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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

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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

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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

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Inhalt

Beschreibung des Glulock-Produktes

Zusammenfassung

Vorteile und Grenzen des Glulock-Produktes

Beschreibung des Glulock-Verfahrens

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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

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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