P7: Gezielte Eigenspannungsnutzung in Elektroblechen zur Steigerung der Energieeffizienz

Zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektromotoren ist eine möglichst präzise Führung des magnetischen Flusses in den verwendeten nicht-kornorientierten Elektroblechen zur Verminderung von Streuflüssen notwendig. Derzeit geschieht diese Lenkung durch Aussparungen in den Elektroblechen, welche zu einer Verminderung der mechanischen Festigkeit des Blechwerkstoffs führen. Durch die Ausnutzung des magneto-elastischen Effekts, bei welchem durch mechanische Spannungen Barrieren für den magnetischen Fluss entstehen, kann die Magnetfeldlenkung ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit erfolgen. Die Einbringung solcher Eigenspannungen wird durch Prägen der Elektrobleche realisiert. Zunächst müssen dafür die lokalen Auswirkungen verschiedener Prägegeometrien und damit der lokale Einfluss verschiedener Eigenspannungszustände auf das magnetische Materialverhalten untersucht werden. In einem realen Bauteil können diese lokalen Änderungen nicht mit konventionellen Messmethoden erfasst werden, daher wird die Neutronen-Gitter-Interferometrie eingesetzt. Diese Technik erlaubt es auch in komplexen Bauteilen die magnetischen Eigenschaften im Volumenmaterial zu untersuchen. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Nanoindenters der Eigenspannungsverlauf in den Elektroblechen mit hoher örtlicher Auflösung bestimmt.

Ergebnisse der 1. Projektphase

Ergebnisse der 1. Projektphase Die Untersuchungen der 1. Projektphase konzentrierten sich auf das reproduzierbare und gezielte Einbringen von Eigenspannungen sowie der Analyse der eingebrachten Eigenspannungen in Bezug auf das magnetische Materialverhalten der Elektrobleche. Für drei unterschiedliche Prägegeometrien (zylinder-, kegel- und halbkugelförmige Stempel) wurden geprägte Elektroblechproben hergestellt. Mittels Neutronen-Gitter-Interferometrie konnte das lokale magnetische Materialverhalten bewertet werden. Für die Analyse der globalen magnetischen Eigenschaften des Elektroblechs wurden Messungen mit einem Single-Sheet-Tester durchgeführt. Zusammenfassend wurde die Hypothese, dass eine gezielte Beeinflussung des magnetischen Flusses durch eine lokale Erhöhung der Eigenspannungen möglich ist, bestätigt und die Reproduzierbarkeit der gezielten Eigenspannungseinbringung nachgewiesen. Ebenso konnte die Korrelation der gemessenen magnetischen Eigenschaften mit der simulierten Spannungsverteilung im Elektroblech nachgewiesen werden. Ergänzend wurde ein Magnetisierungsmodell unter Berücksichtigung der Eigenspannungsverteilung für den Einsatz in elektromagnetischen FE- Simulationen aufgebaut.

Neben den Projektspezifischen Untersuchungen wurde am Ringversuch des SPP2013 zur Messung von Eigenspannungen teilgenommen. Der Vergleich der Eigenspannungsverteilung gemessen mit der Bohrlochmethode und mit dem Nanoindenter stellt sich als schwierig heraus, da ein großer Skalenunterschied vorliegt. Der qualitative Abgleich zeigt, dass mit beiden Methoden plausible Ergebnisse ermittelt werden können.

Ziele der 2. Projektphase

Die zweite Projektphase gliedert sich in drei große Blöcke. Zunächst sollen der Einfluss von Materialschwankungen sowie von Störgrößen wie beispielsweise die Wirkung von Fliehkräften bewertet werden. Darauffolgend steht die Quantifizierung der erreichten Eigenschaftsverbesserungen an. Dabei liegt das Augenmerk auf der erreichten Steigerung der mechanischen Festigkeit und der resultierenden magnetischen Permeabilität. Abschließend sollen die zu den vorher bearbeiteten Punkten erstellten Simulationen mit den Messergebnissen validiert werden und so die simulativen Grundlagen für die dritte Phase geschaffen werden. Die bisherigen Untersuchungen fanden unter konstantem magnetischen Fluss statt, weshalb in der nächsten Projektphase die Analyse des magnetischen Materialverhaltens der geprägten Elektrobleche ebenfalls im magnetischen Wechselfeld durchgeführt wird.

Ansprechpartner

utg - Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen

Projektleitung P7.C
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk

Projektbearbeiter
Ines Moll, M.Sc.
Dr.-Ing. Jens Stahl

MLZ - Heinz Maier-Leibnitz Zentrum

Projektleitung P7.B
Dr. rer. nat. Michael Schulz

Projektbearbeiter
Tobias Neuwirth

IEM - Institut für Elektrische Maschinen

Projektleitung P7.A
Prof. Dr.-Ing. Kay Hameyer

Projektbearbeiter
Benedikt Schauerte