenen steigenden Bedarf an Transformatoren und Elektromotoren liegt in dem Verfahren enormes Potenzial für die Einsparung von Energie und Material.

• Technische Universität Ilmenau
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