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iCARe®: ArcelorMittals Sortiment von Elektrobändern für Automobilanwendungen

Über iCARe®

iCARe® ist ArcelorMittals Sortiment an innovativen Elektrobändern für den Automobilmarkt. Unsere iCARe® Elektrobänder ermöglichen es den Fahrzeugherstellern, umweltfreundliche Mobilitätslösungen für eine nachhaltigere Welt zu schaffen.

Diese Werte liegen auch dem Namen iCARe® zugrunde: Für das Auto (car) von morgen sind, innovative (i) und umweltfreundliche (e vom englischen „environmentally friendly“) Lösungen besonders wichtig.

Einführung

ArcelorMittals iCARe® Stähle sind eine Kombination standardisierter und äußerst leistungsfähiger Elektrobandgüten, die speziell für die besonderen Anforderungen der Hersteller von Elektro- und Hybridfahrzeugen konzipiert wurden. Unsere iCARe® Elektrobänder weisen eine hohe Permeabilität, geringe Verluste und eine hervorragende Streckgrenze/Zugfestigkeit/mechanische Festigkeit auf.

Die zahlreichen Produkte im iCARe® Sortiment bieten für Automobilhersteller technische Möglichkeiten um folgende Ziele zu erreichen:

  • Geringere CO2-Emissionen und Kraftstoffverbrauch für Hybridfahrzeuge
  • Größere Reichweite mit bestehender Batterietechnologie
  • Niedrigere Betriebskosten für Elektrifizierung
  • Höhere Leistungsdichte bei Elektromotoren, wodurch sich Größe und Gewicht des elektrischen Antriebsstranges reduzieren läßt.

Das iCARe® Angebot

ArcelorMittals iCARe® Angebot umfasst vier Produkttypen: Save, 420 Save, Torque und Speed. Jedes dieser Produkte wurde eigens für eine spezielle Elektrofahrzeuganwendung ausgelegt. ArcelorMittal bietet Herstellern außerdem zusätzliche technische Unterstützung, damit diese das volle Potential unseres iCARe® Angebots nutzen können.

Save

Elektroband mit sehr geringen Verlusten – ideal für den effizienten Betrieb der elektrischen Maschine. Es wurde darauf ausgelegt, die Nutzung des Batteriestroms zu maximieren. Weitere Informationen zum Sortiment können Sie unserem Datenblatt zu iCARe® Save entnehmen.

420 Save

Diese verbesserten Save Güten vereinen geringe Verluste mit einer höheren Streckgrenze im Vergleich zu den Save Standardgüten. 420 MPa ist die garantierte Mindeststreckgrenze für die 420 Save Güten. Diese verbesserte garantierte Streckgrenze der 420 Save Produkte ermöglicht Verbesserungen in der Rotorbauweise, die die Leistung der elektrischen Maschine insgesamt erhöhen.

Torque

Elektrobandsortiment mit hoher Permeabilität, das ein Höchstmaß an Drehmoment bei Elektromotoren bzw. an Strom für Generatoren erreicht. Die garantierte Polarisation ist höher als die von Save. Weitere Informationen zum Angebot können Sie unserem Datenblatt zu iCARe® Torque entnehmen.

Speed

Eine Gruppe spezifischer hochfester Elektrobänder für hochdrehende Rotoren, die sich durch eine durchgehend hohe magnetische Leistung auszeichnen. Diese Güten ermöglichen kompaktere Maschinen mit höherer Leistungsdichte. Die Güten zeichnen sich durch garantierte Streckgrenze sowie garantierte magnetische Eigenschaften aus. Das Datenblatt zu iCARe® Speed enthält die Einzelheiten zum Angebot.

Beschichtungen für iCARe®

Elektrobandlackierungen für nichtkornorientierte Güten sollen das Verhalten von „fully-processed“ Elektrobändern verbessern. Sie  dienen der Isolation zwischen den Blechen  und der verbesserten Stanzbarkeit dieser Bänder. ArcelorMittal empfiehlt die Verwendung von C5-Beschichtungen für die iCARe® Elektrostähle. Die Beschichtungen eignen sich für „fully-processed“ Güten sowohl für Hybrid- und Elektroantrieben als auch für Kompressoren. Für Lichtmaschinen können unbeschichtete Lösungen verwendet werden. Weitere Informationen zur Verwendung dieser Beschichtungen können dem Datenblatt „Beschichtungen für iCARe®“ entnommen werden.

Weitergehende technische Unterstützung

Wir bieten erweiterte technische Unterstützung wie Modellierung, Prototypentwicklung und Materialbearbeitung an, damit Automobilhersteller das volle Potential der iCARe® Stähle von ArcelorMittal nutzen können.

