Kann CRGO-Laminierung in Motoren verwendet werden? Pro, Kontra und Nischenfälle

Kurze Antwort für vielbeschäftigte Einkaufs- und Konstruktionsteams

Ja, CRGO-Laminierungen können in Motoren verwendet werden. Aber nicht so, dass man das Material in der Stückliste einfach austauscht und es als erledigt betrachtet.

In Standard-Asynchron- oder PM-Motoren mit konventionellen Stator/Rotor-Paketen:

• CRGO verwenden ohne Umgestaltung in der Regel schmerzt Leistung: höhere örtliche Verluste, frühere Sättigung in einigen Bereichen, größere Drehmomentwelligkeit, weniger vorhersehbares Rauschen.
• Die meisten kommerziellen Motoren verwenden nicht orientierten Siliziumstahl, weil das Magnetfeld im Kern rotiert; sie benötigen ein nahezu isotropes Verhalten in der Blechebene, das CRGO einfach nicht hat.
• CRGO in Motoren macht nur dann Sinn, wenn man die Flusswege und die Stapelgeometrie bewusst so gestaltet, dass der Fluss in jedem Teil überwiegend der Rollrichtung folgt (segmentierte Statoren, verschobene Stapel, axialer Fluss usw.).

Also die praktische Regel:

CRGO ist keine Nachrüstlösung für Standardmotorbleche. Es ist ein Werkzeug für spezielle Topologien und hocheffiziente Prototypen, wenn Design und Fertigung die Komplexität unterstützen können.

Warum Motoren in der Regel bei nicht orientiertem Elektroband bleiben

Sehr kurze Zusammenfassung, ohne Lehrbuchdiagramme.

• In Transformatoren bleibt der Fluss meist auf einem geraden Weg.
• In Motoren dreht sich der Fluss ständig: Zähne, Joch, Schlitzöffnungen, Rotorgeometrie. Die lokale Magnetisierungsrichtung schwankt über den elektrischen Zyklus.

Kornorientierter Stahl wird so hergestellt, dass die “leichte” Magnetisierungsrichtung mit der Walzrichtung übereinstimmt. Entlang dieser Richtung sind die Verluste gering und die Induktion hoch; senkrecht dazu nehmen die Verluste und die Permeabilität stark ab.

Nicht orientierter Stahl verteilt seine Leistung gleichmäßiger. Der Verlust ist entlang der besten Richtung höher als bei CRGO, aber viel besser als bei CRGO, wenn das Feld nicht in der Achse liegt. Das ist der Grund, warum in Datenblättern und Handbüchern immer wieder gesagt wird:

• CRGO → statische Kerne (Leistungs-/Verteilungstransformatoren).
• CRNO/CRNGO → Motoren, Generatoren, rotierende Maschinen. 

Der Flussweg deines Motors ist nicht ein einziger sauberer Pfeil. Es ist eher wie eine Schleife, die vergessen hat, in einer Ebene zu bleiben.

Das ist der Hauptgrund.

Was passiert eigentlich, wenn Sie CRGO für ein Motorlaminatpaket angeben?

Nehmen wir einen häufigen Fall an: eine Wechselstrommaschine mit radialem Durchfluss, geschlitztem Stator und herkömmlichem Rotor. Sie bitten Ihren Laminierungslieferanten, die gleiche Geometrie in CRGO statt in CRNGO zu stanzen.

1. Magnetisches Verhalten im tatsächlich gebauten Kern

Auf dem CRGO-Datenblatt sehen Sie einen beeindruckend niedrigen Verlust bei 1,5 T, 50/60 Hz entlang der Rollrichtung. Alles gut.

Im Inneren Ihres Motors:

• Zähne sehen den Fluss meist entlang ihrer Länge, aber nicht überall perfekt ausgerichtet.
• Joch verläuft in Umfangsrichtung. Teile dieses Pfads werden ausgerichtet, andere Teile werden in Bezug auf die Walzrichtung verschoben, je nachdem, wie Ihre Zuschnitte verschachtelt wurden.
• Um Schlitzöffnungen, Kerben und Brücken herum schneiden die Flusslinien die Walzrichtung auf unschöne Weise.

Ergebnis:

• Mit der Rollrichtung ausgerichtete Regionen verhalten sich wie angekündigt.
• In Regionen, die um 45-90° versetzt sind, ist der lokale Kernverlust höher und die Permeabilität geringer als erwartet.

Konstruktionswerkzeuge, die von Isotropie ausgehen, sagen dieses Chaos nicht richtig voraus. FEA-Modelle mit geeigneten anisotropen BH- und Verlustdaten können dies zeigen, aber die meisten älteren Motormodelle enthalten keine vollständigen gerichteten Verlustflächen.

