Asynchronmotoren vorantreiben

Um den Stromverbrauch und die daraus resultierenden CO2-Emissionen zu reduzieren, ist es notwendig, bekannte und etablierte Konzepte weiter zu optimieren. Gerhard Thumm erzählt, wie Asynchronmotoren effizienter und fortschrittlicher werden können.

Staatliche Vorschriften erfordern in verschiedenen Bereichen immer geringere CO2-Emissionen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss der Gesamtenergieverbrauch kontinuierlich verbessert werden. Hierzu zählen auch Elektromotoren. Ungefähr 38 % des weltweiten Stroms werden von Elektromotoren in Gebäuden und industriellen Anwendungen verbraucht. Ein gängiger Elektromotortyp ist der Dreiphasen-Induktionsmotor. Verbesserungen dieser Art können Effizienz- und Nachhaltigkeitsvorteile bringen.

Asynchronmaschinen (ASM) bestehen aus zwei Komponenten: dem äußeren, feststehenden Stator und dem inneren, rotierenden Rotor. Im Gegensatz zu Permanentmagnet-Synchronmotoren benötigen diese Maschinen keine teuren Seltenerdmaterialien. Daher hat ihr Einsatz in Automobilanwendungen in den letzten Jahren zugenommen. Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Synchronmotor ist die kompakte Größe des ASM. Dadurch ist es ideal für kleine, leichte Maschinen mit wenig Platz für größere Komponenten. Hier kommt einfache Mathematik ins Spiel: Mehr Leistung bei weniger Gewicht zu erzielen, führt zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad.

Besonders hervorzuheben ist das Weiterentwicklungspotenzial dieser Maschine. Eine Möglichkeit, die Umfangsgeschwindigkeit und vor allem die Effizienz zu steigern, ist der Einsatz von Kupferwerkstoffen. Studien haben gezeigt, dass es möglich ist, die Leistung von ASM-Systemen um den Faktor 2 bis 3 zu steigern.

Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde von der Wieland-Gruppe ein neu konzipierter Kurzschlussring bestehend aus segmentierten Endringen entwickelt.

Das Besondere an dieser Konstruktion ist die Tatsache, dass die Beschattungsringe aus mehreren Scheiben bestehen. Diese Scheiben werden von den Formstäben in einer neuen Konfiguration durchstoßen, die das Zusammenschweißen der Käfigbaugruppen ermöglicht. Durch das Verschweißen von Stäben und Scheiben entsteht ein geschlossener Käfig, der ein flexibles Rotordesign ermöglicht, das an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst werden kann und gleichzeitig kostengünstig bleibt.

Dieser hohe Grad an geometrischer Freiheit geht mit einer gewissen Komplexität einher, die nur durch Rückgriff auf die Erfahrungen aus früheren Projekten bewältigt werden kann. Um neuen Anforderungen bestmöglich gerecht zu werden, können die Projektleiter und Ingenieure von Wieland auf einen großen Pool erfolgreich umgesetzter Geometrien zurückgreifen.

Durch die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Materialien im Endring eignet sich dieses neue Design gut für Anwendungen, die hohe Leistungsdichten, hohe Effizienzklassen und hohe Umfangsgeschwindigkeiten erfordern. Zu den Hauptanwendungen gehören Traktionsmaschinen für Automobile und Eisenbahnen sowie Spindelantriebe für Werkzeugmaschinen.

Das robuste Design bietet vielfältige Entwicklungs- und Verbesserungsmöglichkeiten, da allein die Wahl des richtigen Materials einen großen Unterschied in der thermischen und energetischen Leistung ausmachen kann.

Wieland bietet sowohl Rotorkomponenten als auch komplette Rotoren aus Kupfer an. Kupfer hat im Vergleich zu Aluminium eine um etwa 50 % höhere elektrische Leitfähigkeit und bessere mechanische Eigenschaften und verbessert außerdem die Effizienz von ASMs. Daher sind Rotoren aus Kupfer eine Schlüsselkomponente in Hochgeschwindigkeitsmaschinen, bei denen Temperatur, Leistung und Energiedichte entscheidend sind.

Bei den meisten anderen Herstellungsprozessen sind die hohen Temperaturschocks und Temperaturen während des Rotorherstellungsprozesses von entscheidender Bedeutung für die verwendeten Werkzeuge und Käfigkomponenten. Eine thermische Ermüdung von Bauteilen und Werkzeugen ist aufgrund der hohen Temperaturen meist unvermeidbar. Typischerweise ist die Mikrostruktur des Bauteils nach der Herstellung sehr weich, wohingegen die Kurzschlussringe im neuen Design aus mehreren Einzelscheiben zusammengesetzt sind. Nachdem die Formstäbe in den Blechstapel eingeführt wurden, werden die Endringe oben auf dem Blechstapel über den Profilen der Formstäbe montiert. Dieses Design ermöglicht „hybride“ Endringgeometrien. Das heißt, es können verschiedene Kupferwerkstoffe oder Endringe aus Stahl kombiniert werden.

Der Vorteil von ASM besteht darin, dass die Käfige nach etablierten industriellen Methoden hergestellt werden, wodurch jede beliebige Form mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt werden kann. Die Kupferprofile von Hochgeschwindigkeits-ASM-Rotoren können daher an die elektrischen und mechanischen Anforderungen angepasst werden, wodurch feinkörnige und hochleitfähige Mikrostrukturen entstehen.

Der richtige Rotor

Wie in einem früheren Artikel in International Transport Manufacturer über den Zero Porosity Rotor beschrieben, kann dieser Prozess eine Porosität von 0 % gewährleisten. Durch Gussverfahren nach hohen Industriestandards können die Komponenten des gebauten ASM jedoch auch die gleichen Materialeigenschaften aufweisen.

Wieland bietet beide Arten von Rotoren sofort einsatzbereit an, sie unterscheiden sich jedoch in ihrem Einsatzgebiet. Der ZRP-Rotor ist vor allem für den Einsatz im Hochleistungsbereich vorgesehen. Der gebaute Rotor hingegen eignet sich besser für spezifischere Anforderungen, da durch die Montagemethode mehr technischer Raum entsteht und mehr Variationen in Festigkeit und Design möglich sind, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden.

Gerhard Thumm ist Business Development Engineered Products beiWieland Werke.