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Effiziente Hochleistungsmotoren für kleinsten Bauraum

So steigern Rotorbandagen aus CFK den Wirkungsgrad von Elektromotoren

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Aus Erfahrung wissen wir: Entwickler von Hochleistungsmotoren für Elektroautos stehen vor einer enormen Herausforderung. Die E-Mobilität von morgen erfordert effiziente Motoren für höhere Antriebsdynamik und größere Reichweiten. Doch wie kann die Leistungsfähigkeit von Elektromotoren bei teilweise kleinstem Bauraum gesteigert werden? Höhere Drehzahlen sind ein Schlüssel zum Erfolg, bedeuten jedoch eine extreme Belastung für die Bauteile. Ohne eine stabile Rotorbandage wäre ein Maschinendefekt vorprogrammiert. Lesen Sie hier, warum Armierungshülsen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) der Weg zu effizienten Hochleistungsmotoren sind.

Bei sehr hohen Drehzahlen wirken extreme Zentrifugalkräfte auf die verbauten Teile in permanent- oder fremderregten Synchronmotoren. Um unter diesen Bedingungen die Antriebsmagnete zuverlässig am Rotor des Elektromotors zu fixieren, kommen Rotorbandagen zum Einsatz, die häufig aus sehr hochwertigen Stahllegierungen gefertigt sind.

Höchstgeschwindigkeiten bringen Metallbandagen an ihre Grenzen

Sind jedoch Höchstgeschwindigkeiten gefordert, kommen Metallbandagen an ihre Grenzen. Hier ist eine außerordentliche Stabilität gefragt, die aus unserer Sicht nur ein Faserverbundwerkstoff bieten kann. Gegenüber konventionellen Edelstahlbandagen zur Magnetfixierung sind Armierungshülsen aus CFK um ein Vielfaches stabiler und leichter, sodass entsprechend geringere Fliehkräfte auf das System einwirken.

Mehr über die Werkstoffeigenschaften und den kundenindividuellen Herstellungsprozess  unserer Armierungshülsen erfahren Sie im Whitepaper "Armierungshülsen aus CFK".

Die Sache mit dem Luftspalt …

Mit höherer Drehzahl und höheren Temperaturen wird außerdem die Ausdehnung des Rotors immer mehr zum Problem. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen Rotor und Stator wäre zwar eine Option, würde aber das Drehmoment des Motors schnell reduzieren. Bandagen aus CFK hingegen minimieren die Ausdehnung des äußeren Rotordurchmessers aufgrund ihrer hohen Festigkeit und eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null. Dadurch kann der Luftspalt zwischen Rotor und Stator sehr viel enger als bei anderen Armierungskonzepten gestaltet und die Leistung des Motors erhöht werden. Eine sehr dünne Wandstärke (je nach Anwendung sogar bis 1 mm) der CFK-Bandagen ermöglicht außerdem eine kompaktere Bauweise.

Die Performance von Rotorbandagen aus CFK und Metall bei hohen Drehzahlen und Temperaturen im Vergleich

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Ein Bauteil für zwei Anforderungen

Kurz gesagt: CFK-Armierungshülsen

  • machen hohe Drehzahlen möglich, da sie die Antriebsmagnete zuverlässig am Rotor fixieren
  • verringern Leistungsverluste, da sie eine kompakte Bauweise mit nur geringem Luftspalt zwischen Rotor und Stator erlauben.

Aktuell verfügbare Materialien für CFK-Armierungshülsen können für Temperaturen von bis zu 220 Grad Celsius eingesetzt werden und bringen damit für alle Anwendungen in Elektroantrieben ausreichende thermische Stabilität mit.

