Gegossene Rotoren für den elektrischen Asynchronmotor
Die vollständige Bauteildurchleuchtung verspricht eine enorme Performance-Steigerung für Elektromotoren. GRAFIK: FRAUNHOFER IFAM / YXLON
VON CHRISTOPH PILLE, BREMEN UND GABRIELE MÄURER, HAMBURG
Die Elektromobilität stellt die Automobilbranche vor viele neue Herausforderungen und neue Komponenten benötigen manchmal auch neue Prüfmethoden, um Funktionalität und Sicherheit zu gewährleisten. Nun ist erstmals der CT-Blick in das Innenleben gegossener Rotoren gelungen.
Die Kenntnis, dass gießtechnischhergestellte Rotoren für elektrische Asynchronmotoren vielfach unter Lunkern und Porosität leiden, ist ebenso alt wie die Technologie zum Gießen von Rotoren selbst. Bei einer sogenannten Asynchronmaschine, wie sie beispielsweise im AUDI e-tron zum Einsatz kommt, wird der Rotor vom elektrischen Feld der Spulen angetrieben und überträgt die im Elektromotor erzeugte Kraft über die Welle auf die Räder. Eine gesicherte Material- und Produktqualität ist entsprechend wichtig, damit das Elektroauto höchste Performance und Fahrspaß bietet. Während im Bereich der Industrieantriebe jahrzehntelang die Kenntnis über Gussfehler in Rotoren akzeptiert war und geringe Leistungsverluste vernachlässigt werden konnten, stellt seitdem rasanten Wachstum in der Elektromobilität der Bereich Automotive deutlich höhere Anforderungen an Qualität und gesicherte Performance. Hier laufen Forschung und Entwicklung auf Hochtouren und Partnerschaften finden Lösungen, die die aktuellen Grenzen des Machbaren deutlich verschieben.
Gegossene Rotoren werden vorzugsweise im Aluminium-Druckgießen hergestellt. Gegossen wird dabei ein zylindrisches Stahlblechpaket mit axial durchgängigen Aussparungen, den elektrischen Nutleitern. Diese werden aus einzelnen, zumeist 0,3 – 0,8 mm dicken gestanzten Elektroblechen gestapelt. Beim Gießen wird zunächst ein stirnseitiger Kurzschlussring an das Blechpaket angegossen, über den anschließend nahezu zeitgleich alle Nutleiter mit Schmelze durchströmt und ausgefüllt werden, die abschließend den gegenüberliegenden zweiten Kurzschlussring füllen.
Aufgrund ihrer hohen Wandstärke neigen die Kurzschlussringe zu erstarrungsbedingten Lunkern, insbesondere der dem Anguss gegenüberliegende Kurzschlussring kann kaum noch über den Anguss nachverdichtet werden. Denn durch die hohen thermischen Verluste beim Durchströmen der vergleichsweise dünnen Nutleiter verliert die Aluminiumschmelze schnell Temperatur und es können sich Vorerstarrungen im Nutleiterbereich innerhalb des Blechpaketes bilden. Nicht zuletzt bedingt das Gießen mit hochreinem „Rotorenaluminium“ in der Qualität 99,5 – 99,7 ein kurzes Erstarrungsintervall, das im Gegensatz von höherlegiertem Aluminium kaum Zeit zur Nachverdichtung und Vermeidung von erstarrungsbedingten Lunkern lässt.
Dieser Beitrag wurde erstmalig veröffentlicht in englischer Sprache bei Inspect International, Subscription Number 247, www.inspect-online.com/en/magazine.
Christoph Pille, Gruppenleiter Gusskomponenten Elektromobilität, Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen und Gabriele Mäurer, Regional Sales Manager & Key Accounts, YXLON International, Hamburg
www.ifam.fraunhofer.de/casting