Sie erhalten also etwas wie:

• Die globale Effizienz wird sich möglicherweise nicht verbessern.
• Der Eisenverlust wird ungleichmäßig verteilt, Hotspots entstehen.
• Drehmomentwelligkeit und akustisches Verhalten verändern sich in einer Weise, die Sie nicht eingeplant haben.

2. Verlust- und Temperaturkarte

Akademische und industrielle Studien, in denen GOES-Statoren in Wechselstrommaschinen getestet wurden, berichten häufig:

• Die Reduzierung des Eisenverlustes wird nur erreicht, wenn die Lamellen verschoben oder segmentiert damit der Fluss immer wieder eine einfache Richtung über Schichten oder Segmente hinweg finden kann.
• Bei “einfachen” Statoren aus CRGO, die wie NO-Stahl geschnitten sind, ist der Gewinn gering oder sogar negativ.

In einem Beispiel für eine 10-kW-Induktionsmaschine konnte der Wirkungsgrad durch die Umstellung auf verschobene GO-Statorbleche um etwa 2 Prozentpunkte verbessert werden, was jedoch eine sorgfältige Wahl des Verschiebungswinkels und eine anisotrope Modellierung im Designfluss voraussetzte.

CRGO kann also helfen, aber nur, wenn Sie die Geometrie davon profitieren lassen. Eine bloße Änderung des Sortencodes in der Spezifikation reicht dafür nicht aus.

3. Herstellung und Stapelaufbau

Der Einkauf spürt den Schmerz in der Regel zuerst.

• Dicke
  • Viele CRGO-Sorten für Transformatoren sind 0,23-0,27 mm dick.
  • Die Standard-CRNGO-Sorten für Motoren liegen in der Regel zwischen 0,35 und 0,50 mm, manchmal auch bei 0,65 mm für kostenbewusste Designs.
  • Dünnere Bleche sind gut für den Verlust, erfordern aber eine genauere Werkzeugkontrolle, eine bessere Handhabung der Planlage und andere Presseneinstellungen.
• Stanzen und Gratkontrolle
  • CRGO kann empfindlicher auf mechanische Beanspruchung reagieren; Kantenbeschädigungen beeinträchtigen genau die Eigenschaften, für die Sie bezahlt haben.
  • Die Grathöhenvorgaben müssen möglicherweise verschärft werden, da sonst ein Großteil der Vorteile durch zusätzliche Verluste und Rauschen verloren geht.
• Orientierungskontrolle
  • Jetzt ist es wichtig, wie jeder einzelne Rohling in Bezug auf die Walzrichtung ausgerichtet ist.
  • Das bedeutet eine komplexere Verschachtelung, eine potenziell geringere Blechausnutzung und eine strengere Rückverfolgbarkeit für jedes Coil.
• Beschichtung und Stapelfaktor
  • Viele CRGO-Coils werden mit Beschichtungen ausgeliefert, die für das Schneiden und Stapeln von Transformatorenbändern optimiert sind, nicht aber für Hochgeschwindigkeits-Stanzanlagen für Motoren. Die Wahl der Beschichtung hat einen direkten Einfluss auf den Stapelfaktor, den Widerstand zwischen den Lamellen, den Verschleiß der Stempel und das Risiko, dass die Lamellen verkleben.

All das treibt die Kosten und das Produktionsrisiko in die Höhe. Manchmal mehr als die Watt, die man einsparen will.

4. Kosten und Lieferkette

Selbst wenn man die Physik beiseite lässt:

• CRGO ist in der Regel pro Kilogramm teurer als CRNGO in Motorqualität bei ähnlichem Siliziumgehalt, was auf die engeren Verarbeitungswege zurückzuführen ist.
• Spulenbreiten und Logistik sind auf die Märkte für Transformatoren abgestimmt. Die Abmessungen und Volumina der Motorenkaschierung entsprechen möglicherweise nicht den Anforderungen von Walzwerken und Schneideanlagen.
• Es kann sein, dass Sie mit “nicht standardmäßigen” Mindestmengen und längeren Lieferzeiten konfrontiert werden, vor allem wenn Sie bestimmte Kombinationen aus Dicke, Beschichtung und Qualität wünschen, die für den Einsatz im Motor optimiert sind.

Wenn Ihr Design also keine klare Leistung aus CRGO herausholt, muss der Käufer mehr für einen schwieriger herzustellenden Stack bezahlen, der das Datenblatt des Motors nicht offensichtlich verbessert.