  • ArcelorMittals Unterstützung für die Maschinenmodellierung

Als Stahllieferant bietet ArcelorMittal seinen Kunden zudem  die benötigte Hilfe an, um die am besten geeigneten Stähle auszuwählen. Auch bei der Konzeption der elektrischen Maschine können wir behilflich sein. Diese Unterstützung wird sowohl durch unser modernes F+E-Know-how als auch durch die verfügbare Hightech-Ausrüstung in unseren Forschungszentren möglich. Weitere Informationen finden Sie in unserem Datenblatt „iCARe® Weitergehende technische Unterstützung“.

  • Prototypenservice

Unsere Modellierungsleistungen ermöglichen Konstrukteuren, genaue Maschinenberechnungen zu erstellen. So läßt sich vor der Vorserienproduktion die erforderliche Anzahl an Prototypen reduzieren. Eine Prototypherstellung ist dennoch notwendig, um die Maschinenleistungsfähigkeit zu erproben. ArcelorMittal kann kleine Mengen an Blechen als 1. Schritt für Epstein- und Zugversuche und als 2. Schritt für das Laserschneiden bereitstellen. Für die Phase der industriellen Absicherung kann ArcelorMittal kleine Spaltbänder für die Entwicklung von Stanzwerkzeug und Maschinenmontage bieten.

  • Schwierigkeiten bei der Materialbearbeitung

Die Produktionsprozesse von Prototypen und Serienmaschinen können  die Eigenschaften unserer „fully-processed“ Stähle beeinträchtigen. Hier stellen wir unseren Kunden erweiterte F+E-Unterstützung zur Verfügung, um bei der Quantifizierung der Fertigungsprozeßauswirkungen auf die magnetische Leistungsfähigkeit der Elektroblechpakete der Maschine zu unterstützen.

Auswahlleitfaden

Feld

Anwendungen

Elektrobandtyp

Antriebsmaschinen

Hocheffiziente Lichtmaschinen

Torque Save    

Riemengetriebene Anlasser-Lichtmaschinen

Torque Save    

Hocheffiziente Anlasser

Torque Save    

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) für Zentralantrieb

Save 420 Save Torque  Speed

PMSM für Radnabenmotoren

Save 420 Save    

PMSM für Stromerzeugung

Save 420 Save Torque Speed

Synchronmaschine mit gewickeltem Läufer (WRSM) für den Antrieb

Torque Save    

WRSM für Stromerzeugung

Torque Save    

Geschaltete Reluktanzmaschinen (SRM) für den Antrieb

Save 420 Save    

Induktionsmaschinen (IM) für den Antrieb

Torque Save 420 Save  

IM für Stromerzeugung

Torque Save 420 Save  

Leistungsfähige Zusatzausrüstung

Kompressoren für Heizung, Lüftung und Klimaanlage (HVAC)

Save Torque    

Zündspulen

Save      

Armaturenbrett-Messgeräte

Save      

Hybridsteuerungen

Save Torque    

ArcelorMittals Elektrobandangebot

Um die Fahrzeugreichweite bei gegebener Batterieleistung zu erweitern, muß jedes andere Element im Elektrofahrzeug gewichtsoptimiert und möglichst effizient gestaltet werden. Besonders wichtig ist dies für den Elektromotor und Generator, das Herzstück des Antriebsstrangs.

ArcelorMittals iCARe® Elektrobandlösungen können zu beträchtlichen Leistungsverbesserungen im Eisenkern der elektrischen Maschine führen und somit die Nutzung der Batterieleistung optimieren. Die Kombination von Effizienz und geringem Gewicht ergibt länger Fahrzeiten von Elektrofahrzeugen, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. Dadurch vergrößert sich die Fahrzeugreichweite.

ArcelorMittals iCARe® Sortiment umfasst spezielle Elektrobänder für Anwendungen, bei denen hohe Leistungsdichte oder hohes Drehmoment erforderlich sind. iCARe® Bleche steigern den Wirkungsgrad der elektrischen Fahrzeugsysteme, wodurch die Leistung maximiert und das Drehmoment gesteigert wird. Wenn die Maschinenkonstruktion mithilfe von iCARe® Blechen optimiert wird, lässt sich zusätzliches Gewicht einsparen, da weniger Magnete und Kupferwicklungen erforderlich sind. Daraus ergibt sich zudem Kosteneinsparungspotential.

Bedeutung der Polarisation

Die im Luftspalt zwischen Rotor und Stator erreichte Induktion bestimmt das Drehmoment, das ein Motor entwickeln kann. Für den Anlasser eines Fahrzeugs ist dieses Anlaufmoment sehr wichtig. Bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten können sich aus der Qualität des verwendeten Elektrobands große Unterschiede im dynamischen Verhalten von Elektrofahrzeugen ergeben.

