Weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe

Elektromobilität: Weichmagnetische Verbundwerkstoffe ermöglichen in den Antrieben und Generatoren für Elektro- oder Hybridfahrzeuge höhere Arbeitsfrequenzen bei einer dreidimensionalen Magnetflussführung. Neue Motorentechnologien lassen sich entwickeln

PMG_Transversalflussmotor_DYNAX60i
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Mit der Entwicklung im Bereich der Elektromobilität steigt die Bedeutung der optimalen Nutzung von Energieressourcen eines Elektrofahrzeuges durch den Einsatz hocheffizienter Stromabnehmer.
Dabei spielt die Erhöhung der Leistungsdichte (effektive Leistung pro Masse) eingesetzter Elektromotoren eine wesentliche Rolle. Diese kann mit verschiedenen Maßnahmen erreicht werden. Zu den wichtigsten Maßnahmen gehören unter anderem die entsprechende Auswahl der Maschinengeometrie und der optimale Einsatz des weichmagnetischen Werkstoffes für die magnetflussführenden Komponenten des Elektromotors.

 

Verluste
Mit über 95% der produzierten Gesamtjahresmenge weichmagnetischer Werkstoffe nehmen die Stahlbandprodukte (Elektrobleche) den ersten Platz in der Elektromotoren- und Transformatorenfertigung an. Diese im Kaltwalz- und Glühprozess hergestellten Stahlbänder sind verhältnismäßig preiswert, standardisiert und seit vielen Jahren im Elektromaschinenbau bekannt. Dennoch unterliegt der Einsatz von Elektroblechen einigen Einschränkungen. In den aus Elektroblech gebauten elektromagnetischen Komponenten kann die Magnetflussführung, abgesehen von einigen Sonderfällen, nur zweidimensional realisiert werden.

 

Bild 1: Frequenzabhängiges Verlustverhalten ausgewählter Elektrobandsorten und weichmagnetischer Verbundwerkstoffe (SIRON® 5 von PMG Füssen GmbH) bei J = 1 T, gemessen an Proben gleicher Geometrie (Toroidalproben AF=55 mm, IF=45 mm, H=5 mm)

 

Bild 2: Permeabilität weichmagnetischer Werkstoffe bei f =1000Hz ohne Luftspalt (Bild links) und mit 0,6% Luftspalt (Bild rechts) gemäß der Gleichung (2)

 

Des Weiteren ist die Nenndicke des Elektroblechs auf minimal 0,20 mm begrenzt, wobei sporadisch und mit hohem Aufwand auch Elektrobleche in niedrigen Dicken (bis min. 0,10 mm) gefertigt werden. Da die klassischen Wirbelstromverluste gemäß der Gleichung (1) abhängig sind,

(abhängig von der Blechdicke und der Frequenz) ist der Einsatz von Elektroblechen bei hohen Frequenzen mit einem erheblichen Anstieg der so genannten Eisenverluste in den elektrischen Maschinen verbunden.

 

Die weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffe (SMC = Soft Magnetic Composites) wurden speziell für den Einsatz bei hohen Frequenzen entwickelt.

Bild 3: Herstellung weichmagnetischer Komponenten im pulvermetallurgischen Prozess

 

Im Gegensatz zu den laminierten Komponenten bestehen die aus den SMC-Werkstoffen hergestellten Bauteile aus einzelnen, isolierten Eisenpartikeln, die miteinander verbunden sind. Damit weisen diese Bauteile einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Die klassischen Wirbelstromverluste gemäß der Gleichung (1) werden minimalisiert.
Vergleicht man das frequenzabhängige Verhalten der Elektrobleche mit den weichmagnetischen Verbundwerkstoffen so stellt man fest, dass ab einem bestimmten, Sorten- und nenndickenabhängigen Frequenzwert die Gesamtverluste der SMC-Werkstoffe niedriger sind (Bild 1). Bei einem Vergleich mit Elektrobandsorten in den Nenndicken 0,35 mm liegt dieser Wert bei ca. 500 Hz.
Dabei sind die Hystereseverluste der weichmagnetischen Verbundwerkstoffe aufgrund des geringen Anteils des ferromagnetischen Materials (Eisen) sowie aufgrund von Restspannungen nach dem Pressvorgang höher als die Hystereseverluste von Elektroblechen. Dies ist anhand des Schnittpunktes der Kurven mit der PsIf-Achse zu sehen. Für die Auslegung von elektrischen Maschinen wird auch die Magnetisierbarkeit bzw. die relative Permeabilität des Werkstoffs im Arbeitsbereich der Maschine betrachtet. Diese ist bei den weichmagnetischen Verbundwerkstoffen generell niedriger als bei den Elektroblechen. Ob dies jedoch von Bedeutung ist, hängt von dem Luftspalt im magnetischen Kreis sowie vom Anteil der Magnetisierungsverluste (Kupferverluste) in der Gesamtbilanz der Energieverluste ab.
Gemäß der Gleichung:

 

 

ist der Unterschied zwischen den Permeabilitätswerten verschiedener Werkstoffe mit steigender Luftspaltlänge kaum wahrnehmbar (Bild 2).

