A 320 "Betriebsfestigkeit von Elektroband" - Kurzfassung des Schlussberichtes

Betriebsfestigkeit von Elektroband

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt "Betriebsfestigkeit von Elektroband"
Projekt A 320 / S0024/10264/20

Laufzeit der Forschungsarbeiten:  01. Juli 2020 bis 30. August 2024

Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades und der vergleichsweise geringen Kosten hat sich der wechselstrombetriebene, permanenterregte Synchronmotor bei batterieelektrischen Kraftfahrzeugen etabliert. Die Kernkomponenten dieser Drehfeldmaschine sind der stationäre Stator und ein permanenterregter, rotierender Rotor. Zur Steigerung der magnetischen Effizienz wird der Rotor aus einer Vielzahl einzelner Lamellen aus nicht kornorientiertem Elektroband aufgebaut. Diese Funktionswerkstoffe sind speziell auf ihre magnetischen Eigenschaften optimiert. Unter Realbedingungen wirken auf die Rotorlamellen zeitlich veränderliche Lasten, die durch das Fahrverhalten der Endkunden ausgelöst werden. Um die Verfügbarkeit eines Elektromotors über die gesamte Nutzungsdauer zu gewährleisten, müssen rechnerische oder experimentelle Lebensdauernachweise erbracht werden. Eine rechnerische Lebensdauerabschätzung ist jedoch nur möglich, wenn die Schwingfestigkeit von Elektrobändern bekannt ist.

Thema des Forschungsprojekts war die Verbesserung der rechnerischen Lebensdauerabschätzung von Rotoren aus nicht kornorientiertem Elektroband. Es wurden die Auswirkungen spezifischer Einflüsse auf die Schwingfestigkeit dieser Werkstoffgruppe untersucht. Auf Basis der Versuchsergebnisse wurden rechnerische Konzepte zur Lebensdauerabschätzung auf ihre Anwendbarkeit überprüft.

Zu diesem Zweck wurden spannungs- und dehnungsgeregelte Schwingversuche an den Werkstoffen NO30-15, NO30-19 und NO20-13 durchgeführt. Der experimentelle Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt in der Charakterisierung der Schwingfestigkeit von Elektroband und berücksichtigt folgende Einflussgrößen:

- Kantenfeingestallt und -eigenschaften
- Kerbgeometrie
- Dicke des Werkstoffes
- Erhöhte Umgebungstemperatur
- Änderung der Mittelspannung
- Variable Amplitudenbelastung

Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Unter Spannungsregelung ist die Übertragbarkeit quasistatischer Kennwerte auf die Schwingfestigkeit von Elektrobandmaterialien vergleichbar mit Stahllegierungen, die im Maschinenbau üblich sind. Die Parameter von Dehnungswöhlerlinien zeigen jedoch andere Abhängigkeiten von der statischen Festigkeit als es in bestehenden Regelwerken beschrieben ist und können derzeit nur experimentell ermittelt werden.

Der Mittelspannungseinfluss ist bei Elektroband außergewöhnlich hoch im Vergleich zu anderen Stahllegierungen. Es konnte keine Korrelation zu den Kenngrößen anderer Elektrobandtypen festgestellt werden, was eine experimentelle Bestimmung der Mittelspannungsempfindlichkeit für diese Werkstoffgruppe unverzichtbar macht. Der Mittelspannungseinfluss ist stark von der Probengeometrie abhängig und nimmt mit steigender Kerbschärfe ab.

Der Kantenzustand hat einen erheblichen Einfluss auf die Schwingfestigkeit von Elektroband. Dabei spielt die Kantenrauheit eine untergeordnete Rolle, während der Eigenspannungszustand und die Kantenverfestigung dominierende Faktoren sind. Unter steigender plastischer Verformung ändert sich der Kanteneinfluss erheblich und ist bei Dehnungsregelung weniger ausgeprägt als bei Spannungsregelung.

Klassische gradientenbasierte Verfahren beschreiben die hohen Stützwirkungen von Elektroband nicht zufriedenstellend. Das Modell der werkstoffmechanischen Stützwirkung liefert hingegen treffsichere Abschätzungen für Kantenzustände ohne Kaltverformung. Die Kaltverformung wirkt sich positiv auf die Stützwirkung aus und führt zu höheren Stützzahlen.

Der Temperatureinfluss auf die Werkstoffgruppe ist ebenfalls stark von der Probengeometrie abhängig. Mit steigender Temperatur nimmt die zyklische Verfestigung von Elektroband ab, wodurch gekerbte Proben empfindlicher auf diese Umgebungseinflüsse reagieren. Eine vergleichbare Abnahme der Stützwirkung ist ebenfalls zu beobachten.

Unter variabler Amplitudenbelastung verstärken sich die schädlichen Auswirkungen des Kantenzustands. Die Übertragung von Oberflächenfaktoren aus Einstufenversuchen führt nur unter Berücksichtigung der Dauerfestigkeit zu sicheren Abschätzungen. Die Stützwirkung ist bei Verwendung eines Lastkollektivs höher als aus Wöhlerversuchen abgeleiteten Erfahrungen. Reale Schadenssummen zeigen eine starke Abhängigkeit von Kantenzustand und Kerbformzahl. Bei scharfen Kerben nehmen die Schadenssummen signifikant zu und es zeigt sich eine Unabhängigkeit vom Herstellverfahren.

Für eine annehmbare rechnerische Lebensdauerabschätzung sind experimentell bestimmte Faktoren zum Mittelspannungs- und Kanteneinfluss bei Elektrobandmaterialien notwendig. Stützwirkungen können zufriedenstellend über das werkstoffmechanische Modell abgebildet werden. Mit steigender Kerbschärfe nimmt die Übereinstimmung zwischen Kerbspannungs- und Kerbdehnungskonzept zu. Die Berücksichtigung der bruchmechanischen Stützwirkung verbessert die Lebensdauervorhersage im Kerbdehnungskonzept signifikant.

Forschungsstelle:

Labor für Werkstoff- und Fügetechnik LWF
Fakultät Mobilität und Technik
Hochschule Esslingen - University of Applied Sciences
Kanalstrasse 33
D-73728 Esslingen
www.hs-esslingen.de

Forschungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Peter Häfele

vorgelegt über: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt, www.fva-net.de
Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.
Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
Bitte wenden Sie sich an die Geschäftsstelle der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. oder an die AVIF.