Effizientere Materialien für Transformatoren

Ein Wissenschaftler entnimmt Elektroblechproben aus der Versuchsanlage am Fraunhofer IWS. Die Bleche sind wichtiger Baustein von Transformatoren. © Fraunhofer IWS

Transformatoren wandeln die Netzwechselspannung aus der Steckdose in die Betriebsspannung der Geräte um. Auch in Umspannwerken kommen sehr leistungsstarke Transformatoren zum Einsatz, um die Hochspannung in die für den Hausgebrauch übliche Netzspannung zu wandeln. Aufgebaut sind sie aus zwei Eisenkernen, um die jeweils unterschiedlich lange Drähte gewunden sind – Spulen.

Die eine Spule erzeugt ein Wechselmagnetfeld, die andere durch das Magnetfeld wieder Spannung. Um Energieverluste bei diesem Prozess möglichst gering zu halten, kommen als Kernmaterial speziell bearbeitete Elektrobleche zum Einsatz. In ihrem »Urzustand« weisen diese Eisen-Silizium-Legierungen eine kornorientierte Gefügestruktur auf, welche die magnetischen Eigenschaften bestimmt.

»Kornorientiert« bedeutet, die Einzelkristalle im Material – auch Körner genannt – sind in einer regelmäßigen periodischen Abfolge angeordnet. »Durch eine gezielte Wärmebehandlung lassen sich Bereiche gleicher magnetischer Orientierung verkleinern. Dadurch ändert sich wiederum die magnetische Struktur des Blechs.

Es kommt zu einer geringeren Wärmeentwicklung und damit auch zu weniger Ummagnetisierungsverlusten im Material«, erläutert Dr. Andreas Wetzig, Abteilungsleiter Laserabtragen und -trennen am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, die komplexen Vorgänge im Werkstoffinneren.

Als Verfahren hat sich seit vielen Jahren eine Behandlung mit Laserstrahlen etabliert. Während sich das rund einen Meter breite Bandmaterial mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100 Meter pro Minute bewegt, werden quer zur Bandlaufrichtung fokussierte Laserstrahlen im Abstand von einigen Millimetern mit sehr hoher Geschwindigkeit (ca. 200 Meter pro Sekunde) über den Werkstoff geführt.

Laserstrahlen flexibel steuern

Diesen Prozess haben die Dresdner Wissenschaftler optimiert: »Uns ist es gelungen, den Laser so abzulenken, dass wir die Abstände zwischen den Laserstrahlen flexibel steuern und anpassen können«, erklärt Wetzig. Um dies zu erreichen, setzen die Forscher beispielsweise Galvanometerscanner ein.

Das sind elektromagnetisch angetriebene Drehachsen, an deren Ende sich ein Spiegel zur Ablenkung von Laserstrahlen befindet. Das macht das Bearbeitungsverfahren flexibler und es lässt sich an individuelle Bedingungen anpassen, etwa die Qualität des Ausgangsmaterials.

Auch die Produktionsgeschwindigkeit kann variiert werden. Ziel der Forscher ist vor allem, die Laserbearbeitung leichter in bestehende Produktionsumgebungen integrieren zu können. Das spart Zeit und Kosten.

Zudem setzen die Wissenschaftler seit kurzem einen neuen Lasertyp ein, der die Verlustleistung innerhalb des Elektroblechs noch weiter reduzieren soll: Einen Faserlaser, der zur Gruppe der Festkörperlaser gehört. »Unsere bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend, da die Wärmeabsorption besser ist als bei den üblicherweise verwendeten CO2-Lasern«, so Wetzig.

Statt der bisher üblichen zehn lassen sich die Ummagnetisierungsverluste damit um bis zu 15 Prozent reduzieren. Das optimierte Verfahren wird derzeit bei einem ersten Kunden implementiert.

Bis zu einem Viertel weniger Stromverbrauch möglich

Aktuell arbeiten die Experten vom IWS am nächsten Schritt: Sie wollen ihre Technologie künftig auch auf Elektrobleche für Motoren ausweiten. Diese Werkstoffe weisen jedoch eine andere, nicht kornorientierte Struktur auf und haben demzufolge auch andere magnetische Eigenschaften.

»Daher lässt sich unser Verfahren nicht einfach eins zu eins übertragen«, erklärt Wetzig. Im Fall der Laserbehandlung von nichtkornorientierten Elektroblechen hängen die erreichbaren Vorteile vom Arbeitspunkt des jeweiligen Motors ab. Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt der Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien von Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine.

Für Hochleistungsantriebe wie beispielsweise Fahrmotoren, die mit hoher Drehzahl betrieben werden, ergeben sich um einige Prozent verringerte Verluste. Bei elektrischen Antrieben mit hohen Drehmomenten wie Motoren für Pumpen lässt sich der Stromverbrauch bis zu einem Viertel reduzieren.

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Dr.-Ing. Andreas Wetzig Fraunhofer Forschung Kompakt

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