E-Motor Prüfung
Im Rahmen der fortschreitenden Elektrifizierung und damit verbundenen technologischen Weiterentwicklungen werden auch Elektromotoren immer weiter in ihrer Effizienz und Performance verbessert. Neue technologische Ansätze führen auch zu neuen Anforderungen im Bereich der E-Motor Prüfung. ZwickRoell bietet eine Reihe von Lösungen, um sicherzustellen, dass E-Motoren den höchsten Standards in Leistung und Effizienz entsprechen. Im Fokus stehen innovative Technologien wie die Hairpin- oder Winding-Technologie (rechteckige, mit einer Polymerbeschichtung isolierte Kupferdrähte) und die Prüfung von Elektroblechen, die beide entscheidend zur Effizienz und Leistung von E-Motoren beitragen.
Durch innovative Prüflösungen zur präzisen Materialcharakterisierung sowie zur Überwachung des gesamten Produktionsprozesses kann ZwickRoell einen entscheidenden Beitrag zur Optimierung der E-Motoren leisten.
Hairpin-Prüfungen Prüfung von Elektroblechen Beratung anfordern
Was versteht man unter Hairpin-Technologie?
Die Hairpin-Technologie ist eine moderne Wicklungstechnik, bei der rechteckige, isolierte Kupferdrähte verwendet werden, die aufgrund ihrer Form auch als "Haarnadeln" bezeichnet werden. Diese Technologie ersetzt die traditionellen Kupferspulen und trägt durch eine deutlich verbesserte Volumenausnutzung dazu bei, die Effizienz von E-Motoren erheblich zu steigern und gleichzeitig den Bauraum zu verringern. Dazu werden die Hairpins in sehr komplexen Wicklungs- und Biegungsprozessen verarbeitet. Damit die Produktionsprozesse robust laufen und zu einem guten Ergebnis führen, muss sowohl das Materialverhalten, als auch der Einfluss der Prozessparameter genau verstanden werden. Genau hierfür sind passende Prüflösungen notwendig.
Hairpin-Prüfung - neue Prüfanforderungen
Zur Sicherstellung eines stabilen Stator Produktionsprozesses ist die genaue Kenntnis mechanischer Eigenschaften erforderlich, um einerseits eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, vielmehr aber um durch Ungenauigkeiten im Material den Produktionsprozess nicht zum Stillstand zu bringen. Neben den Materielkennwerten müssen auch die Einflüsse der Produktionsparameter analysiert und verstanden werden.
ZwickRoell bietet ein breites Prüfportfolio spezifisch zur Charakterisierung von rechteckig beschichteten Kupferdrähten für ein umfangreiches Material- und Prozessverständnis an und trägt somit entscheidend zur Weiterentwicklung der Hairpin-Technologie und der Hairpin-Stator-Produktionsprozesse bei. Dazu zählen
- die hochgenaue Bestimmung des elastischen Materialverhaltens, das durch die Beschichtung vom Grundmaterial abweichen kann und aufgrund der Rückfederung große Bedeutung für den Produktionsprozess hat
- das plastische Materialverhalten der Hairpins bis zum Bruch im Zugversuch
- das Biegeverhalten zur Überprüfung des Biegemoduls und der Rückfederung
- die Simulation des Produktionsprozesses mittels Torsionsprüfungen
- die präzise Analyse des Reibwerts der Beschichtung
Zugversuch an Hairpins
Die dünne Polymerisolierung hat einen direkten Einfluss auf die Verformbarkeit des Kupferdrahtes auch im Hinblick auf die Rückfederung nach dem Biegeprozess, die wiederum die Maßhaltigkeit beeinflusst und zu Problemen in der Produktion führen kann. Außerdem bringt die Isolierung auch Anforderungen mit sich, so darf sie auch bei großer Umformung keine Risse aufweisen, muss verarbeitbar sein und das bei möglichst geringer Dicke.
- Daher ist das Verständnis der Elastizität von zentraler Bedeutung. Um den elastischen Bereich des isolierten Drahtens im Zugversuch präzise bestimmen zu können, verfügt ZwickRoell über ein zweiseitig messendes Extensometer mit sehr hoher Auflösung, das in der Lage ist, das Elastizitätsmodul auf beiden Seiten der Probe separat zu messen. Dadurch können hochpräzise Prüfergebnisse sichergestellt werden.
- Zur Bestimmung der plastischen Formänderung bis zum Bruch wird die Dehnung der Probe mit einem makroXtens Fühleraufnehmer aufgezeichnet.
Biegeversuch an Hairpins
In einem klassischen 3-Punkt Biegeversuch mit Extensometer, kann das Biegeverhalten charakterisiert werden. Zum einen um ein Biegemodul zu bestimmen, zum anderen aber auch um die Rückfederung zu überprüfen. Dieser Versuch kann im Bereich der Qualitätskontrolle als auch zur Validierung von Simulationsmodellen herangezogen werden.
Torsionsprüfungen zur Simulation des Hairpin-Produktionsprozesses
Zur Simulation des Produktionsprozesses verfügt ZwickRoell über ein Torsionsprüfsystem mit der über ein modular einstellbares Biege-/Torsions-Werkzeug eine Torsion des Hairpins in realer Produktionsgeschwindigkeit simuliert werden kann.
- Das Prüfwerkzeug lässt flexible Anpassungen an die Hairpin-Geometrie sowie die Einstellung verschiedener Biegeradien zu und ermöglicht über die testXpert Prüfsoftware Anbindung der Maschine die Einstellung unterschiedlicher Biegegeschwindigkeiten und sogar die Messung des Rückfederungswinkels.
- So können viele Parameter des Prozesses separiert betrachtet und analysiert werden. Die Kombination mit der mechanischen Charakterisierung lässt Korrelationen zu, mit Hilfe derer Prozesse besser verstanden und dadurch die Qualität weiter verbessert werden kann.
