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Gerd Kücken 22.04.2009
Hannover Messe / E-MOTIVE23.04.2009
Glulock® und Kupferdruckgussrotoren-
Innovative Fertigungsverfahren
für
Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Gerd Kücken 22.04.2009 © 2009 Kienle + SpiessSeite-2-
Anforderungen an Elektrofahrzeuge
Hauptantriebe für Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge stellenmit die höchsten Anforderungen an:
minimalen Platzbedarfhöchsten Wirkungsgradniedrige Herstellungskosten
Vorgestellt werden zwei Herstellungsverfahren
GlulockKupferdruckgussrotoren
Diese helfen mit, die genannten Anforderungen zu erfüllen
Gerd Kücken 22.04.2009 © 2009 Kienle + SpiessSeite-3-
Inhalt Glulock
Beschreibung des Glulock-Produktes
Vorteile und Grenzen des Glulock-Produktes
Zusammenfassung
Beschreibung des Glulock-Verfahrens
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Inhalt
Beschreibung des Glulock-Produktes
Vorteile und Grenzen des Glulock-Produktes
Zusammenfassung
Beschreibung des Glulock-Verfahrens
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Paketierverfahren für gestanzte Bleche
Fast immer werden die für die elektrischen Maschinen notwendigengestanzten Elektrobleche zu Paketen weiterverarbeitet.
Bisherige Verfahren: SchweißenNietenKlammernStanzpaketierenBacklack
Neues Verfahren: Glulock
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Beschreibung des Glulock-Produktes
Das Glulock Paket erkennt man daran, dass man nichts erkennt.
Ideal platzierte, flache und runde Klebetropfen halten die einzelnen Bleche im Inneren zusammen.
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Beschreibung des Glulock-Produktes
Punktförmige Klebeverbindung
Klebeverbindung in frei wählbaren Bereichen der Blechoberfläche
Klebstoff ist ein Cyanacrylat
Scherfestigkeit 5 – 20 N/mm²
Schichtdicke maximal 5µm
Zugfestigkeit um ein Vielfaches höher alsstanzpaketiert
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Inhalt
Beschreibung des Glulock-Produktes
Vorteile und Grenzen des Glulock-Produktes
Zusammenfassung
Beschreibung des Glulock-Verfahrens
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Beschreibung des Glulock-Verfahrens
Ein patentrechtlich geschütztes Fertigungsverfahren
Glulock ist ein neues Paketierverfahren integriert in den Stanzprozess eines Folgeschneidwerkzeugs. Dabei verbinden kleinste Klebetropfen die einzelnen Lamellen unter schwersten Umgebungsbedingungen undmit höchsten Leistungsanforderungen.
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Inhalt
Beschreibung des Glulock-Produktes
Vorteile und Grenzen des Glulock-Produktes
Zusammenfassung
Beschreibung des Glulock-Verfahrens
Gerd Kücken 22.04.2009 © 2009 Kienle + SpiessSeite-11-
Vorteile und Grenzen desGlulock-Produktes
Alterung des KlebstoffesEvtl. bedingte VerträglichkeitenGeringere Schlag- und Schälbelastung
Die Dauerfestigkeit muss durch die Weiterverarbeitung, wie z.B.
-Wicklung-Gehäuse
gegeben sein.
Bessere elektrische PerformanceGeringerer EisenverlusteMehr MagnetflussGeringere Vibrationen
Freie Positionierung der Verknüpfung (Designfreiheit)Paketierung dünnerer Bleche bis aktuell minimal 0,2 mmEngere Toleranzen und StreuungenHohe Paketdichte durch minimalen KlebespaltHohe BiegefestigkeitÄhnlich positive Eigenschaften wie Backlack, aber viel kostengünstiger
Gerd Kücken 22.04.2009 © 2009 Kienle + SpiessSeite-12-
Inhalt
Beschreibung des Glulock-Produktes
Zusammenfassung
Vorteile und Grenzen des Glulock-Produktes
Beschreibung des Glulock-Verfahrens
Gerd Kücken 22.04.2009 © 2009 Kienle + SpiessSeite-13-
glulockBessere elektrische Eigenschaften
Bessere mechanischeEigenschaften
Mehr konstruktive Möglichkeiten
Fertigungstechnische Vorteile
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Inhalt Kupferdruckgussrotoren
Warum Asynchronmaschinen ?
Herausforderungen beim Kupferdruckguss
Zusammenfassung
Al oder Cu als Käfigmaterial
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Warum Asynchronmaschinen (ASM)?