 

Bild 4: Verkettung der Entwicklungsbereiche zur Optimierung der Statorgeometrie

 

Bild 5: Herstellungsprozess des Transversalflussmotors DYNAX 60i

 

Herstellung
Aus der Fachliteratur ist es bekannt, dass die magnetischen Eigenschaften von Elektroblechen im Fertigungsprozess von Elektromotoren negativ beeinflusst werden [1…5]. Dagegen werden die Komponenten aus weichmagnetischen Werkstoffen im pulvermetallurgischen Prozess endabmessungsnah gefertigt (Bild 3) und müssen vor dem Einbau in die elektrische Maschine in der Regel nicht mehr nachgearbeitet werden. Beim Pressen entsteht, anders als beim Stanzen kein Verschnitt. Dies ermöglicht einen sehr geringen Materialeinsatz.
Im Vergleich mit der limitierten Formgebungsmöglichkeit bei den konventionellen Motorkernen aus Elektroblech können bei den weichmagnetischen Komponenten aus SMC-Werkstoffen komplizierte, dreidimensionale Formen gefertigt werden, zudem können zusätzliche Funktionen wie Positionierstege oder Leitungskanäle im Pressteil integriert werden. Ähnlich komplexe Geometrien können mit Elektroblechen entweder überhaupt nicht oder nur unter erheblichen, umformtechnischen Herausforderungen und der zusätzlichen Voraussetzung zur anschließenden Wärmebehandlung dargestellt werden. Um einen presstechnisch- und elektromagnetisch optimalen Statorring zu entwickeln, ist eine sehr enge Zusammenarbeit von Motorenentwickler, Prozessentwickler und Werkzeugbau erforderlich (Bild 4). Bereits geringe Änderungen der Polgeometrie haben einen erheblichen Einfluss auf Streufluss, Induktivität und Drehmoment der Maschine. Anderseits kann durch die Geometrie die Werkzeugbeanspruchung wie auch die Presskraft angepasst werden.

 

Bild 6: Dreidimensionale Flussführung bei Transversalflussmaschinen

 

Bild 7: Wirkungsgradkennfeld Transversalflussmaschine

 

Bild 8: Statoraufbau einer Transversalflussmaschine Typ DYNAX

 

Tabelle 1: Technische Daten der DYNAX-Baureihe

 

Die oben genannten Eigenschaften der weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffe wurden beispielsweise von der Firma Compact Dynamics genutzt, um den Anwendern aus dem Elektromobilitätsbereich Transversalflussmotoren der Baureihe DYNAX anzubieten. Die Statoren dieser Maschinen werden aus den pulvermetallurgisch hergestellten Ringen gefertigt, vorgefertigte Wicklungen eingelegt, im Kunststoff eingebettet und mit einem Glockenläufer sowie mit der Leistungselektronik versehen (Bild 5).

 

