Additive Fertigung im Elektromaschinenbau: Erforschung von Potentialen der additiven Fertigung in Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen

Abstract

Die DFG-Projekte AddFeRo-PM (406108415) und AddFeRo-SR (465089065) untersuchten die Potenziale des LB-PBF/M-Verfahrens zur Herstellung von Rotoren für unterschiedliche elektrische Maschinen. Im interdisziplinären Ansatz wurden Materialentwicklung und mechanische sowie elektromagnetische Optimierung verbunden. Im Projekt „AddFeRo-PM“ wurde der Rotor einer permanentmagneterregten Synchron- maschine (PMSM) untersucht. FeSi erwies sich als geeignete Legierung, konnte aber wegen Spannungsrissen nur bis zu 3 % Siliziumanteil (kurz: FeSi3) verarbeitet werden. Mechanische und elektromagnetische Untersuchungen ermöglichten eine 3D-Optimierung der Rotorgeometrie und -struktur. Der Demonstrator wurde additiv gefertigt und zeigt Leicht-baupotenziale sowie reduzierte Drehmomentwelligkeit. Im Folgeprojekt „AddFeRo-SR“ kam eine Hochtemperatur-Bauraumheizung (HTBH) zum Einsatz, die FeSi mit 6,5 % Siliziumanteil verarbeitbar machte, welches bessere elektro- magnetische Eigenschaften bietet. Sie wurde bei einer Synchron-Reluktanzmaschine (SynRM) getestet. Eine hybride Rotorfertigung erwies sich jedoch aufgrund von HTBH-Einschränkungen als ungeeignet, weshalb eine einteilige Fertigung mit FeSi3 umgesetzt wurde. Experimente bestätigten vergleichbare Betriebsergebnisse zur konventionellen Fertigung bei reduzierter Rotormasse. Zusätzlich wurde eine Methodik entwickelt, um additive Verfahren als Ergänzung zur konventionellen Fertigung zu integrieren. Beide Projekte zeigen das Potenzial additiver Fertigung für Leichtbau und Wirkungsgradsteigerung im Elektromaschinenbau und bieten wertvolle Grundlagen für industrielle Anwendungen. The DFG projects AddFeRo-PM (406108415) and AddFeRo-SR (465089065) investigated the potential of the LB-PBF/M process to produce electric motors. The interdisciplinary approach combined material development with mechanical and electromagnetic optimisation. In the ‘AddFeRo-PM’ project, the rotor of a permanent magnet synchronous machine (PMSM) was investigated. FeSi proved to be a suitable alloy but could only be processed up to 3 % silicon content (short: FeSi3) due to stress cracks. Mechanical and electromagnetic investi-gations made it possible to 3D-optimise the complete rotor design. The demonstrator was additively manufactured and shows potential for lightweight design and reduced torque ripple. In the follow-up project ‘AddFeRo-SR’, a high-temperature building space heater (HTBH) was used to process FeSi with 6.5 % silicon, which offers better electromagnetic properties. It was tested on a synchronous reluctance machine (SynRM). Hybrid rotor production proved to be unsuitable due to HTBH limitations, which is why a one-piece production with FeSi3 was realised. Experiments confirmed comparable operating results to conventional manu- facturing with reduced weight. In addition, a methodology was developed to integrate additive processes as a supplement to conventional manufacturing. Both projects demonstrate the potential of additive manufacturing for lightweight construction and increased efficiency in electrical engineering and provide valuable basics for industrial applications.