Bedeutung von magnetischen Verlusten

Eine elektrische Maschine ist ein System, das elektrische Energie in mechanische umwandelt (oder umgekehrt). Das im Anlassermotor generierte Drehmoment entsteht durch die Polarisation im Elektroband aufgrund eines Magnetfelds. Das Magnetfeld entsteht, durch Stromfluß in einem um das Blech gewickelten Kupferdraht.

Der springende Punkt ist, dass das Magnetfeld eine Veränderung der magnetischen Struktur im Inneren des Stahls im Gleichgewicht mit dem angelegten Feld hervorruft, was zu einem gewissen Grad an Polarisation führt.

In einem Wechselstromzyklus wird das magnetische Feld ständig umgekehrt. Die magnetische Struktur des Elektrobands kann sich jedoch nicht sofort anpassen. Diese verzögerte Reaktion, die so genannte Hysterese, wird durch irreversible Prozesse im Elektroband verursacht.

Diese Hysterese ist für den magnetischen „Energieverlust“ verantwortlich, Eisenverlust genannt. Dieser Teil der in den Motor gespeisten Elektrischen Energie geht in Form von Abwärme über das Elektroband an den Motor verloren, anstatt in nützlicher mechanischer Leistung verfügbar zu sein. Bei höheren Drehzahlen und somit höheren elektrischen Frequenzen gewinnen diese Verluste an Bedeutung. Verringern der Eisenverluste der Blechpackete der Maschine reduziert deren Energieverbrauch und erhöht somit die Reichweite eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.

Wärmeleitfähigkeit

Die in einer elektrischen Maschine erzeugte Wärme muss für deren sicheren Betrieb entzogen werden. Eine unzureichende Wärmeabfuhr kann zu einer geringeren Abgabe von mechanischer Leistung oder Strom führen.

Die Wärme wird durch die oben beschriebenen Eisenverluste sowie durch Verluste in Permanentmagneten und Kupferwicklungen erzeugt. Die Isolation der Kupferwicklung legt die Temperaturobergrenze für das thermische Gleichgewicht einer Maschine fest. Die Wärme kann über folgende Wege abgeleitet werden:

  • Rotorblechpacket über Rotorwelle
  • Luftspalt
  • Statorblechpacket zum Gehäuse. Hier wird Elektroband mit guter Wärmeleitfähigkeit für das Blechpacket gewählt.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften der bei elektrischen Anwendungen verwendeten Stähle müssen eine gute Stanzbarkeit gewährleisten. Das Stanzwerkzeug sollte eine scharfkantige Blechkante ausbilden können. Bei unscharfer Kante  kann es zu magnetischen Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Blechen kommen. Außerdem kann durch die verformte Blechkante die magnetische Eigenschaft dort verschlechtert werden. Diese Faktoren müssen gegen die gewünschte Nutzungsdauer des Stanzwerkzeugs abgewogen werden.

ArcelorMittals „fully-processed“ Elektrobänder sind auf Stanzbarkeit optimiert. Weitere Verringerung des Werkzeugverschleißes lässt sich mit einer geeigneten Beschichtung erreichen.

Für Hybrid- und Elektroantriebsmaschinen gehen die mechanischen Anforderungen an das Elektroband über die Stanzbarkeit hinaus. Eine Möglichkeit, Maschinen mit höherer Leistungsdichte zu erzielen, ist der Einsatz von höherdrehenden Rotoren. Diese Rotorblechpackete müssen höheren Zentrifugal-, elektromagnetischen und dynamischen Kräften durch stark ändernde Rotordrehzahlen widerstehen. Die Blechpackete weisen oft sehr komplizierte, filigrane Konstruktionen auf. Für die Konstrukteure der mechanischen Maschinenauslegung ist es eine echte Herausforderung, diese Anforderungen an die Festigkeit sowohl in standardmäßigen als auch Grenzsituationen zu erfüllen.

Das richtige Gleichgewicht finden

Die Beschränkungen durch die Batterie kann abgemildert werden, wenn die verfügbare Batterieenergie optimal genutzt wird. Dazu werden leichte und hocheffiziente Elektrobänder benötigt, die als Hauptmerkmal geringe Verluste aufweisen. Für Elektrobänder im Automobilbau ist es besonders wichtig, das optimale Gleichgewicht zwischen Verlusten, Permeabilität, Sättigungspolarisation, Wärmeleitfähigkeit, Zugfestigkeit und Streckgrenze zu finden.

