antriebstechnik 6/2021

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG FUNKTIONSOPTIMIERTE AM-GESTALTUNG EINES E-ROTORS Die Additive Fertigung bietet ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die wirtschaftliche Nutzung von konventionell schwer zu verarbeitenden Materialien. Diese Merkmale ermöglichen neuartige Lösungsansätze bei Funktionsbauteilen in fast allen Anwendungsbereichen. Dieses Potential kann auch im Elektromaschinenbau genutzt werden. Am Bespiel des Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) lassen sich die Herausforderungen und Möglichkeiten exemplarisch beschreiben. EINLEITUNG Die Anforderungen an Bauteile und Produkte werden immer umfangreicher. Die zunehmende Komplexität der einzelnen Bauteile und die steigende Funktionsdichte erfordern auch bei den Fertigungsverfahren kontinuierliche Weiterentwicklungen. Die Herstellung eines Bauteils erfolgt bei den gängigen Additiven Fertigungsverfahren (AM; engl. Additiv Manufacturing) durch die schichtweise Hinzugabe von Material, jedoch ohne ein spezielles formgebendes Werkzeug. Damit hebt sich diese Verfahrensgruppe von konventionellen Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen und Gießen ab. Das für die Fertigung notwendige 3D-CAD-Bauteilmodell wird softwaregestützt in endlich viele zweidimensionale Schichten unterteilt. Im Fertigungsprozess werden die Schichten nacheinander erzeugt und ergeben zusammen das dreidimensionale Bauteil [GRS10, Geb13, Zäh06]. Dieser Prozessablauf ermöglicht die Herstellung komplexer dreidimensionaler Geometrien und stellt einen wesentlichen Vorteil dar [GRS10, Geb11]. Je höher die geometrische Komplexität des Bauteils ist, desto schwerer wiegen die Vorteile der additiven gegenüber der konventionellen Fertigung [GRS10], wobei auch hier konstruktive Fertigungsgrenzen zu beachten sind [ZA13, Ada15, AZ14, KG05, Bon00]. In diesem Beitrag werden Potentiale und Herausforderungen im Bereich des Elektromaschinenbaus am Beispiel des Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) aufgezeigt. Dazu werden das Vorgehen und die Ergebnisse der Material- und Parameterentwicklung betrachtet, die als Grundlage der 01 Schematisches Vorgehen bei der Rotorgestaltung Additiven Fertigung im Laserstrahl-Schmelz-Verfahren notwendig sind. Zudem werden konstruktive Aspekte und Potentiale betrachtet, die sich bei der Rotorgestaltung ergeben. Für die Anwendung von AM im Bereich des Elektromaschinenbaus wurden in [GGA+15, LAS+16, LRB+13, TKB+19, UML+18, UP18, UPT18, HUP19, WE19, UKP+20] bereits erste Untersuchungen durchgeführt. Diese Forschungsprojekte zeigten bereits das hohe Potential von AM im Elektromaschinenbau auf. Gleichwohl befinden sich die Technologien in diesem Anwendungsbereich weiterhin in einem relativ frühen Stadium der Erforschung. Wichtige Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit und die relative magnetische Permeabilität des additiv verarbeiteten Materials oder der Einfluss einer für die AM optimierten Gestalt auf die magnetische Flussführung sind bis dato nicht ausführlich untersucht worden. Für die Anwendung im Elektromaschinenbau ergeben sich durch AM völlig neue Möglichkeiten zur Gestaltung elektrischer Maschinen. Die Beschränkung auf den zweidimensionalen Blechschnitt, auf Basis dessen konventionell gefertigte elektrischen Maschinen meist dimensioniert werden, entfällt. Dadurch lässt sich nahezu jede beliebige dreidimensionale Struktur realisieren, um beispielsweise den magnetischen Fluss dreidimensional zu führen oder den Leichtbaugrad zu erhöhen. Dies kann durch die Substitution von Teilbereichen eines Bauteils mit hoher Materialkonzentration durch zelluläre Strukturen oder Hohlräume erreicht werden [LAS+16]. Die Herstellung solcher Strukturen ist mit konventionellen Methoden nur schwer oder gar nicht zu verwirklichen, sodass erst die additiven Verfahren eine wirtschaftliche Umsetzung derartiger Konzepte möglich machen [GRS10, ESK+11]. Der Fokus dieses Beitrags liegt auf der additiven Herstellung eines Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) mit dem Laser-Strahlschmelzen (engl. Laser Beam Melting, LBM). LBM ist ein im AM-Bereich relativ verbreitetes pulverbett-basiertes Verfahren, bei dem der metallische Ausgangswerkstoff in Pulverform vorliegt [Buc10, MWG10]. Bei der Entwicklung von Bauteilen, die additiv gefertigt werden sollen, ergeben sich besondere Herausforderungen. Insbesondere bei neuen Anwendungsfeldern ist der interdisziplinäre Austausch und ein iteratives Vorgehen von besonderer Bedeutung. In Bild 01 ist dies in drei wesentlichen Phasen gegliedert, wobei die einzelnen Phasen nicht als eigenständiger Block zu sehen sind, sondern stets im Austausch stehen und einander beeinflussen. Zwar ist diese Situation nicht nur im Bereich der AM zu finden, durch die prozessspezifischen Besonderheiten ist jedoch ein entsprechend angepasstes, methodisch Vorgehen erforderlich. Zunächst müssen geeignete Materialien identifiziert und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet