Effizientere Elektroantriebe durch eine neue Verfahrenskombination zur Feinstbearbeitung
Autoren: Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Sebastian Goeke, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Schmitz
Der im Vergleich zum Verbrennungsmotor konzeptbedingte hohe Wirkungsgrad eines Elektromotors bietet Optimierungspotenziale durch eine neue Verfahrenskombination aus mechanischer Feinbearbeitung und einem finalen Laser-Oberflächenfinish. Vor dem Hintergrund begrenzter Batteriekapazitäten ermöglicht jegliche Reduzierung von Leistungsverlusten einen erheblichen Mehrgewinn in Form einer höheren Kilometerlaufleistung. Die Größe des Luftspalts zwischen Stator und Rotor ist entscheidend für die Ausprägung und Stärke des magnetischen Felds, das zwischen den beiden Oberflächen entsteht. Die durch den Luftspalt erzeugte Reduzierung der magnetischen Flussdichte wirkt sich direkt auf den Wirkungsgrad des Elektromotors aus.
Die Statoren der Elektromotoren bestehen aus Paketen von Blechstreifen, die aus einem vergleichsweise weichen Eisen (Stahl) gestanzt werden. Die Fertigungstoleranzen beim Stanzen sowie bei der Montage der sogenannten Elektrobleche führen zu Form- und Lagetoleranzen des Stators. Insbesondere die Abweichungen beim inneren Zylinder des Stators, in dem der Rotor laufen soll, wirken sich direkt auf den Luftspalt zwischen Rotor und Stator aus. Damit ergibt sich ein direkter Einfluss auf den Wirkungsgrad des Elektromotors.
Die Thielenhaus Technologies GmbH hat eine Prozesskombination zur Feinstbearbeitung der Statorbohrung entwickelt, um diese fertigungsbedingten Form- und Lageabweichungen zu reduzieren. Wie in Abbildung 1 dargestellt werden die Statoren zunächst mit einem Innenrundschleifprozess bearbeitet, an den sich eine Weiterbearbeitung durch einen Laserreinigungsprozess anschließt.
Abbildung 1: (a) Stator des Elektromotors, (b) Innenschleifprozess, (c) Laserreinigungsprozess
Die Innenzylinder der untersuchten Statoren zeichnen sich im Ausgangszustand durch einen Zylindrizitätsfehler von bis zu 0,1 mm bei einem Rundlauffehler von 0,15 mm bezogen auf die Anlagefläche zum Statorgehäuse aus. Diese Formfehler müssen bei der Auslegung des Luftspalts berücksichtigt werden, um einen direkten Kontakt zwischen Stator und Rotor zu vermeiden. Zusätzlich ist die Verschiebung der Bohrungsachse zu berücksichtigen, die bei den Statoren bis zu 0,16 mm beträgt.
Anhand dieser Größenordnungen wird klar, dass eine ausschließliche Verbesserung der Oberfläche nicht ausreichend ist, um den Luftspalt signifikant zu reduzieren. Daher wurde im ersten Schritt der Prozesskombination durch den Innenschleifprozess ein neues Zentrum der inneren Bohrung generiert
sowie der Formfehler durch die zueinander teilweise verschobenen Blechpakete reduziert. Durch geringe Zustellungen von wenigen Mikrometern pro Überlauf wurde insgesamt ein radiales Aufmaß von 0,08 bis 0,1 mm in Abhängigkeit der Form- und Lagefehler des Ausgangszustands abgetragen. Die geringe Zustellung wurde bewusst gewählt, um auch bei einer Trockenbearbeitung beherrschbare Prozesstemperaturen zu generieren und einen thermischen Verzug des Stators zu vermeiden. Wie in Abbildung 2 dargestellt können durch den Innenschleifprozess die Formabweichungen auf einen Zylindrizitätsfehler von weniger als 0,03 mm und einen Rundlauffehler kleiner 0,04 mm reduziert werden. Die Statoren waren sowohl während der Bearbeitung als auch beim Messen der Form- und Lageabweichungen in einem Zustand gespannt, der dem des späteren Einbaus entspricht.
Abbildung 2: (a) Messaufbau für die Formmessung, (b) Zylinderform des Ausgangszustands, (c) geschliffene Zylinderform
Die Vorteile des Schleifprozesses bezüglich der resultierenden Form- und Lagetoleranzen gehen allerdings mit einem Materialübertrag zwischen den einzelnen Elektroblechen einher. Das duktile Material der Elektrobleche wird nicht vollständig abgetragen, sondern zu einem geringen Teil verformt und auf die jeweils benachbarten Bleche übertragen. Die daraus resultierende Verbindung der Bleche untereinander ist wiederum nachteilig für die Effizienz des Elektromotors.
Die Aufgabe des zweiten Teils der Prozesskette bestand darin die Spalte zwischen den Elektroblechen wieder frei zu legen ohne die erzielte Form der Innenbohrung zu beeinträchtigen. Da mechanische Bearbeitungsverfahren Prinzip bedingt eine weitere mehr oder minder stark ausgeprägte Verformung des Materials zur Folge haben, wurde für den Abtrag des verformten Materials in der oberflächennahen Randzone ein Laserreinigungsprozess eingesetzt. Dieser Prozess ermöglicht bei angepasster Leistung ein Verdampfen des Materials der oberflächennahen Randzone. Dabei werden lediglich wenige Mikrometer abgetragen. Auf diese Weise können wie in Abbildung 3 dargestellt die Spalte zwischen den Elektroblechen wieder freigelegt werden, so dass die Funktion des Elektromotors nicht beeinträchtigt ist. Von entscheidender Bedeutung ist die Leistung und Einwirkzeit des Lasers. Zu große Leistungen führen auch bei geringer Einwirkzeit zu einer thermischen Schädigung des randzonennahen Werkstoffgefüges, während eine zu geringe Leistung unzureichend für den Abtrag des verformten Materials zwischen den Elektroblechen ist. Die besten Ergebnisse ließen sich durch einen zweifachen Überlauf mit zunächst hoher Leistung und einem anschließenden Schlichtvorgang mit reduzierter Leistung erzielen.
Durch die geringe Zustellung beim Innenschleifen ergeben sich im Vergleich zum folgenden Laserprozess wesentlich höhere Prozesszeiten. Während der Schleifprozess in den Versuchen bis zu 5 min beansprucht hat, konnte der folgende Reinigungsprozess in weniger als 30 Sekunden durchgeführt werden.
Um die beschriebene Prozesskette unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Prozesszeiten wirtschaftlich bei geringsten Taktzeiten abbilden zu können, eignet sich die von Thielenhaus etablierte MicroStar-Plattform mit Rundtaktprinzip. Auf bis zu 7 Stationen können abhängig von den Anforderungen mehrere Schleifprozesse mit angepassten Werkzeugen nacheinander durchgeführt werden, wobei sich das gesamte Aufmaß flexibel unter den Stationen aufteilen lässt. Dies ermöglicht eine an die Ausgangssituation optimal angepasste Bearbeitungsstrategie. Das abschließende Freilegen der Spalte zwischen den Elektroblechen durch die Laserreinigung wird ebenfalls in die Maschine nach den Schleifprozessen integriert, um einen einbaufertigen Stator zu erhalten.
Abbildung 3: Oberflächentopographie (a) im Ausgangszustand, (b) nach dem Schleifen, (c) nach der Laserreinigung