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Die perfekte (Rotor)-Welle

Ohne Rotorwelle kein Elektroauto:

Als Herzstück der E-Maschine wandelt sie elektrische in kinetische Energie und leitet diese in den Antriebsstrang. Ihre Auslegung entscheidet darüber, mit welchen Drehzahlen und Drehmomenten ein Elektromotor betrieben werden kann. Bei der Entwicklung der mehrteiligen Rotorwelle von thyssenkrupp Dynamic Components konnte der Konzern auf wertvolles Know-how einer ganz anderen Antriebstechnik zurückgreifen: Die Erfahrung mit gebauten Nockenwellen aus dem Verbrennungsmotor.

Die Anfänge der Rotorwellenentwicklung liegen bereits rund eine Dekade zurück: Bei thyssenkrupp Dynamic Components hatte sich die gebaute Nockenwelle als Alternative zur gegossenen oder geschmiedeten Welle bereits etabliert. Ihr Hauptvorteil: Innerhalb des komplexen Bauteils können unterschiedliche Werkstoffe belastungsgerecht miteinander kombiniert werden. So muss sich das Material der gesamten Welle nicht an dem Bauteil mit der höchsten Belastung orientieren. Bei gebauten Nockenwellen bestehen nur hochbelastete Komponenten wie die Nocken aus hochfestem Stahl. Für die anderen Bereiche können bei den Materialeigenschaften völlig andere Kriterien im Mittelpunkt stehen, die Flexibilität bei der Materialauswahl steigt. Daraus ergeben sich Kosten- und Gewichtsvorteile sowie die Möglichkeit einer flexibleren Fertigung. Um diese Technologie aber – insbesondere das Verbinden der verschiedenen Werkstoffe und Komponenten – zu beherrschen, ist spezielles Know-how gefordert: Dabei konnten die Ingenieure auf die konzerneigene Erfahrung und die Fertigungsprozesse von thyssenkrupp Dynamic Components zurückgreifen.

Bereits gesammelte Erfahrungen mit Nockenwellen konnte thyssenkrupp Dynamic Components auf Rotorwellen für die Antriebstechnik von Elektromotoren übertragen.

Von der Nocken- zur Rotorwelle

Die Nockenwellen-Spezialisten aus Eschen entschieden sich bereits frühzeitig ihr Know-how auf Rotorwellen für Elektromotoren zu übertragen. Dabei ließ sich vor zehn Jahren noch kaum absehen, welche Dynamik der Markt für Elektromobilität ab den 2020er Jahren entwickeln würde. Aber – ähnlich wie bei Nockenwellen – ging es bei der Rotorwelle um Gewichtsoptimierung und maximale Kosteneffizienz. Allerdings bei wesentlich höheren Drehmomenten und Drehzahlen: Denn während eine Nockenwelle nur halb so schnell wie die Kurbelwelle rotiert – also im Durchschnitt mit etwa 3.500 Umdrehungen 1/min – zeichnete sich für Rotorwellen schon damals eine Drehzahl von 20.000 1/min ab. Eine enorme Belastung und noch längst nicht das Ende der Entwicklungsziele: Der heutige Trend zeigt bereits in Richtung 25.000 1/min.

Die Rotorwelle, welche vor zehn Jahren überwiegend als massives Bauteil gestaltet war, leitet die kinetische Energie, die durch das wechselnde elektromagnetische Feld zwischen Rotor und Stator entsteht, ins Getriebe weiter. Bei den genannten Drehzahlen von bis zu 25.000 1/min werden Drehmomente übertragen, die im Vergleich zu konventionellen PKW Nockenwellen um den Faktor 3-5 größer sind. Um damit zurechtzukommen, sind belastungsgerechte Auslegung und geringe Fertigungstoleranzen oberstes Gebot – zum Beispiel beim Rundlauf der Passverzahnung. Martial Danthois, Leiter Grundlagenentwicklung bei thyssenkrupp Dynamic Components: „Wir kamen schnell zu dem Schluss, dass wir die Anforderungen an eine Rotorwelle mit der mehrteiligen Bauform gut abbilden können und versprachen uns Vorteile davon. Um die Serienentwicklung einer mehrteiligen Rotorwelle überhaupt realisieren zu können, waren unsere Erfahrungen mit der gebauten Nockenwelle Gold wert: Denn in beiden Fällen steckt in den Verbindungen der verschiedenen Materialien und Komponenten das entscheidende Know-how.“

Der Einsatz unterschiedlicher Materialien bietet auch bei der Rotorwelle reichlich Potenzial. Da an der Abtriebseite der Welle im Bereich der Verzahnung höhere Drehmomente auftreten, können diese durch eine gezielte Werkstoffauswahl mit höheren Legierungen perfekt ausbalanciert werden. Für das Rohr und den Lagerflansch auf der anderen Seite werden Materialien mit geringerer Legierungsgüte eingesetzt.