werden. Da der LBM-Prozess die Materialeigenschaften in hohem Maße beeinflusst und steuerbar 36 antriebstechnik 2021/06 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG macht, sind material- und anlagenspezifische Fertigungsparameter zu entwickeln. Diese beeinflussen neben der Dichte auch die Mikrostruktur, die mechanischen und magnetischen Eigenschaften sowie weitere Bauteileigenschaften, wie Oberflächenqualität, Eigenspannungen oder Verzug [Reh10, KFV+04, OCD15]. Eine nachträgliche Wärmebehandlung (WB), die eine gezielte Veränderung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften sowie den Abbau von Eigenspannungen ermöglicht, wird daher ebenfalls betrachtet [BNM13, TLR+12, VTK+12]. Daher sind Anforderungen, die sich aus der Funktion und der damit verbundenen konstruktiven Umsetzung ergeben, bereits bei der Parameterentwicklung zu berücksichtigen. Bei der Gestaltung werden die Anforderungen der elektromagnetischen und der mechanischen Funktion berücksichtigt. Da in diesem Zusammenhang der Fertigungsprozess die Gestaltungsmöglichkeiten auch in der AM einschränkt, sind die Grenzen in Form von Konstruktionsrichtlinien festzuhalten. Diese dienen als Grundlage und erlauben frühzeitige Abschätzungen zur Fertigbarkeit des Rotors. Der AM-Prozess ist dabei als ein Abschnitt in der Herstellung von Bauteilen zu sehen. Notwendige Folgeprozesse und die damit verbundenen Anforderungen an den Rotor sind bereits bei der Gestaltung zu berücksichtigen. Nach der Materialentwicklung und der Identifikation der Fertigungsgrenzen in Form von Konstruktionsrichtlinien erfolgt die Betrachtung der elektromagnetischen und mechanischen Rotorfunktion (Bild 01). Die Führung des magnetischen Flusses im weichmagnetischen Aktivteil des Rotors ist für die Grundfunktion, die Wandlung von elektrischer in mechanischer Energie, entscheidend. Hinzu kommt die vorteilhafte Beeinflussung der Kraft- und Drehmomentleitung unter Berücksichtigung dynamischer Einflüsse. Diese beiden Kernfunktionen, die Führung des magnetischen Flusses zur Energiewandlung und die Führung der mechanischen Kräfte, können nur umgesetzt werden, wenn ein Werkstoff vorhanden ist, der die jeweiligen Anforderungen der beiden Hauptfunktionen erfüllt und prozesssicher im LBM-Prozess verarbeitet werden kann. Um die vorhandenen Potentiale zu nutzen, muss ein interdisziplinärer Entwicklungsprozess durchlaufen werden. Einige dafür wesentliche Abschnitte werden im Folgenden exemplarisch betrachtet. MATERIALENTWICKLUNG Bei der Werkstoffauswahl zur Realisierung weichmagnetischer Komponenten für Elektromotoren wurden die in der Industrie relevanten Werkstoffkonzepte betrachtet und etwaige Potentiale durch AM analysiert. Industriell gefertigte Elektromaschinen können in zwei Bereiche unterteilt werden: Im Hochleistungsbereich werden Elektrobleche aus Eisen-Kobalt-Legierungen mit einem Kobaltanteil von ≈ 50 % verwendet. Im Massenmarkt überwiegen Elektrobleche aus Eisen-Silizium-Legierungen, mit einem Siliziumanteil von 1,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% [KBC+16]. Zur Reduktion der Wirbelstromverluste, die durch magnetische Wechselfelder entstehen, werden die Elektrobleche „gestapelt“. Da die Blechstrukturen mittels LBM aktuell nicht gefertigt werden können, liegt der Fokus auf dem Einfluss der Wirbelströme und den damit verbundenen Verlusten. Zum Vergleich der erreichbaren magnetischen und mechanischen Eigenschaften von geblechten und mittels LBM hergestellten Elektromaschinen wurden die Eisenlegierungen FeSi2.9 und FeCo50 ausgewählt. Als weiterer Werkstoff wird die Legierung FeSi6.5 betrachtet, welche erfahrungsgemäß die höchste Permeabilität im Zweistoffsystem Eisen-Silizium aufweist, aber aufgrund zunehmender Versprödung nicht mittels Walzverfahren hergestellt werden kann. Diese soll das Potential von weichmagnetischen Werkstoffen, die mittels LBM verarbeitet werden, aufzeigen [BSJ+08, LF92]. 02 Prüfkörper zu Ermittlung der relativen Dichte der Legierungen FeCo50 (a), FeSi2.9 (b), FeSi6.5 (c) 03 EBSD-Messungen an wärmebehandelten Würfelproben 04 Vergleich der Neukurven von FeSi2.9 und FeSi6.5 im Ausgangszustand (AB) sowie im wärmebehandelten Zustand (WB), interpoliert für 0 Hz Für jede der drei oben genannten Legierungen wurden zunächst Parameterstudien durchgeführt. Hierzu wurden Würfel mit den Abmessungen 10×10×10 mm³ mit einer Parameterschar gefertigt, bei der Laserenergie, Lasergeschwindigkeit und Spurbreitenabstand variiert wurden. Die Würfel wurden in Baurichtung geschliffen und mit einem Digitalmikroskop (Keyence VHX5000) hinsichtlich ihrer Porosität untersucht. Bild 02 zeigt exemplarische Schliffbilder ausgewählter Parametersätze. Es wurden für alle Legierungen relative Dichten von über 99,9 % erreicht. Zur Bestimmung der relevanten mechanischen Kennwerte (Streckgrenze, Bruchdehnung, E-Modul, Zugfestigkeit) wurden Zugproben sowie zur Messung der elektromagnetischen Eigen- www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/06 37