CRGO vs. CRNO/CRNGO für Motoren - schneller Vergleich

Nur vom Standpunkt des Motors aus betrachtet:

Nischenmotoren, für die CRGO sinnvoll ist

Hier wird es für Ingenieure interessant, die auf der Suche nach ein paar zusätzlichen Prozentpunkten sind und bereit sind, Komplexität in Kauf zu nehmen.

1. Verschobene GO-Bleche in Induktionsmaschinen

Mehrere Forschergruppen haben Statoren aus GO-Folien getestet, die so gestapelt sind, dass jede Laminierung um einen festen Winkel gegenüber der vorherigen gedreht ist.

Die Idee:

• Die Rollrichtung jeder Schicht zeigt in eine andere Richtung des Kreises.
• Das Flussmittel wird ermutigt, von Laminierung zu Laminierung zu “hüpfen” und in jeder Schicht in der Nähe einer leichten Richtung zu bleiben, anstatt mit der harten Richtung in einem einzigen Blatt zu kämpfen.

Zu den berichteten Ergebnissen gehören:

• Messbare Verringerung der Kernverluste im Vergleich zu äquivalenten NO-Statoren mit gleicher Dicke.
• Wirkungsgradsteigerung in der Größenordnung von einigen Prozentpunkten bei Induktionsmaschinen mittlerer Leistung.

Aber es kommt mit:

• Komplexer Aufbau des Stators, da jede Lamelle ihren eigenen Winkel hat.
• Härterer Stapel- und Ausrichtungsprozess.
• Empfindlichere Qualitätskontrolle - eine falsche Ausrichtung macht das Konzept zunichte.

Das ist nichts, was man bei einem Standardmotor einfach so macht. Es passt besser zu spezialisierten Produkten mit hohem Wirkungsgrad, bei denen das Volumen bescheiden ist und jedes Watt zählt.

2. Segmentierte Statoren mit CRGO-Zähnen

Moderne PM-Maschinen mit konzentrierter Wicklung verwenden bereits aus anderen Gründen (Montage, Kupferfüllung, thermische Pfade) segmentierte Statoren. Diese Architektur ist praktisch, wenn man mit GO nur in bestimmten Teilen experimentieren möchte:

• Zähne aus GO, die so ausgerichtet sind, dass der Fluss während des Betriebs der Walzrichtung folgt.
• Jochteile aus NO-Stahl, die komplexere Flusswege bewältigen.

Studien über solche Maschinen zeigen:

• Geringere Eisenverluste im Vergleich zu reinen NO-Konstruktionen.
• Gewinne hauptsächlich in Regionen, in denen der Fluss gut auf die GO-Zähne abgestimmt ist.

Kompromisse bei der Gestaltung:

• Viele zusätzliche Schneidkanten und Schnittstellen → parasitäre Spalte, zusätzlicher Widerstand und mehr mechanisch zu bearbeitende Oberflächen.
• Werkzeuge: getrennte Werkzeuge oder Schneidverfahren für Zähne und Joch, unterschiedliche Materialien, unterschiedliche Handhabungsregeln.

Dies ist also ein realistischer Kandidat, wenn Sie bereits aus anderen Gründen segmentierte Statoren mögen. Dann werden GO-Zähne zu einem weiteren Regler, der eingestellt werden muss.

3. Axialfluss- und spezielle Reluktanzmaschinen

Axialfluss-Topologien und einige geschaltete Reluktanz- oder Fluss-Schalt-Maschinen haben eher ebene Flusspfade und können auf geschickte Weise mit den Walzrichtungen ausgerichtet werden.

Zum Beispiel:

• Axial durchflossene geschaltete Reluktanzmaschinen mit GO-Rotoren weisen im Vergleich zu NO-Rotoren ein besseres Drehmoment pro Volumen auf, da ein Großteil des Rotorwegs der einfachen Richtung folgen kann.
• Bestimmte PM-Synchronmotoren mit anisotropen Statorkernen (geteiltes Joch/Zähne) weisen bei korrekter Anwendung von GO eine Reduzierung der Eisenverluste in der Größenordnung von 5-15% auf.

Auch hier geht es nicht nur um die Wahl des Materials. Das gesamte elektromagnetische Design ist auf die Anisotropie abgestimmt - in einigen Fällen auch die Rotor-/Statorgeometrie und die Steuerungsstrategie.

4. Hochgeschwindigkeits-Traktionsmotoren mit abgestimmten Flusswegen

Bei sehr hohen Drehzahlen (Zehntausende von Umdrehungen pro Minute) dominieren oft die Eisenverluste. Einige Konzepte für Traktionsmotoren verwenden dünne GO-Kerne in sorgfältig geformten Strukturen, um die Verluste bei der Betriebsinduktion zu verringern.

