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Elektroantriebe Auswuchtoptimierte Konstruktion von Elektroankern

Autor / Redakteur: Andreas Buschbeck / Stefanie Michel

Neue Elektroantriebe weisen stetig steigende Umdrehungszahlen auf – bei eher kleineren Baugrößen. Deshalb wird eine auswuchtoptimierten Konstruktion von Elektroankern immer wichtiger werden. Dann sind die Anker schwingungs- und geräuscharm.

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Gerade im Hinblick auf die Elektromobilität und die damit verbundenen stetig steigenden Umdrehungszahlen wird eine auswucht­optimierte Konstruktion von Elektroankern immer wichtiger.
Gerade im Hinblick auf die Elektromobilität und die damit verbundenen stetig steigenden Umdrehungszahlen wird eine auswucht­optimierte Konstruktion von Elektroankern immer wichtiger.
(Bild: Schenck Rotec)

Immer bessere Reichweiten und Leistungswerte von Elektroaggregaten, eine steigende Akzeptanz bei den Verbrauchern und verschärfte Umweltauflagen für Verbrennungsmotoren – Elektroantriebe sind auf dem Vormarsch. Das ist besonders am Beispiel von Elektroautos zu erkennen: Allein in Deutschland wuchs 2019 deren Bestand um ein Drittel auf 83.200 Fahrzeuge, ein Plus von 29.000 Einheiten im Vergleich zum Vorjahr (Quelle: Statista). Tendenz weiter steigend.

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Bei der Produktion der Antriebe müssen die Hersteller heutzutage einen Spagat zwischen Baugröße und hoher Leistung meistern. Das führt dazu, dass man die Elektromotoren kleiner baut und Leistung über höhere Geschwindigkeiten der Rotoren ermöglicht. Daher liegen Elektroantriebe aktuell zwischen 12.000 und 25.000 min-1. Zukünftig sind höhere Drehzahlen absehbar.

Für schwingungs- und geräuscharme Elektroanker

Im Zuge dieser Entwicklung – hin zu stetig steigenden Umdrehungszahlen moderner E-Drives – wird der auswuchtoptimierten Konstruktion von Elektroankern eine immer größere Bedeutung zugemessen. Eine solche Konstruktionsweise führt dazu, dass Elektroanker der Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommotoren für Hybrid- oder E-Fahrzeuge schwingungs- und geräuscharm sind sowie eine maximale Lebensdauer erreichen. Für einen Auswuchtprozess sind drei wesentliche Merkmale vorab zu klären:

  • die zu erwartende Ur-Unwucht des Rotors,
  • die zulässige Restunwucht,
  • die zeitliche Länge des Auswuchtprozesses (inklusive Ausgleich).

Von der Konstruktion, insbesondere bezüglich seiner geometrischen Tolerierung, muss der Rotor so ausgelegt sein, dass er den zu erwartenden Ur-Unwucht-Bereich nicht übersteigt. Die Restunwucht ist aufgrund einer Gütestufeneinteilung festgelegt.

Diese Einteilung unterliegt der Norm ISO 21940-11 und ist ein Maß für die zulässige Restunwucht des Rotors pro Kilogramm seines Gewichts. Wenn beispielsweise bei einer gegebenen Gütestufe die Betriebsdrehzahl steigt, fordert das bereits eine geringere zulässige Restunwucht. Zudem muss der Ausgleich geplant werden, der in der Fertigung prinzipiell unterschiedlich ausgeführt werden kann. Zum einen kann das an ausgewiesenen Stellen über Materialabtrag – Bohren, Fräsen, Schleifen – erfolgen. Hierzu ist zum Ausgleich durch Masseabtrag allerdings eine gewisse Opfermasse erforderlich, die abgetragen werden darf, ohne die Funktionalität des Rotors zu beeinträchtigen. Zum anderen kann der Anwender entsprechend gegenüberliegend der Unwucht eine Masse aufbringen und dabei auf die Opfermasse zum Masseabtrag verzichten. Aktuell hat sich hierbei das Eindrücken von Passstiften in vorbereitete Bohrungen am Paket des Elektrorotors etabliert.

