Robust und wartungsarm - diese Eigenschaften kennzeichnen den Kurzschlussläufermotor und machen ihn zur idealen elektrischen Maschine für Antriebsaufgaben, bei denen es auf Zuverlässigkeit ankommt. Der Rotor dieser Maschine besteht aus einem gestapelten Stahlblechpaket mit eingebetteten leitfähigen Stäben, die an beiden Enden durch einen sogenannten Kurzschlussring elektrisch verbunden sind. Der Stator ist ebenfalls aus Blechpaketen aufgebaut und trägt eine mehrphasige Feldwicklung. Bei Einspeisung von Drehstrom erzeugt diese im Inneren des Stators ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor durchsetzt und in den Leiterstäben Spannungen induziert. Die Kurzschlussringe führen zu einem Stromfluss auf dem Rotor und damit zu einem Rotormagnetfeld. Die Wechselwirkung von Rotor- und Statormagnetfeld erzeugt ein Drehmoment, das an der Welle anliegt.

Die leitfähigen Stäbe und Kurzschlussringe werden im Druckgussverfahren aus Aluminium oder Kupfer hergestellt. Durch den Verzicht auf Permanentmagnete aus begrenzt verfügbaren Ressourcen ist die Kurzschlussläufer-Induktionsmaschine vergleichsweise ökologisch vorteilhaft. Gleichzeitig sind die Preisschwankungen bei Aluminium und Kupfer wesentlich geringer als bei Seltenen Erden für Dauermagnete.

Zur Glättung des Drehmoments liegen die Leiterstäbe nicht parallel zur Welle, sondern schräg, indem die einzelnen Lagen der Rotorbleche gegeneinander verdreht gestapelt werden. Dieses Verfahren führt im anschließenden Gießprozess zu schrägen Schlitzen auf dem mit den Leiterstäben gegossenen Rotor. Diese Schrägstellung der Gießkanäle bringt aufgrund des erhöhten Strömungswiderstandes aber auch Probleme mit sich. Es können Lufteinschlüsse, so genannte Lunker, in den Stromschienen und Kurzschlussringen entstehen.

Lufteinschlüsse führen zu einem lokalen Anstieg des elektrischen Widerstands, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt. Durch die zufällige Verteilung der Lufteinschlüsse in den Stromschienen kommt es zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung, die zu einer Asymmetrie des Rotormagnetfeldes und damit zu einer Erhöhung der Drehmomentwelligkeit führt. Abhängig von der Größe der Lunker und der jeweiligen Anwendung führen die erhöhte Drehmomentwelligkeit und der geringere Wirkungsgrad zu erheblichen Problemen.

Nach dem Gießen ist die Herstellung des aktiven Rotorteils abgeschlossen. In der Weiterverarbeitung wird die Oberfläche des Aktivteils zunächst durch spanende Bearbeitung geglättet, anschließend auf die Rotorwelle aufgeschrumpft, und die Lager werden montiert. Je nach Anwendung werden zusätzliche Komponenten, wie z.B. ein Lüfterrad, angebracht. Im letzten Schritt wird der komplette Rotor ausgewuchtet. Die Nachbearbeitung der Gussteile macht einen großen Anteil des Fertigungsprozesses aus. Die Qualität der Gussteile kann jedoch erst nach der vollständigen Montage, dem Einbau in den Stator und im Betrieb beurteilt werden. Wird eine inakzeptable Drehmomentwelligkeit festgestellt, ist der gesamte Rotor unbrauchbar und die komplette Nachbearbeitung hat unnötige Kosten verursacht.

Eine zuverlässige Beurteilung des Gussteils noch vor der Nachbearbeitung könnte daher viel Zeit und Kosten sparen. Hier kann die Röntgentechnik und insbesondere die dreidimensionale Computertomografie Unterstützung leisten. In einem gemeinsamen Projekt anhand eines defekten Asynchronmotors haben das Institut für Elektrische Energiewandlung (iew) und YXLON International interessante Erkenntnisse gewonnen.

Aufgrund der Materialdichte und der komplexen Strukturen wurde die Untersuchung mit dem FF85 CT System unter Verwendung des Zeilendetektors CTScan 3 und 450 kV durchgeführt. Bei der so genannten Fächerstrahl-CT wird das Objekt Schicht für Schicht in voller horizontaler Drehung von 360° gescannt. Diese CT-Methode ist zwar wesentlich zeitaufwändiger als die Kegelstrahl-CT mit Flachdetektor, ermöglicht aber die Durchdringung von sehr dichtem Material ohne störende Artefakte.

Abb. 3: Veranschaulichung der Fächerstrahltechnik

Abb. 4: CT-Volumen - Überblick über das Teil

Abb. 5 + 6: Schnitt durch das Bauteil

Die zweidimensionalen Schichtbilder können einzeln betrachtet oder zu einem hochauflösenden, dreidimensionalen Volumen rekonstruiert werden, das wiederum an jeder Stelle virtuell geschnitten und analysiert werden kann.

Deutlich sichtbar ist die Porosität in den Kurzschlussringen sowie in einigen leitenden Stegen.

Abb. 7: Porosität im Kurzschlussring

Abb. 8: Porosität in den leitfähigen Stäben

Abb. 9 + 10: CT-Volumen mit Porenanalyse

Inwieweit solche Porenvorkommen für welche Anwendung funktionsbeeinträchtigend sind und wo Toleranzen definiert werden können, muss in weiteren Untersuchungen ermittelt werden.

Auch wenn die Computertomografie auf den ersten Blick aufwendig erscheint und die Ultraschalltechnik für die Serienprüfung von Induktionsmaschinen bereits weit verbreitet ist, bieten bildgebende CT-Verfahren umfassendere und genauere Prüfergebnisse. Moderne Softwareprogramme ermöglichen eine automatische Fehlererkennung und können Anomalien innerhalb vorgegebener Toleranzen automatisch auswerten. Damit erhält der Hersteller nicht nur eine objektive Beurteilung seiner Produkte, vielmehr können die Prüfungen parallel zum Fertigungsprozess ohne zusätzlichen Aufwand durch erfahrene Spezialisten erfolgen. Die frühzeitige Bestimmung der Qualität eines Motors noch vor der Weiterverarbeitung würde Zeit, Ressourcen, Material und Kosten sparen, ein nicht zu unterschätzender wirtschaftlicher Faktor bei der stetig steigenden Nachfrage nach Elektromobilität.

Das Institut für Elektrische Energiewandlung (iew) wurde im Juni 2011 an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Stuttgart gegründet. Die Forschungsarbeit des Instituts konzentriert sich auf zwei Schwerpunkte: elektrische Maschinen und kontaktlose Energieübertragung. Beide Bereiche gehören zu den Kernthemen der Elektromobilität. Die Wissenschaftler des iew erforschen die Auslegung von Elektromotoren mit sehr hoher Drehmomentdichte und lagetoleranten induktiven Ladesystemen. Ziel ist es, hocheffiziente Komponenten für die Elektrofahrzeuge der Zukunft zu entwickeln.