Beiträge zur Umsetzung von. Elektromobilität mit Aluminium

Transkript

1 Beiträge zur Umsetzung von Elektromobilität mit Aluminium Andreas Kleine, Hubert Koch TRIMET ALUMINIUM SE 1

2 TRIMET Aluminium SE F&E 5 Produktionsstandorte in Deutschland +2 Produktionsstandorte in Frankreich Saint Jean de Maurienne Castelsarrasin TRIMET France Anfang 2014: Joint Venture mit EDF Automotive Primary Products & Recycling Harzgerode Harzgerode Sömmerda Sömmerda Essen Hamburg Sain Jean de Maurienne Harzgerode Gelsenkirchen Castelsarrasin 510 Mitarbeiter 20 Gießmaschinen t 18 CNC Bearbeitung 175 Mitarbeiter 13 Druckgussanlagen t 8 CNC Bearbeitung Mitarbeiter t Elektrolyse Aluminium pro Jahr t Recykling Aluminium pro Jahr Aluminium in allen Formaten, Qualitäten und Legierungen

3 Elektromobil, Leicht und Intelligent eine Initiative für Sachsen-Anhalt - Radnabenmotor Forschungsaktivitäten: - Modulare Leichtbaukomponenten (AP3: Ölwanne) 3

4 Radnabenmotor Kooperationspartner: Elektromotoren und Gerätebau Barleben GmbH citim GmbH OvGU, IMS, Lehrstuhl Mechatronik TRIMET Aluminium AG 4

5 Einsatzbedingungen eines Radnabenmotors (Stators) (werkstofftechnische Anforderungen) Der Radnabenmotor ist äußeren Witterungseinflüssen (Schmutz, Steinschlag, Salzwasser u. Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, usw.) ausgesetzt. Daher müssen die Komponenten des Radnabenmotors eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Die Abwärme der Bremsscheibe und die innere Erwärmung durch die Leistungselektronik führen zu einer thermischen Belastung des Radnabenmotors. Bei der Kühlung des Radnabenmotors ist der Stator von zentraler Bedeutung. Da er die Leistungselektronik aufnimmt, verfügt er lokal über eine integrierte Innenkühlung. Der Werkstoff des Stators sollte daher eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Zur Reduzierung des Gewichts (ungefederte Massen) muss der Stator über möglichst geringe Wanddicken verfügen. Hieraus ergeben sich folgende Forderungen: - der Stator und andere Komponenten sollten im Druckgießverfahren hergestellt werden - geringe Wanddicken führen zu höheren Belastungen; der Werkstoff des Stators sollte somit auch eine verbesserte Warmfestigkeit besitzen Radnabenmotor: Lehrstuhl Mechatronik / Institut für Mobile Systeme IMS / Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg / Prof. Dr.-Ing. Roland Kasper 5

6 Aufgabenstellung: Entwicklung einer Druckgusslegierung mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit und Warmfestigkeit sowie guter Korrosionsbeständigkeit Konzept zur Herstellung eines Leichtbau-Stators mit integrierter Innenkühlung im Druckgießverfahren 6

7 Zusammenhang zwischen elekt. Leit- u. Wärmeleitfähigkeit Gemäß dem Wiedemann-Franz-Lorenz-Gesetz besteht zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit folgender Zusammenhang: λ σ *L*T Legende: λ : Wärmeleitfähigkeit; σ : elektrische Leitfähigkeit L : Lorenz Konstante; T : Temperatur Fazit: Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der elekt. Leitfähigkeit u. der Wärmeleitfähigkeit 7

8 Einfluss von Legierungselementen auf die elekt. Leitfähigkeit F&E Fazit: - Niedrige Gehalte an Cr u. Mn erfordern ein Aluminium hoher Reinheit. Beide Elemente fallen außerdem als Legierungselemente aus. - Elekt. Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit lassen sich durch Entfernen von Li, Ti, V u. Zr deutlich verbessern. 8

9 Kennwerte aus getrennt gegossenen Probestäben bei 20 C Basiswerkstoff: AlSi8,5Mg Festigkeitssteigerung durch Legierungsvariation z.b. nach thermischer Vorschädigung auf Betriebstemperatur um bis zu 23%! 9

10 Leichtbau-Stator mit integrierter Innenkühlung im Druckgießverfahren Konzeptstudie F&E Um- bzw. Eingießen von gefüllten Einlegerohren Eingießen von Salzkernen Quelle: Drahtzug Stein combicore Quelle: 10

11 Leichtbau-Stator mit integrierter Innenkühlung im Druckgießverfahren Lösungsansatz - TRIMET F&E Hülse Gussteil Einseitige Ausbildung der Kanalstruktur durch 4-Schieber-Druckgussform 11

12 Range Extender mit funktionsintegrierter Ölwanne Kooperationspartner: WTZ-gGmbH TRIMET citim GmbH EBEL Maschinenbau OvGU, IFME, Lehrstuhl für Numerische Mechanik OvGU, IMS, Lehrstuhl Kolbenmaschinen INSTITUT FÜR MOBILE SYSTEME LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN 12

13 Funktionsweise eines Range Extenders Range Extender combustion engine + generator P ch P el P mech fuel Quelle: Präsentation zum Projektsprechtag am , EMB, Dipl.-Ing. Falk Höhne traction battery 13

14 Motivation Prozess- und Materialentwicklungen zur Umsetzung folgender Ziele: - Mehr Funktionen und verbessertes Bauteilverhalten - Reduzierung des Gewichts - Verringerung des Montageaufwands Gegenüberstellung (heute / Zukunft) Derzeitige Funktion einer Ölwanne: - Sammelgefäß für das zur Schmierung verwendete Motoröl Neue Funktionsintegrationen: - Thermische Isolation und verringerte Schallemission - Integration eines Ölfiltergehäuses - Einbindung in das Thermomanagement des Fahrzeugs 14

15 Funktionsmerkmal: Thermische Isolation und verringerte Schallemission Quelle: Alulight thermische Isolation durch Alu-Schaumstruktur Quelle: reduzierte Schallemission durch Versteifungsrippen Maßnahmen / Entwicklungsschwerpunkte: Gießen von Versuchsbauteilen mit lokal begrenzten und nach außen geschlossenen Schaumstrukturen Gießen von Versuchsbauteilen mit mechanisch-, akustisch-, und fertigungstechnisch optimierten Rippenstrukturen Druckguss-Versuchsbauteil 15

16 Funktionsmerkmal: Integration eines Ölfiltergehäuses Gehäuse Sammler Quelle: Uni-Magdeburg Beispiel einer konventionellen Ölwanne Quelle: Lotus / Beispiel für die Zusammenführung von Funktionsbereichen 16

17 Funktionsmerkmal: Einbindung in das Thermomanagement des Fahrzeugs + Quelle: Uni-Magdeburg Beispiel einer konventionellen Ölwanne 17

18 Funktionsmerkmal: Einbindung in das Thermomanagement des Fahrzeugs Quelle: EBEL Maschinenbau Konzept einer Ölwanne mit integriertem Wärmetauscher 18

19 Zusammenfassung Aluminium ist ein moderner Leichtbauwerkstoff und lässt sich durch Nutzung und Entwicklung innovativer Bauteilkonzepte, Legierungen und Fertigungsprozesse vielfältig und kostengünstig einsetzen. Die gezeigten Aluminium-Bauteile lassen sich mit hoher Effizienz recyceln und erneut zu hochwertigen Komponenten umwandeln. Aluminium leistet somit einen wichtigen Beitrag für die Umsetzung von Elektromobilität und nachhaltigem Umweltschutz. 19

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 20