Robust und wartungsarm – diese Eigenschaften zeichnen den Käfigläufer-Induktionsmotor aus und machen ihn zur idealen elektrischen Maschine für Antriebsaufgaben, bei denen Zuverlässigkeit an erster Stelle steht. Der Rotor dieser Maschine besteht aus einem geschichteten Blechpaket mit eingebetteten leitfähigen Stäben, die an jedem Ende durch einen sogenannten Kurzschlussring elektrisch verbunden sind. Auch der Stator ist in Blechbauweise ausgeführt und trägt eine mehrphasige Feldwicklung. Bei Speisung mit einem Dreiphasenstrom erzeugt diese ein rotierendes Magnetfeld im Inneren des Stators, welches den Rotor durchdringt und Spannungen in den leitfähigen Stäben induziert. Die Kurzschlussringe führen zu einem Stromfluss auf dem Rotor und somit zu einem rotorseitigen Magnetfeld. Das Zusammenspiel der Magnetfelder von Rotor und Stator erzeugt ein Drehmoment, das an der Welle anliegt.

Die leitfähigen Stäbe und Kurzschlussringe werden im Druckgussverfahren aus Aluminium oder Kupfer hergestellt. Ohne Permanentmagnete aus nur begrenzt verfügbaren Ressourcen ist die Käfigläufer-Induktionsmaschine ökologisch im Vorteil gegenüber der permanentmagneterregten Synchronmaschine. Gleichzeitig sind die Preisschwankungen für Aluminium und Kupfer wesentlich geringer als für Seltenerdelemente für Permanentmagnete.

Zur Glättung des Drehmoments verlaufen die Leiterstäbe nicht parallel zur Welle, sondern schräg, indem die einzelnen Lagen der Rotorbleche zueinander verdreht geschichtet werden. Dies führt zu Schrägschlitzen im Rotor, die beim anschließenden Gießprozess mit den Leiterstäben ausgegossen werden. Diese Schrägstellung der Gusskanäle führt aufgrund des erhöhten Strömungswiderstands zu Problemen beim Gießprozess. Infolgedessen kommt es zu Lufteinschlüssen, sogenannten Lunkern, in den Leiterstäben und Kurzschlussringen.

Lufteinschlüsse führen zu einer lokalen Erhöhung des elektrischen Widerstands, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt. Durch die zufällige Verteilung der Lufteinschlüsse in den Leiterstäben kommt es zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung, die zu einer Asymmetrie des Rotor-Magnetfelds und damit zu einer Erhöhung der Drehmomentwelligkeit führt. Je nach Größe der Lunker und der jeweiligen Anwendung führen die verstärkte Drehmomentwelligkeit und der reduzierte Wirkungsgrad zu erheblichen Problemen.

Nach dem Gießprozess ist die Herstellung des aktiven Motorteils abgeschlossen. Bei der weiteren Bearbeitung wird die Oberfläche des Aktivteils zunächst durch spanende Bearbeitung geglättet, gefolgt vom Aufschrumpfen auf die Rotorwelle und der Montage der Lager. Je nach Anwendung werden zusätzliche Komponenten wie ein Lüfterrad montiert. Im letzten Schritt wird der komplette Rotor gewuchtet. Die Endbearbeitung der Gussteile macht einen großen Teil des Herstellungsprozesses aus. Die Qualität der Gussteile lässt sich jedoch erst nach ihrer vollständigen Montage, dem Einbau in den Stator und im Betrieb beurteilen. Wird eine inakzeptable Drehmomentwelligkeit festgestellt, ist der gesamte Rotor unbrauchbar, und der komplette Nachbearbeitungsprozess hat zu unnötigen Kosten geführt.

Eine zuverlässige Beurteilung des Gussteils noch vor der Nachbearbeitung kann daher viel Zeit und Kosten sparen. Hier können Röntgentechnologie und insbesondere die dreidimensionale Computertomographie Abhilfe schaffen. In einem gemeinsamen Projekt an einem defekten Asynchronmotor haben das Institut für Elektrische Energiewandlung (iew) und YXLON International interessante Erkenntnisse gewonnen.

Aufgrund der Materialdichte und der komplexen Strukturen wurde die Prüfung mit dem YXLON FF85 CT-System unter Einsatz des Zeilendetektors CTScan 3 und 450 kV durchgeführt. Bei der sogenannten Fächerstrahl-CT (Fan-Beam-CT) wird das Objekt in einer vollständigen horizontalen Rotation von 360° schichtweise gescannt. Obwohl dieses CT-Verfahren deutlich zeitaufwendiger ist als die Kegelstrahl-CT mit Flachdetektor, ermöglicht es die Durchstrahlung selbst sehr dichten Materials ohne störende Artefakte.

Abb. 3: Darstellung der Fächerstrahltechnologie.

Abb. 4: CT-Volumen – Bauteilübersicht

Abb. 5 + 7: Teilschnitt durch das Bauteil

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

Porosität ist sowohl in den Kurzschlussringen als auch in einigen Leiterstäben deutlich sichtbar.

Abb. 7: Porosität im Kurzschlussring

Abb. 5: Porosität in den Leiterstäben

Abb. 6 + 7: CT-Volumen mit Porenanalyse

In welchem Maße solche Porenvorkommen für welche Anwendung funktionell beeinträchtigend sind und wo Toleranzen definiert werden können, muss in weiteren Untersuchungen geklärt werden.

Auch wenn die Computertomographie auf den ersten Blick kostspielig erscheint und die Ultraschalltechnik für die Serienprüfung von Asynchronmaschinen bereits weit verbreitet ist, bieten bildgebende CT-Verfahren umfassendere und präzisere Prüfergebnisse. Moderne Softwareprogramme ermöglichen eine automatisierte Defekterkennung und können automatische Auswertungen von Anomalien innerhalb vordefinierter Toleranzen durchführen. Dies würde dem Hersteller nicht nur eine objektive Bewertung seiner Produkte ermöglichen, sondern vor allem könnten die Prüfungen parallel zum Herstellungsprozess ohne zusätzlichen Aufwand durch erfahrene Spezialisten erfolgen. Die frühzeitige Bestimmung der Motorengüte noch vor der weiteren Bearbeitung würde Zeit, Ressourcen, Material und Kosten sparen – ein wirtschaftlicher Faktor, der bei der stetig wachsenden Nachfrage nach Elektromobilität nicht unterschätzt werden darf.

Das Institut für Elektrische Energiewandlung (iew) wurde im Juni 2011 an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Stuttgart gegründet. Die Forschungsarbeiten des Instituts konzentrieren sich auf zwei Hauptbereiche: elektrische Maschinen und kontaktlose Energieübertragung. Beide Felder gehören zu den Hauptthemen der Elektromobilität. Die Wissenschaftler des iew erforschen die Auslegung von Elektromotoren mit sehr hoher Drehmomentdichte und positionstoleranten induktiven Ladesystemen. Ziel ist die Entwicklung hocheffizienter Komponenten für Elektrofahrzeuge der Zukunft.