Heute gebräuchlich sind permanentmagneterregte Antriebe:z.B. Toyota Prius, Honda Insight, Mercedes S-Klasse
Die Vorteile gegenüber Asynchronmaschinen sind:• Höhere Ausnutzung• Besserer Wirkungsgrad, speziell bei niedrigen Drehzahlen
Trotzdem gibt es auch Entwicklungen im Bereich ASM
Begründung:• Magnetpreisentwicklung• Großer Feldschwächbereich leichter möglich
Gerd Kücken 22.04.2009 © 2009 Kienle + SpiessSeite-16-
Inhalt Kupferdruckgussrotoren
Warum Asynchronmaschinen ?
Herausforderungen beim Kupferdruckguss
Zusammenfassung
Al oder Cu als Käfigmaterial
1I 1R s1X
vR mX
s2X´ 2R´
2I ´
gI =I -I ´1 2
R´ =t
2R´ 1-ss
2R´s =
2R´ +R t
I 2U 1
Kupferverluste Stator
Reibungsverluste
I2R-Verluste Rotor
sRI
MP
222
01
´´3
== ω
)1(
)1(´´3
1
222
sPs
sRI
MPm
−
=−
⋅⋅
== ω
hPP =2
ϕcos3 11
1
IUP =
12
1
1
3 RI
Pt =
v
v
RU
P2
13
=
222
1
2
´´3 RI
PsPt
=⋅=
sP
Eisenverluste
Verlustanteile der ASM
http://users.telenet.be/b0y/content/gen_techin/Induction.Motor.cutaway.jpg
Al CuSpezifischer Widerstand (nΩ m) (bei 20°C) 26,5 16,78
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-17-
C. Stark, J. G. Cowie, D. T. Peters, and E. F. Brush, Jr., Copper in the Rotor for Lighter, Longer Lasting Motors, ASNE San Diego Section Fleet Maintenance Symposium 2005 30 August – 1 September 2005
Kupfermotoren haben kleinere Verluste als Aluminiummotoren
Vergleich der Verluste bei 50 Hz
Der Betrieb der Kupfermotoren ist günstiger als der Aluminiummotoren.
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-18-
80 90 100 110 120 130 140 150 160 17083
84
85
86
87
88
89
90
91
92
High efficiency, IE 2
Wirk
ungs
grad
(%)
Eisenlänge (mm)
Standard efficiency, IE 1
Wirkungsgrad eines 5 HP-Motors, 4-polig (Reibungsverlust 35 W)
Premium efficiency, IE 3
Kupfer Aluminium
Al-Rotor mit Paketverlängerung vs. Cu-Rotor
Δε
ΔLFe
Für Anwendungen im Automobilbereich istdies kein sinnvoller Weg.
Kalkulierter Vergleich zwischen den Alu- und Kupfermotoren
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-19-
Inhalt Kupferdruckgussrotoren
Warum Asynchronmaschinen ?
Herausforderungen beim Kupferdruckguss
Zusammenfassung
Al oder Cu als Käfigmaterial
Kupfer kostet das 9-Fache von Aluminium
Eigenschaften Aluminium Kupfer Unterschied Al –Cu (%)
Dichte (kg/m3) (auf 20 °C) 2,7 8,96 +332
Preis (€/Tonne) (www.lme.co.uk) 1 350 3 700 +274
Geschmolzenes Volumen (m3) 1 1
Schmelzpunkt (°C) 660 1084 +164
Summe Wärme (106 kJ) 3,19 6,33 +204
VAl VCu= mAl mCu<3x
VAl VCu=<~9x
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-21-
Die Abnützung der Form ist beim Kupfergießen extrem schnell
Höhere Formkosten beim Kupfergießen als beim Aluminiumgießen
Die große Hitze beschädigt die Form nach 100 SchüsseBeim Aluminium ist die Lebensdauer einer solchen Form ca. 50.000Schüsse.
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-22-
E. F. Brush Jr, S. P. Midson, W. G. Walkington, D. T. Peters, J. G. Cowie, “Porosity Control in Copper Rotor DieCastings”, NADCA Indianapolis Convention Center, Indianapolis, IN September 15-18, 2003, T03-046
~ 131 mm
Porosität stellt größere Herausforderungen an das Auswuchten als an die elektrische Leistung
Kienle + Spiess: < 1 %Literatur: ca. 3 %
Hier findet man kaum Lunker
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-23-
Inhalt Kupferdruckgussrotoren
Warum Asynchronmaschinen ?
Herausforderungen beim Kupferdruckguss
Zusammenfassung
Al oder Cu als Käfigmaterial
Zusammenfassung
Gerd Kücken / 02.04.2009 © 2009 Kienle + Spiess Seite-25-
Gegenüber Al-Rotoren deutlich besserer Wirkungsgrad
Geringere Rotorverluste führen zudeutlich niedrigeren Lagertemperaturen
Hoher Qualitätsstandard erreicht
Deutliche Verbesserungen beim Formenverschleiß