Aufbau
Der Transversalflussmotor beherbergt nur eine Wicklung pro Phase die tangential unterhalb der Pole positioniert ist. Der magnetische Fluss wird um die Wicklung geführt (Bild 6). Diese Anordnung ermöglicht eine Wicklung ohne Wickelköpfe. Da die Wicklung komplett im Stator verlegt ist, wird diese optimal über die Statorringe entwärmt. Durch den Umstand, dass die Wicklung nicht, wie bei konventionellen Motoren, um die Statorpole gelegt wird, gibt es keine Bauraumkongruenz zwischen Statorpolen und Wicklung. Somit kann der Stator mit beliebiger Polpaarzahl und die Wicklung mit nahezu beliebigem Kupferquerschnitt ausgeführt werden. Trotz des simplen Aufbaus lassen sich Maschinen mit hoher Polpaarzahl und geringen Wicklungswiderstand fertigen.
Eine weitere Eigenheit der Transversalflussmaschine ist die Möglichkeit, Wicklungen mit Windungszahl 1 zu fertigen. Dadurch ist dieser Motorentyp besonders für kleine Batteriespannungen von 48 V (Berührungsschutz gem. ECE-R 100) Leistungen von 25kW bei Stern-Schaltung und über 40 kW bei Dreieck-Schaltung. Diese Spannungsklasse entspricht der neuen Bordnetzspannung (LV 148) und ist somit für Hybridantriebe sehr interessant, da die Kosten für die Sicherheitsausrüstung, wie für HV Systeme erforderlich, entfallen.
Aufgrund der dreidimensionalen Flussführung konnten bisher nur Transversalflussmaschinen mit Statorbauteilen vorwiegend aus massivem Eisenmaterial gefertigt werden, da der dreidimensionale Fluss einen geblechten Aufbau verbietet. Dadurch entstehen bei höheren Drehzahlen hohe Eisenverluste (siehe Gleichung 1). Deshalb war dieser Maschinentyp bisher vorwiegend als Torquemotor bekannt. Durch moderne SMC Werkstoffe können diese hochpoligen Motoren nun auch bei sehr hohen Frequenzen und in einem großen Leistungsbereich mit hoher Effizienz betrieben werden (Bild 7).
Die Bauweise dieser Maschinen ist denkbar einfach. So besteht ein Stator einer dreiphasigen Maschine aus sechs SMC -Ringen und drei Tangentialwicklungen die auf einen tiefgezogenen Statorträger befestigt werden. Drei Enden der Wicklungen werden zum Sternpunkt verbunden, die drei verbleibenden Wicklungsenden werden direkt mit der Leistungselektronik verbunden. Eine Zusammenschaltung von Einzelwicklungen entfällt. Die wenigen Bauteile wie auch die geringe Anzahl an Fertigungsprozessen ermöglichen eine einfache Fertigung und eine gute Automatisierbarkeit (Bild 8).
Die Elektromotoren der DYNAX-Baureihe sind sowohl für den Einsatz als Antriebe in leichten Elektrofahrzeugen wie auch als Generatoreinheiten für die so genannten Range Extender in verschiedenen Spannungsbereichen: 48V, 120V und 400V, geeignet In Verbindung mit leichten Otto- oder Dieselmotoren können so Range Extender mit bis zu 40 kW Leistung dargestellt werden.
Die technischen Daten der DYNAX-Motoren stellt die Tabelle 1 dar.

 

Resümee
Mit den weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen sind komplexe Bauformen realisierbar. So eignen sich diese Werkstoffe nicht nur für den Einsatz in den Transversalflussmaschinen sondern auch in Axialflussmaschinen und allen elektrischen Aktuatoren, bei denen die geometrischen Formen mit den üblichen Werkstoffen nicht darstellbar sind. In Verbindung mit niedrigen Ummagnetisierungsverlusten bei erhöhten Frequenzen können so Elektromotoren mit geringer Baugröße und mit geringem Gewicht bei einer gleichzeitig hohen Leistung gebaut werden.

 

Referenzen
[1] A. Schoppa, „Einfluss der Be- und Verarbeitung auf die magnetischen Eigenschaften
von schlussgeglühtem, nichtkornorientiertem Elektroband“, Dissertation RWTH Aachen, 2001
[2] A. Schoppa, J Schneider, C.D. Wuppermann, T Bakon, „Influence of welding and sticking of laminations on the magnetic properties of non-oriented electrical steels”, 15th Soft Magnetic Materials Conference (SMM), Bilbao, Spain, 2001, in: J. Magn. Magn. Materials, Vol. 254-255 (2003), p. 357-
359.
[3] W Wilczynski , A. Schoppa, J. Schneider, “Influence of the different fabrication steps of magnetic cores on their magnetic properties”, 15th Soft Magnetic Material Conference (SMM) , 13-15.Sept.
2003, Düsseldorf
[4] K. Hameyer, D. van Riesen, F. Henrotte,”About the Modelling of the Magnetic Circuit and the Ferromagnetic Materials in Electrical Machines”, Proceedings of the WMM'2004 (Workshop Metallurgy and Magnetism), Freiberg, Germany, 2004.
[5] H. Harstick, W Riehemann, “Influence of Punching and Tool Wear on the Magnetic Properties of Non-Oriented Electrical Steel, Soft Magnetic Materials Conference SMM21«, Budapest. Hungary, 2013.

 

Autoren:

Dr. Andreas Schoppa, PMG Füssen GmbH, Hiebelerstr. 4, 87629 Füssen
Johann Sontheim, Compact Dynamics GmbH, Moosstr. 9, 82379 Starnberg