Typische Merkmale:

• Dünne Lamellen (≤0,23 mm) zur Reduzierung von Wirbelströmen.
• Die Flusspfade sind so angeordnet, dass die Hochfrequenzkomponenten in der Nähe der Rollrichtung bleiben.
• Sehr strenge Herstellungskontrollen; selbst kleine Abweichungen in der Ausrichtung oder Spannung können die Leistungsgewinne zunichte machen.

Dabei handelt es sich um Nischendesigns, in der Regel um FuE- oder Premiumprodukte, nicht um Katalogmotoren mit IE3-Rahmen.

5. Hybridkerne und Keile

Sie sehen auch Vorschläge, in denen CRGO als:

• Lokale Einsätze oder spezielle Keile in High-Flux-Regionen.
• Teile eines segmentierten Rotors oder Stators, bei denen die Flussrichtung klar definiert ist.

Mit diesem Ansatz wird versucht, einen gewissen Nutzen zu erzielen, ohne den gesamten Kern von GO neu zu erstellen. Aber:

• Magnetisch gesehen, gibt es nun Grenzflächen zwischen Materialien mit unterschiedlichen Permeabilitäten und Sättigungsverhalten.
• Mechanisch gesehen müssen diese Einsätze Schlitzarbeiten, Montage und Vibrationen überstehen.

Das kann funktionieren, aber jede zusätzliche Materialgrenze ist eine weitere Möglichkeit, die Vorhersehbarkeit zu verlieren.

Praktische Checkliste für Einkäufer und Ingenieure

Wenn jemand CRGO für einen Motorlaminierungsstapel vorschlägt, behandeln Sie es als Designprojekt, und nicht nur eine Änderung der Beschaffung.

Hier sind die Fragen zum Durchgehen.

1. Strömungsmuster und Topologie

• Erlaubt die Topologie der Maschine, dass der größte Teil des Flusses in jedem Blechteil (Zahn, Segment, Rotorpol) einer klaren Richtung folgt?
• Verfügen Sie über anisotrope BH- und Verlustdaten in Ihren Simulationswerkzeugen, oder müssen Sie raten?
• Sind Sie bereit, die Zahn-/Jochgeometrie anzupassen oder segmentiert/verschoben zu arbeiten, um das Material zu nutzen?

Wenn die Antwort auf diese Fragen “nein” lautet, kaufen Sie sich meist Ärger ein.

2. Material und Beschichtung

• Welche genaue Qualität und Dicke von GO ziehen Sie in Betracht? (Nicht nur “M3”, sondern tatsächliche Werksspezifikation, Dicke und Beschichtung).
• Eignet sich die Beschichtung für Ihre Stanzlinie, Ihr Stapelverfahren und Ihre Nachbearbeitung (Spannungsabbau, Kleben, Schweißen)?
• Welchen Stapelfaktor werden Sie in der realen Produktion sehen, und wie verändert sich dadurch die effektive Schlitzfläche und die Dicke des Back-Eisens?

3. Werkzeugausstattung und Prozessfähigkeit

• Können Ihre aktuellen Pressen, Werkzeuge und Wartungspraktiken die Grathöhe und Kantenbeschädigung in einem engeren Rahmen halten?
• Kann Ihre Verschachtelung die Rollrichtung für jedes Teil einhalten, ohne die Materialausbeute zu zerstören?
• Wie werden Sie die Walzrichtung und -ausrichtung bei der Eingangskontrolle überprüfen?

4. Kosten und Risiko

• Wie hoch ist das Kostendelta pro Motor bei den erwarteten Stückzahlen (Material + Werkzeug + Ertrag)?
• Gibt es einen glaubwürdigen Weg - Simulation plus Prototypentest - der einen spürbaren Gewinn an Effizienz, Drehmomentdichte oder Temperatur zeigt?
• Verträgt der Business Case ein paar Prototypenzyklen, während Sie lernen, wie sich GO in Ihrem spezifischen Stack und Prozess verhält?

Wenn nach dieser Übung die Vorteile immer noch solide aussehen, könnte GO einen Versuch wert sein. Wenn nicht, sind hochwertige CRNGO- oder dünnere NO-Laminate in der Regel ein einfacherer Hebel.

FAQ: CRGO-Lamellen in Motoren

Zusammenfassung:

CRGO-Laminierungen kann in Motoren verwendet werden, aber nur dann, wenn das elektromagnetische Design und der Fertigungsablauf auf Anisotropie ausgerichtet sind. Für die Mehrzahl der Industrie- und EV-Motoren sind hochwertige, nicht orientierte Elektrostähle nach wie vor die praktische Wahl.