Sie haben Fragen rund um die Prüfung von E-Motoren oder wünschen eine Beratung hinsichtlich individueller Prüfanforderungen?
Unser Branchenexperte für Automotive & E-Mobility berät Sie gerne
Dynamische Belastungstests an E-Motor-Elektroblechen
Elektrobleche sind hochspezialisierte Stahlbleche, die in der Herstellung von E-Motoren verwendet werden, um den magnetischen Fluss zu leiten und so die Effizienz des Motors zu steigern. Ihre mechanischen und magnetischen Eigenschaften sind entscheidend für die Leistung des Motors, insbesondere bei hohen Drehzahlen und dynamischen Belastungen, wie sie in Elektrofahrzeugen vorkommen.
In der Stahlindustrie ist die Entwicklung neuer innovativer Elektrobleche im Moment ein großes Trendthema. Neue Werkstoffe bringen immer auch neue Umform- und Verarbeitungsphänomene mit sich, die genau verstanden und charakterisiert werden müssen.
Die Prüfung von Elektroblechen ist unerlässlich, um neben deren generellen mechanischen Eigenschaften auch deren magnetisches Verhalten und Ermüdungsfestigkeit zu charakterisieren. Defekte oder schlechte magnetische Eigenschaften können die Effizienz des Motors erheblich beeinträchtigen und zu unnötigen Energieverlusten führen. In der Regel werden Elektrobleche in einem Stanzprozess hergestellt und die dadurch verfestigte Kante des Blechs kann zum einen zu Kantenrissen, also zu vorzeitigem Versagen führen und zum anderen den magnetischen Fluss beeinflussen. Eine gute Charakterisierung der Bleche ist somit notwendig.
Dynamische Belastungstests: Elektrobleche werden dynamischen Belastungen ausgesetzt, um ihre Ermüdungsfestigkeit und Reaktion unter realen Betriebsbedingungen zu prüfen. Dafür stehen servohydraulische Kompakt-Prüfsysteme von ZwickRoell zur Verfügung, die durch die im unteren Querhaupt montierten Prüfzylinder besonders für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen geeignet sind.
Statische Materialprüfung an E-Motor-Elektroblechen
Zur Sicherstellung der mechanischen Funktionstüchtigkeit von Elektroblechen in E-Motoren während der Verarbeitung und im Betrieb spielen klassische statische Prüfverfahren wie der Zugversuch nach ISO 6892-1 und ASTM E8 zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten wie Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung ein wichtige Rolle. Sie liefern grundlegende Informationen über das mechanische Verhalten des Werkstoffs bei quasistatischer Belastung und sind essenziell für die Materialauswahl und Qualitätssicherung von Materialien, etwa für Statoren und Rotoren in E-Motoren.
Elektrobleche sind oft sehr dünn (i.d.R. zwischen 50 und 100 Mikrometer) und dabei sehr grobkörnig. Dadurch kann es zu sehr komplexem Umfrom- und Versagensverhalten kommen.
- Die DIN 50154, die den Zugversuch an dünnen Proben mit einer Nenndicke kleiner 200 µm festlegt, eignet sich daher gut als alternatives Prüfverfahren zur ISO 6892. Die statischen Prüfwerte alleine reichen oft nicht aus, um das lokale Versagensverhalten bei Umformprozessen vorherzusagen. Beide Normprüfverfahren werden in der Prüfsoftware testXpert von ZwickRoell bereits als Prüfvorschrift angeboten, sodass alle wichtigen Prüfparameter bereits vor eingestellt sind.
- Die Blechumformprüfung hilft bei der Untersuchung des Bruchverhaltens bei realitätsnahen Umformprozessen (z. B. Tiefziehen) und liefert Aussagen über die Umformbarkeit und die Neigung zu Rissbildung.
- In einem Lochaufweitungsversuch kann die Kantenrissempfindlichkeit der Elektrobleche analysiert werden. ZwickRoell bietet hier eine KI-gestützte optische Erkennung des Versagens an und sorgt somit für hochgradig anwenderunabhängige und reproduzierbare Ergebnisse.
Wissenschaftliche Untersuchung zum Thema Elektrobleche
Multifunktionsanalyse mechanischer und magnetischer Eigenschaften von Elektroblechen
In einem Forschungsprojekt der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), an dem viele Universitäten beteiligt waren, wurden ZwickRoell Anlagen in mehreren Untersuchungen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass durch einen Prägeprozess gezielt Eigenspannungen in das Elektroblech eingebracht werden können. Diese Eigenspannungen beeinflussen den magnetischen Fluss im Blech und so kann die Effizienz gesteigert werden. Mithilfe eines im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten Werkzeugs konnte das magnetische Materialverhalten in-situ in einem Zugversuch gemessen werden.
Bild vgl. Forschungsbericht der DFG “Increased Efficiency of Electrical Steel by Targeted Residual Stress” Seite 206 Abschnitt 12.4
Mehr Information zu den Prüfsystemen für die E-Motor Prüfung
ZUM AUTOR:
Head of Global Industry Management
- Verantwortlich für die strategische Weiterentwicklung von Prüflösungen im Bereich Mobility und Battery bei ZwickRoell
- Spezialist für mechanische Material- und Komponentenprüfung in der Automobilindustrie
- Langjährige Forschungserfahrung am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) der TU München
- Leitung zahlreicher bilateraler Forschungsprojekte mit führenden Automobilherstellern
- Wissenschaftlicher Fokus: Charakterisierung von Blechwerkstoffen und in-situ Beugungsexperimente
- Promotion 2023 zum Thema: Elastisch-plastische Charakterisierung von hochfesten Stählen