Rotoren revolutionieren

Der Bau effizienter Rotoren für die E-Mobilität beginnt mit dem ersten Tropfen Schmelze

Die Nachfrage nach Induktionsmotoren wächst. Knappheit seltener Erden, Klimawandel, Elektrifizierung der Mobilität und andere Trends treiben diese Nachfrage voran. Der herkömmliche industrielle Induktionsmotor weist jedoch Schwächen auf.

Mit seiner Laminar-Druckguss-Technologie steigert der deutsche Rotorenhersteller Wieland eTraction Systems die Leistung von Asynchronmotoren. Unter Beibehaltung der bekannten Vorteile von Asynchronmotoren bieten diese jetzt aus Aluminium und Kupfer gefertigten Rotortypen erhebliche Vorteile in Bezug auf Effizienz und Sicherheit.

Jeder Rotor besteht aus mehreren einzeln gestanzten Elektroblechlamellen, die in einem umlaufenden Gusskäfig gestapelt sind. Dieser Käfig wird typischerweise im Hochdruck-Druckgussverfahren hergestellt. Mit Zykluszeiten von ein bis zwei Minuten lässt sich dieser Prozess hochgradig automatisieren. Aus gusstechnischer Sicht handelt es sich bei Rotoren jedoch um sehr komplexe Gebilde.

Nach dem Einlegen der Blechpakete in das Werkzeug wird die Gießkammer mit geschmolzenem Metall gefüllt. Ein Kolben drückt das flüssige Metall mit hoher Geschwindigkeit in das Gießwerkzeug. In der Form erstarrt die Aluminium- oder Kupferschmelze schnell. Die Industrietechnik erfordert daher kurze Füllzeiten von weniger als 0,1 Sekunden bei Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 50 m/s.

Um dies zu erreichen, setzt die Industrie Punkttore ein. Der Nachteil: Diese Gates füllen nicht alle Slots im Stapel auf einmal. Die Schmelze fließt zunächst durch die Schlitze direkt am Anschnitt, dann in den gegenüberliegenden Ring und füllt schließlich die verbleibenden Schlitze von hinten durch eine sogenannte Hinterfüllung auf. Dadurch können Luft, Prozessgase sowie mit Öl und Oxiden verunreinigte Schmelzfronten nicht entweichen.

Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand kommt es zu einer Volumenverringerung, der sogenannten Erstarrungsschrumpfung. Um diese Schrumpfung auszugleichen, drückt der Kolben weiter, auch nachdem die Form vollständig gefüllt ist. Die Kombination aus eingeschlossenem Gas und Schrumpfung führt zu einer hohen Gesamtporosität. Druckgegossene Rotoren erreichen eine Porosität von bis zu 10 %, was deutlich über der Fünf-Prozent-Toleranz liegt.

Jede einzelne Pore verringert die leitende Fläche, verursacht ein Ungleichgewicht und wirkt sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Rotors aus. Bei einer Porenzentrierung am Übergang vom Schlitz zum Abschlussring ist mit hohen Stromdichten und maximaler mechanischer Beanspruchung durch Zentrifugalkräfte zu rechnen.

Um diese potenziellen Schwachstellen zu reduzieren, beschränken viele Gießereien die Geometrie und reduzieren die Anzahl, Länge und Breite der Schlitze. Alternative Fertigungsverfahren wie maschinelles Bearbeiten oder Schweißen weisen ähnliche Einschränkungen auf. Damit blieb das volle Potenzial der Asynchronmotorentechnik lange Zeit ungenutzt.

Das von Wieland eTraction Systems entwickelte Laminar-Squeeze-Casting-Verfahren ist darauf ausgelegt, Rotoren ohne Porosität zu gießen – sogenannte Zero Porosity Rotors (ZPR). Das patentierte Angusssystem garantiert das gleichzeitige Füllen aller Nuten und neuer Geometrien. Im Gegensatz zur herkömmlichen turbulenten Füllung erfolgt der Füllvorgang aufsteigend und laminar. Der Arbeitsaufwand unterscheidet sich nur geringfügig vom herkömmlichen Guss, was eine kostengünstige Produktion ermöglicht.

Bei geringeren Durchflussraten bleibt das Gussmaterial länger im Anschnitt flüssig und erleichtert so die Nachförderung. Das aktive Thermomanagement steuert den Erstarrungsfortschritt vom laminaren Kern bis hin zu unkritischen Bereichen. Da beim Laminar-Squeeze-Gussverfahren alle Schlitze gleichzeitig gefüllt werden, werden verunreinigte Schmelzefronten in den Überlauf geleitet.

Der Laminar-Squeeze-Casting-Prozess führt zu einer typischen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit um 3–5 %, was dazu beiträgt, die charakteristischen Drehmomentschwankungen deutlich zu reduzieren und die Geräuschentwicklung zu minimieren.

Das Institut für Metallformung der Universität Aachen hat mithilfe der Computertomographie verschiedene Porenstrukturen gescannt. Darüber hinaus wurde das mechanische Verhalten des Materials im Extrembereich simuliert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit einem porositätsfreien Rotor eine Drehzahlsteigerung von ca. 12,5 % technisch möglich ist. Tatsächliche Bersttests bestätigten dieses Verhalten.

Neben der Porengröße ist die Schlitzgeometrie ein wichtiger Faktor, der die Festigkeit des Rotors beeinflusst. Auch das laminare Squeeze-Casting bietet Vorteile, da es komplexe Schlitzgeometrien ermöglicht. Nutgeometrien mit radialen Hinterschneidungen, die den Verbund zum Blechpaket erhöhen, wurden bereits erfolgreich gegossen. Dabei kommen Elektroblechlamellen mit hoher mechanischer Festigkeit zum Einsatz, die optimal an die Fliehkräfte der Kupfernuten angepasst sind.

Bei Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 80 m/s ist es außerdem üblich, in einem zusätzlichen Prozessschritt Verstärkungen wie Kohlefaserhülsen oder Bronzekappen auf den Beschattungsring aufzubringen, um diese hohen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Beim Laminar-Squeeze-Casting lässt sich dieser Schritt aufgrund der gleichmäßigen und gleichmäßigen Füllung direkt in den Gießprozess integrieren. Mit diesem patentierten Verfahren gegossene Rotoren erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 200 m/s, bevor sie platzen.

Peter Szilágyi ist der Geschäftsführer vonWieland eTraction Systems.