Zur Auslegung von Faserverbund-Bandagen für Elektromotoren

Bandagen werden seit Jahrhunderten für statisch sowie dynamisch belastete Bauteile eingesetzt. Neben Metallen bietet sich auch die Nutzung von Faserkunststoffverbunden als Bandagenwerkstoff an, da diese über vergleichsweise hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten verfügen. Sehr häufig finden Bandagen bei rotationsbelasteten Körpern wie Zentrifugen, Elektromotoren und Schwungrädern Verwendung, da bei diesen aufgrund ihrer Funktionsweise der eigentliche Rotationskörper zumeist nicht aus hochfesten Werkstoffen bestehen kann. Dabei dienen Bandagierungen dazu, den sicher nutzbaren Einsatzbereich weiter zu steigern. In diesen Fällen werden zumeist Umfangsbandagen aus Faserkunststoffverbunden eingesetzt, welche die aus der Zentrifugalkraft resultierenden radialen Kräfte und die zusätzlichen aus der Funktionsweise resultierenden tangentialen oder axialen Kräfte aufnehmen. Ausgehend von rotationssymmetrischen Bauteilen mit über den Umfang homogener rotationssymmetrischer Masseverteilung, rotationssymmetrischem Materialverhalten, etwa isotrop oder polarorthotrop, und zentrischer Drehachse kann idealisiert von einer rein radialen Verformung (Aufweitung) ausgegangen werden. In Abweichung zu den idealisierten Annahmen weisen technische Anwendungen, wie etwa Elektromotoren und Zentrifugen häufig keine homogene rotationssymmetrische Masseverteilung auf. Dies führt zwangsläufig dazu, dass die Aufweitungen dieser Körper unter Rotationslast inhomogen sind. Dadurch werden in applizierten Umfangsbandagen lokale Spannungserhöhungen induziert, welche zu einem vorzeitigen lokalen Materialversagen führen können. Mit der Promotion wurde ein grundlegendes Verständnis für die auftretenden Effekte innerhalb von inhomogen belasteten, dünnwandigen Faserkunststoffverbund-Bandagen – am Beispiel eines Klauenpolrotors für einen Elektromotor – entwickelt. Dabei wurden die Grundlagen für eine effiziente und sichere Auslegung von dünnwandigen Bandagen für Rotoren mit inhomogener Masseverteilung geschaffen. Auf Grundlage aller getätigten Untersuchungen wurden Empfehlungen zur geeigneten Werkstoffcharakterisierung, numerischen Analyse, Wahl geeigneter Versagenskriterien, Fertigung und Prüfung von Faserkunststoffverbund-Bandagen mit duroplastischer Matrix für Elektromotoren abgeleitet.:1 Einleitung 2 Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2.1 Elektromotoren 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise von Asynchronmaschinen 2.1.2 Aufbau und Wirkungsweise von Synchronmaschinen 2.2 Anforderungen des MotorBrain-Projekts an den Motor 2.3 Klauenpolrotoren 2.4 Soft-Magnetic-Composites 2.4.1 Herstellung von SMC-Bauteilen aus Somaloy Pulvern 2.4.2 Materialeigenschaften von SMC-Pressbauteilen 2.4.3 Mechanische Kennwerte von ausgewählten SMC 2.5 Hartferrit-Magnete 2.6 Ausgewählte Werkstoffe für die Rotorbandagierung 2.6.1 Nickelbasis-Legierungen 2.6.2 Edelstahl 2.6.3 Titan 2.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff 2.6.5 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff 3 Neuartiger Klauenpolrotor mit axialen Ringmagneten 3.1 Randbedingungen 3.2 Konzepte für neuartige Klauenpolrotoren 3.2.1 Klauenpolgrundkörper aus Soft-Magnetic-Composites 3.2.2 Numerische Analyse der vorgestellten Konzepte 3.2.3 Klauenpolgrundkörper aus Elektroblech mit eingesetzten SMC-Klauen 3.3 Weiterentwicklung des hybriden Klauenpolrotors 4 Versagenskriterien für die Auslegung von dünnwandigen Faser-Kunststoff- Bandagen 4.1 Phänomenologische Unterscheidung der Bruchformen 4.2 Makromechanische Versagenskriterien 4.2.1 Maximalspannungs- und Maximaldehnungshypothesen 4.2.2 Interaktionskriterium nach Hill 4.2.3 Interaktionskriterium nach Tsai-Wu 4.2.4 Kritische Würdigung der makromechanischen Versagenskriterien 4.3 Mesomechanische Kriterien 4.3.1 Versagenskriterium nach Hashin 4.3.2 Versagenskriterium nach Puck 4.3.3 Versagenskriterium nach Langley Research Center – LaRC 05 4.3.4 Versagenskriterium nach Cuntze 4.3.5 Versagenskriterium nach Vogler 4.3.6 Kritische Würdigung der mesomechanischen Versagenskriterien 5 Auslegung des Rotors 5.1 Vorstellung des Berechnungsmodells 5.1.1 Versagenskriterien 5.1.2 Materialkennwerte 5.1.3 Vernetzung und Elementtypen 5.1.4 Kontakt-Definition 5.1.5 Lagerung 5.2 Prinzipielles Spannungs-Verformungs-Verhalten 5.2.1 Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die Verformung 5.2.2 Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die Spannungen 5.3 Untersuchung der Bandagendicke 5.4 Einfluss der Haftreibung 5.5 Einfluss der magnetischen und rotatorischen Kräfte 5.6 Einfluss der Vorspannung sowie der Rotortemperatur 5.7 Einfluss des Bandagenaufbaus 6 Fertigung und Test der Prototypen 6.1 Gestaltung und Fertigung 6.2 Zerstörungsfreie Untersuchung 6.3 Zerstörende Untersuchung 7 Gegenüberstellung der Berechnungs- und Testergebnisse 7.1 Randbedingungen der Simulation 7.2 Einfluss der Modellierung 7.3 Vergleich der Simulationsergebnisse für Testrotor 1 7.4 Vergleich der Simulationsergebnisse für Testrotor 2 7.5 Schlussfolgerungen 8 Empfehlungen 8.1 Materialkennwerte 8.2 Numerische Analyse 8.3 Fertigung 8.4 Experimentelle Untersuchungen 9 Zusammenfassung 10 Literaturverzeichnis 11 Anhan