Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Innovative Leichtbau- und Kühlkonzepte für elektrische Maschinen durch additive Fertigung (ILuKadd3D)

Additive Fertigungsverfahren, die häufig auch als 3D-Druck-Verfahren oder generative Fertigungsverfahren bezeichnet werden, weisen ein hohes wirtschaftliches und technisches Potential auf. So lassen sich nicht nur werkzeuglos geringe Stückzahlen komplex gestalteter Komponenten realisieren sondern auch weitere Funktionen montagelos in Komponenten integrieren. Die Fertigung erfolgt dabei schichtweise direkt aus den 3D-CAD Daten. Aus diesen Gründen wird den additiven Fertigungsverfahren nachgesagt die nächste industrielle Revolution zu begründen.

Trotz ihrer Brisanz findet die additive Fertigung vornehmlich in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Medizintechnik Anwendung und etabliert sich nur langsam in weiteren Branchen. Um die Vorteile der additiven Fertigung, wie ein hohes Leichtbaupotential oder die kostenneutrale Herstellung komplexer Strukturen mit innenliegenden Kanälen auch dem Elektromaschinenbau nahe zu bringen, sind innovative Produktkonzepte zu identifizieren und anwendbar zu machen.

Ziel des Vorhabens ist die erfolgreiche Implementierung der additiven Fertigung im Elektromaschinenbau. Dies geschieht durch die Identifikation innovativer Kühl- und Leichtbaukonzepte innerhalb von Motorkomponenten. Diese additiv herzustellenden Motorkomponenten werden fertigungsgerecht gestaltet und hinsichtlich Ihres Kühl- und Leichtbaupotentials optimiert. Zur wissenschaftlichen Fundierung werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt und numerische Simulationsmodelle erstellt, um die optimierten Kühl- und Leichtbaueigenschaften quantifizieren zu können. Die experimentell und numerisch ermittelten Ergebnisse werden durch einen Motordemonstrator validiert. Die gewonnenen Ergebnisse des Vorhabens werden Unternehmen, vor allem auch KMU`s zur Verfügung gestellt, um diesen die Möglichkeit zu geben innovative Produkte zu entwickeln und neue Märkte mit Hilfe der additiven Fertigung zu erschließen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des hier durchgeführten Forschungsvorhabens wurden die Vorteile des additiven Fertigungsverfahrens ausgenutzt, um innovative Leichtbau- und Kühlstrukturen in dem Rotor und Gehäuse eines PMSM umzusetzen. Hierzu wurde für das Gehäuse ein Konzept aus sich überschneidenden sinusförmigen Kühlkanälen entwickelt, welches einen deutlich geringeren Druckverlust und gleichzeitig eine höhere Wärmeabfuhr, als die konventionelle Kühlstruktur, aufweist. Zusätzlich wurde im Rotor eine Kühlstruktur zur Fliehkraft angeregten Luftumwälzung integriert. Hierbei wird die im Rotor erwärmte Luft an den Stirnseiten des Gehäuses umlenkt, an denen die Wärme durch wassergekühlten Statorschaufeln an das Kühlsystem abgegeben wird. Zur Gewichtsreduktion wurden Waben- und Fachwerkstrukturen verwendet, welche durch FEM Untersuchungen an Effektdemonstratoren erprobt und anschließend in das Funktionsmuster übertragen wurden. Aus elektromagnetischer Perspektive galt es sicherzustellen, dass keine negativen Effekte auf die Motoreigenschaften durch die integrierten Leichtbau- und Kühlstrukturen zustande kommen. Für die verwendeten Legierungen, FeSi3 und AlSi10Mg wurden Untersuchungen zur Festigkeitssteigerung sowie zum elektromagnetischen Flussführungsverhalten durchgeführt, um die werkstofflichen Grenzen vollumfänglich auszunutzen.

Durch die im Rahmen des Forschungsvorhabens erzielten Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens für die Auslegung von Gehäusekomponenten deutliche Vorteile hinsichtlich der Kühlleistung und der Gewichtseinsparung ermöglicht. Auch bei der Umsetzung eines PMSM Rotors konnten die Gewichte und Massenträgheitsmomente deutlich reduziert werden. Die konventionell geblechte Struktur zur Wirbelstromunterdrückung konnte erfolgreich durch eine Oberflächenschlitzung ersetzt werden. Lediglich bei der induzierten Spannung wurden nicht die gewünschten Werte erreicht, was auf eine Aufsummierung von Abweichungen zurückzuführen ist.