Alle Vorteile von Rotorbandagen aus CFK auf einen Blick

  • Hohe Stabilität
    • macht neue Motorgeschwindigkeiten möglich
    • sorgt für die sichere Umschließung aller Motorkomponenten
    • verhindert Rotorausdehnung bei hoher Beanspruchung
  • Reduzierter Luftspalt möglich
    • durch stabile Rotorabmessung selbst bei hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen
    • aufgrund des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null
  • Wenig leitend
    • geringe Wirbelstromverluste
  •  
  • Geringes Gewicht
    • verringert das Trägheitsmomentfaserhuelsen-cfg-cfk
    • ermöglicht schnellere Motorbeschleunigung 

Für Höchstleistungen entwickelt

CFK-Armierungshülsen sind für Höchstleistungen konzipiert. Das heißt: Wenn unsere Kunden hohe Geschwindigkeiten realisieren wollen, kleinster Bauraum oder die Verkleinerung des Luftspalts ihre Herausforderungen sind, profitieren sie von unserer jahrzehntelangen Erfahrung sowohl in der Werkstoffentwicklung als auch in der Stromübertragung.

Grundsätzlich können CFK-Armierungshülsen eingesetzt werden in:

  • Hochleistungs-Permanent-Magnetmotoren
  • Fremderregten Hochleistungs-Magnetmotoren
  • Elektrisch angetriebenen Turboladern oder Boostern
  • Turbomolekularpumpen
  • und mehr

Whitepaper "Armierungshülsen aus CFK" herunterladen

Werkstofferfahrung, die von Chargenträgern …

Bauteile aus Verbundwerkstoffen an sich sind für Schunk keine Neuheit. Bereits seit den 1970er Jahren beschäftigen wir uns mit diesem Werkstoff – zunächst jedoch in einem ganz anderen Anwendungskontext. Damals galt es, für Chargenträger in Brennprozessen komplexe Geometrien mit extrem hoher Temperaturbeständigkeit zu entwickeln. Unsere Ingenieure setzten dafür erstmals kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (CFC) als Verbundwerkstoff ein. Mit großem Erfolg. In den 1980ern entstanden aus CFC unter anderem Spezial-Tiegel für die Herstellung von Silizium-Kristallen für die Halbleiterindustrie, wo wir bis heute Marktführer sind.

… bis zum Schwungrad für die Formel 1 reicht

In nächsten Schritt entwickelten wir CFK-Hülsen für die Pumpenindustrie. Diese schon recht dünnwandigen und gewichtsreduzierten Bauteile sorgten für eine deutliche Effizienzsteigerung beim Einsatz in Turbomolekularpumpen. Ab den 2000er Jahren haben unsere Ingenieure sich dann auf Leichtbaulösungen für elektrische Antriebe fokussiert. Bestes Beispiel ist das CFC-Schwungrad für das KERS-System zur Energierückgewinnung in Formel 1-Boliden. Damals ein echtes Novum in der Automobilwelt. Das System musste extrem leicht sein und trotzdem auch bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten formstabil bleiben.

 

Kunden schätzen Mehrwert

Aus diesem Entwicklungsprozess leitete sich das Anwendungsfeld elektrische Antriebe ab. Dabei stand nie der ausschließliche Nutzen der Gewichtsreduzierung im Vordergrund. Vielmehr haben wir das Thema Leichtbau immer mit einer technologisch anspruchsvollen Funktionserweiterung verbunden. Heute ist dieses Added Value Engineering eines der wichtigsten Merkmale unserer Entwicklungsarbeit, die unsere Kunden im Besonderen schätzen.

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Aus ersten Ideen neue Lösungen machen

Wir verstehen uns als Entwicklungspartner, der gemeinsam mit seinen Kunden aus einer ersten Idee die passende Lösung entwickelt. Daher setzen Kunden auf unser Servicepaket, das sie von einer ersten FE-Analyse der benötigten Bandagen, über Prototypenfertigung, Montageversuche und Validierung bis zur Preisinformation für die Massenfertigung begleitet. Wenn Sie an einer ersten Beratung interessiert sind, kontaktieren Sie uns gern.

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Volker Bier
Senior Manager „New Business & Technology“
volker.bier@schunk-group.com
+49 641 608-2330

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