Bei der Entwicklung moderner E-Drives mit immer höheren Umdrehungszahlen ist die auswuchtoptimierte Konstruktion von Elektroankern entscheidend. Denn wer im Auswuchtprozess Vorüberlegungen anstellt, spart Kosten.
In Deutschland betrug im April 2022 der Bestand an Elektroautos etwa 687.000 Fahrzeuge. Zum Vergleich: 2018 waren es noch knapp 54.000 (Quelle: Statista). An dieser Entwicklung wird deutlich, dass Elektroantriebe in der Zukunft ein gewichtiges Wörtchen mitreden werden.
Hersteller müssen heutzutage einen gesunden Kompromiss zwischen Baugröße und hoher Leistung der Antriebe finden. Man baut daher die Motoren kleiner und sorgt für Leistung über höhere Geschwindigkeiten der Rotoren. Deswegen schaffen Elektroantriebe aktuell zwischen 12.000 und 25.000 Umdrehungen. Allerdings sind künftige höhere Drehzahlen schon heute absehbar.
Bei der Entwicklung hin zu steigenden Umdrehungszahlen moderner E-Drives ist die auswuchtoptimierte Konstruktion von Elektroankern wichtig. Durch diese Konstruktionsweise werden Elektroanker der Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommotoren für Hybrid- oder E-Fahrzeuge schwingungs- und geräuscharm.
Und: Sie erreichen so die maximal mögliche Lebensdauer. Hersteller müssen folgende Überlegungen für einen Auswuchtprozess tätigen:
Von der Konstruktion her muss der Rotor so ausgelegt sein, dass er nicht (!) den zu erwartenden Ur-Unwuchtbereich übertrifft, um seine Unwuchtausgleichsfähigkeit zu gewährleisten. Für die zulässige Restunwucht nach dem Unwuchtausgleich gibt die Norm DIN IS 21940-11 Empfehlungen an, die das Maß für die zulässige Restunwucht des Rotors pro Kilogramm seines Gewichts definiert. Wenn zum Beispiel bei einer gegebenen Gütestufe die Betriebsdrehzahl steigt, fordert das bereits eine geringere zulässige Restunwucht.
Weiterhin muss der Ausgleich geplant werden. In der Fertigung kann das unterschiedlich ausgeführt werden kann. Einerseits kann das an ausgewiesenen Stellen über Materialabtrag – Bohren, Fräsen, Schleifen – erfolgen. Hierzu muss zum Ausgleich durch Masseabtrag allerdings eine gewisse Opfermasse vorhanden sein. Diese darf abgetragen werden, ohne die Funktionalität des Rotors zu beeinträchtigen. Andererseits kann der Nutzer entsprechend gegenüberliegend der Unwucht eine Masse aufbringen und dabei auf die Opfermasse zum Masseabtrag verzichten. Das Eindrücken von Passstiften in vorbereitete Bohrungen am Paket des Elektrorotors hat sich hierfür bewährt.
Wenn diese Vorüberlegungen nicht im Laufe der Konstruktionsphase des Rotors getroffen werden, kann für Motor-Hersteller ein umfangreicherer Auswuchtvorgang entstehen. Mit der Folge, dass die Aufwendung für die Realisierung eines Auswuchtvorgangs unangenehm hoch ausfällt. Aber das ist noch nicht alles: Eine Verzögerung des Fertigungsanlaufs, ein verschlechtertes Komfortverhalten sowie möglicherweise eine verringerte Lebensdauer können dazu kommen – weil Schwingungen und Akustikwerte über den erträglichen Grenzen liegen.
Es gibt zwei grundsätzliche Konstruktionsprinzipien für Antriebe: entweder die mit asynchronen oder die mit synchronen Maschinen. Die asynchronen Maschinen sind Läufer, die mit Wicklungen versehen sind. Die Wicklungen sind dabei meist mit Druckguss-Aluminium-Verfahren hergestellt. Die synchronen Antriebe sind hingegen mit Permanent-Magneten ausgestattet. Eine Schwierigkeit ist, dass ein Elektroanker als Baugruppe allerlei konstruktive Komponenten (Läufer, Welle, Wicklungen, Lager etc.) umfasst. Bei jeder Komponente tauchen geometrische Fehler im Millimeter- bzw. Mikrometer-Bereich auf.
Zwar fallen diese Abweichungen im Einzelnen gering aus, führen aber bei den beteiligten Massen zu ganz erheblichen Unwuchten. Deshalb muss jeder gefügte Rotor ausgewuchtet werden. Aus technischer Sicht könnten optimal rotierende Anker ohne Unwucht produziert werden. Das wird allerdings kostenintensiv pro Rotor. Das Auswuchten ist da eindeutig die wirtschaftlichere Lösung. Eine weitere Herausforderung für Hersteller besteht darin, die typenspezifischen Unterschiede in der Konstruktion, bei den Abmessungen, den verwendeten Werkstoffen etc. zu berücksichtigen.
Es empfiehlt sich, bei der Entwicklung neuer Elektroantriebe (Auswucht-)Experten wie das Consulting-Team von Schenck RoTec einzubeziehen. Gemeinsam kann so jeder Elektroanker auswuchtgerecht optimiert werden. Schon im Augenblick der Rotorkonstruktion beginnt das Auswuchten von Elektroankern. Es ist erforderlich für die Konstruktion des Unwuchtausgleichs, dass man zum Zeitpunkt der Zeichnungsentstehung bereits abschätzen kann, welche Ur-Unwucht entsteht.
Aus einem CAD-Modell sind diese Angaben nicht zu entnehmen. Hier bedarf es einer eigenen Bewertung auf Basis der geometrischen Tolerierung. Diese sagt aus, mit welchen Unwuchten tatsächlich in der Fertigung zu rechnen ist. Und genau dieser Punkt wird durch die Experten abgedeckt. Schenck RoTec bietet ein sogenanntes Unwucht-Budget: Auf Basis von Zeichnungen wird abgeschätzt, mit welcher Ur-Unwucht in der Fertigung geplant werden muss.
Andreas Buschbeck hat 1987 sein Studium der Physik an der Universität Hamburg abgeschlossen. Anschließend trat er eine Anstellung in der Entwicklung des damaligen Schenck-Konzerns an und hat im Bereich der Auswuchttechnik gearbeitet. Das in den ersten 15 Jahren erworbene Wissen in der Auswuchttechnik führte dazu, dass im Jahr 2002 die Abteilung Technical Consulting unter seiner Leitung gegründet wurde. Seitdem wird dieses Know-How den Kunden angeboten. Die aktuelle Entwicklung in der Fahrzeugtechnik führte dazu, dass diverse neue Messverfahren zur Prüfung schnelldrehender Elektroantrieb in dieser Abteilung entstanden. Seit vielen Jahren ist er zudem im DIN e.V. Berlin an der Erstellung von Normen im Bereich der Auswuchttechnik beteiligt.
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