Werden diese Merkmale nicht im Laufe der Konstruktionsphase des Rotors geklärt, laufen die Motorhersteller Gefahr, dass man am Ende der Fertigung einen Auswuchtvorgang benötigt, der bis dahin nicht in dem dann nötigen Umfang geplant war. Der Aufwand für einen solchen Auswuchtvorgang wird auf diese Weise unangenehm hoch ausfallen. Außerdem werden so eine Verzögerung des Fertigungsanlaufs, ein verschlechtertes Komfortverhalten sowie möglicherweise eine verringerte Lebensdauer begünstigt, weil Schwingungen und Akustikwerte über den erträglichen Grenzen liegen.

Warum gefügte Motoren ausgewuchtet werden müssen

Es gibt zwei grundsätzliche Konstruktionsprinzipien für Antriebe: mit asynchronen oder synchronen Maschinen. Die asynchronen Maschinen sind Läufer, die mit Wicklungen versehen sind, wobei die Wicklungen meist aus Aluminiumdruckguss hergestellt werden. Die synchronen Antriebe sind mit Permanentmagneten ausgestattet. Eine Herausforderung ist, dass ein Elektroanker als Baugruppe allerlei konstruktive Komponenten (darunter Läufer, Welle, Wicklungen und Lager) umfasst. Bei jeder Komponente tauchen geometrische Fehler im Millimeter- beziehungsweise Mikrometerbereich auf. Zwar fallen diese Abweichungen im Einzelnen gering aus, führen aber bei den beteiligten Massen zu ganz erheblichen Unwuchten. Das ist der Grund, warum jeder gefügte Rotor ausgewuchtet werden muss.

Man könnte zumindest aus geometrischer Sicht optimal rotierende Anker ohne Unwucht produzieren. Das würde jedoch so kostenintensiv pro Rotor, dass ein Rotor mit derartiger Fertigungsqualität unwirtschaftlich zu fertigen wäre. Stattdessen ist das Auswuchten die wirtschaftlichere Lösung. Eine weitere Herausforderung für Hersteller besteht darin, mit den typenspezifischen Unterschieden in der Konstruktion, bei den Abmessungen und bei den verwendeten Werkstoffen zurechtzukommen.

Bei der Entwicklung neuer Elektroantriebe empfiehlt es sich, (Auswucht-)Experten wie das Consulting-Team von Schenck Rotec einzubeziehen, um gemeinsam jeden Elektroanker auswuchtgerecht zu optimieren. Das Auswuchten von Elektroankern beginnt im Augenblick der Konstruktion der Rotoren.

Zur Zeichnungsentstehung Ur-Unwucht abschätzen

Für die Konstruktion des Unwuchtausgleichs ist es erforderlich, dass man zum Zeitpunkt der Zeichnungsentstehung bereits abschätzen können muss, welche Ur-Unwucht entsteht. Diese Angaben sind nicht aus einem CAD-Modell zu entnehmen. Hier bedarf es einer eigenen Bewertung auf Basis der geometrischen Tolerierung, die aussagt, mit welchen Unwuchten tatsächlich in der Fertigung zu rechnen ist. Und genau dieser Punkt wird durch die Experten abgedeckt.

Das Consulting von Schenck Rotec bietet ein sogenanntes „Unwucht-Budget“: Auf Basis von Zeichnungen wird abgeschätzt, mit welcher Ur-Unwucht man in der Fertigung planen muss. Eine weitere Leistung besteht darin, die Rotoren als Prototypen (ohne funktionierende Elektroantriebe) auf deren Betriebsdrehzahl, Überdrehzahl sowie Schleuder- und Berstdrehzahl zu bringen. Die Rotoren drehen sich relativ schnell. Das führt zu unerwünschten Veränderungen des mechanischen Gefüges. Deswegen müssen die Rotoren nahe der Konstruktionsphase/Prototypenphase geprüft werden. In den Schleuderständen werden die Rotoren auf ihre Betriebsdrehzahl gebracht.

* Andreas Buschbeck ist Spezialist für Auswuchttechnik bei der Schenck Rotec GmbH in 64293 Darmstadt, Tel. (0 61 51) 32-16 35, buschbeck@schenck.net

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