Bereits gesammelte Erfahrungen mit Nockenwellen konnte thyssenkrupp Dynamic Components auf Rotorwellen für die Antriebstechnik von Elektromotoren übertragen.

Hohle Ausführung für zusätzliche Funktionen

Ein zentraler Vorteil der mehrteiligen Bauweise ist zudem, dass die Welle hohl ausgeführt ist. Dabei kann bei besonders leistungsfähigen Elektromotoren der Hohlraum für zusätzliche Funktionen genutzt werden. Die thyssenkrupp-Ingenieure verwenden ihn zur Kühlung, indem eingespritztes Kühlmittel durch die Fliehkraft der rotierenden Welle an die Innenseite der Wand geschleudert wird. Durch den konvektiven Wärmeübergang wird Wärme aus der Rotorwelle abgeleitet und der Elektromotor somit gekühlt. Anschließend wird das Kühlmittel aus der Welle hinausgeleitet und in einem Kreislauf mit einem Wärmetauscher heruntergekühlt.

Die Kühlfunktion über die Zentrifugalkraft beherrschen auch einteilige, hohle Rotorwellen, aber für diese Bauform gilt das Gleiche wie für einteilige Nockenwellen im Verbrennungsmotor: Ihre Auslegung orientiert sich zwangsläufig an dem am stärksten belasteten Bereich. Die Materialgüte der gesamten Welle ist dadurch vorgegeben, eine flexible und bedarfsgerechte Materialauswahl nicht möglich. Aus diesem Grund bieten sich bei mehrteiligen Wellen mit flexibler Materialauswahl Kostenvorteile.

Vom Pilotprojekt zur Serie

In enger Zusammenarbeit wurde die Serienentwicklung an den Standorten Eschen (LIE), Ilsenburg (D) und Chemnitz (D) vorangetrieben – gemeinsam mit den Komponenten- und Anlagenlieferanten sowie unter Berücksichtigung der Vorgaben des OEMs. Nach Lieferung der geforderten Prototypen und Qualifizierung des Produkts folgte der Aufbau der Fertigungslinien und der Serienstart zuerst am Standort Chemnitz. Nachfolgeprojekte sind in Ilsenburg angelaufen. Im Jahr 2021 kam es aufgrund des neuen, erweiterten Produktportfolios zur Umfirmierung der Unternehmensgruppe in thyssenkrupp Dynamic Components.

Die erfolgreiche Markteinführung der ersten mehrteiligen Rotorwelle mit dem thyssenkrupp Presta-Verfahren hat zwei weitere Initiativen angestoßen. Zum einen haben vermehrte Anfragen der OEMs zu neuen Rotorwellenprojekten geführt, mit denen das Know-how und die Erfahrung weiter ausgebaut, sowie innovative Fertigungstechnologien untersucht und eingeführt werden sollen.

Fokus-Erweiterung: Von der Welle zum Rotor

Darüber hinaus hat das Forschungs- und Entwicklungsteam von thyssenkrupp Dynamic Components den Fokus von der Optimierung der Rotorwelle auf den gebauten Rotor erweitert. Besondere Herausforderungen sind zum Beispiel das Befestigen der Blechpakete auf der Rotorwelle sowie der Magnete im Blechpaket.

Eine zusätzliche Herausforderung bei der Fertigung von gebauten Rotoren entsteht aus den Kundenanforderungen zur zulässigen Restunwucht bzw. der Wuchtgüte. Diese Anforderungen lassen sich zum einen aus den hohen Rotordrehzahlen ableiten und nehmen Einfluss auf die Lagerlebensdauer und folglich auf die Lebensdauer des Elektromotors. Zum anderen wird das dynamische Gesamtsystem Elektromotor durch Unwuchten zum Schwingen angeregt. Die Ausprägung dieser Schwingungen und deren Fortpflanzung (Luft- und Körperschall) beeinflusst maßgeblich den Fahrkomfort. Aufgrund des Entfalls vom Verbrennungsmotor ist davon auszugehen, dass die Grenzwerte hinsichtlich Luft- und Körperschall weiter abgesenkt werden.

Martial Danthois: „Unser Ehrgeiz besteht darin, die bestehenden Serienverfahren weiter zu optimieren. Wir arbeiten aber auch an vollkommen neuen Fertigungsprozessen, mit denen wir die Produktivität weiter steigern und Ausschuss sowie Nacharbeit reduzieren können.“