Seine Erfahrung als Lieferant von Elektrobändern für Automobilanwendungen setzt ArcelorMittal in die Lage, Stähle zu entwickeln, die diesen Herausforderungen gerecht werden. Uns ist bewusst, dass optimale Elektromotorlösungen für Stator und Rotor unterschiedliche Elektrobänder verwenden. Elektrobänder mit sehr geringen Verlusten und hoher Permeabilität werden für den Stator benötigt, für den Rotor hingegen sind Elektrobänder mit hoher Festigkeit erforderlich.

Optimierung aller Elektrobauteile eines Fahrzeugs

Im Zuge fortlaufender Verbesserungen werden verschiedene Anstrengungen unternommen, die elektrischen Anwendungen in Fahrzeugen zu optimieren. Dieser Prozeß begann zunächst mit der Neukonzeption der elektrischen Zusatzausrüstung wie Lichtmaschine und Anlassermotor. Daraus ergab sich die Einführung elektrischer Antriebsmaschinen – zunächst in Hybridantrieben, nun aber auch in voll elektrisch angetrieben Fahrzeugen. Diese Änderungen haben zu beträchtlichen Verbesserungen bestimmter elektrischer Komponenten in Fahrzeugen geführt.

Höhere Anforderungen an Lichtmaschinen

Lichtmaschinen lieferten immer schon den Strom für das Motorkühlsystem, der Sitz- und Fenstermotoren und weiterer wichtiger Anwendungen. Seit den 70er-Jahren steigerte sich der Strombedarf progressiv durch Fahrzeugsicherheits- und Komfortfunktionen. Um diesen Bedarf zu decken, muss mehr Strom vom Fahrzeug erzeugt werden.

Dank der Entwicklung hocheffizienter Lichtmaschinen kann mehr Strom erzeugt werden, ohne dabei zusätzliche mechanische Energie vom Verbrennungsmotor beziehen zu müssen. Somit kommt es dadurch zu keiner Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs.

Änderungen an Anlassermotoren

Bis vor kurzem wurden Anlassermotoren bei jeder Fahrt nur einmal gebraucht, um den Verbrennungsmotor anzulassen. Dies hat sich mit der Einführung des Start-/Stop-Systems geändert, bei dem der Verbrennungsmotor an einer roten Ampel abgestellt und mit der Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer sofort wieder gestartet wird. Start-/Stop-Systeme können sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch die „CO2-äquivalent“ Emissionen (CO2-eq) um 5 Prozent senken.

Um dieser geänderten Funktionalität gerecht zu werden, wurden Anlassermotoren vollständig neu konzipiert, damit sowohl ein Kaltstart zu Beginn einer Fahrt als auch wiederholte Warmstartvorgänge möglich sind. Die Anlassermotoren in Start-/Stop-Systemen sind höchst effizient.

Die Herausforderung der Entwicklung elektrischer Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge

Der Elektrifizierungsgrad des Antriebsstrangs ist nun so weit fortgeschritten, dass der Verbrennungsmotor durch eine oder mehrere elektrische Maschinen ersetzt werden kann. Diese Maschinen liefern rein elektrischen Antrieb.

Doch selbst wenn ein Entwickler sich dazu entschließt, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug zu entwerfen, müssen weitere Faktoren berücksichtigt werden. Ist das Fahrzeug beispielsweise mit einer leistungsstärkeren elektrischen Maschine ausgerüstet, kann beim Bremsen mehr kinetische Energie zurückgewonnen werden. Die Batterie muss jedoch in der Lage sein, diese übertragene Energie tatsächlich aufnehmen zu können.

Die Bandbreite zwischen rein verbrennungsmotor- und rein elektromotorbetriebenen Fahrzeugen wird durch viele Zwischenlösungen für den Antriebsstrang erweitert, bei denen sowohl ein Verbrennungsmotor als auch elektrische Maschinen zum Einsatz kommen. In diesen Hybridkonfigurationen gibt es zahlreiche Auslegungen, die je eigene Kompromisse zwischen der Nutzung fossiler Kraftstoffe und elektrischer Energie darstellen. Diese Kompromisse entstehen dadurch, dass Fahrzeugkonstrukteure die Kosten für einen Verbrennungsmotor gegen die einer elektrischen Maschine abwägen müssen. Die wichtigsten Entscheidungskriterien sind dabei die Batteriekosten und die Umweltziele des Fahrzeugs.

Fällt die Wahl auf eine Hybridausführung, hängen die Ersparnisse beim Kraftstoffverbrauch vom Grad der Hybridisierung ab. In der Regel gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Bei einem Mildhybrid verringert sich der Kraftstoffverbrauch um rund 15% durch den Einsatz eines unterstützenden Elektromotors und einer kleineren zusätzlichen Batteriekapazität.
  • Bei einem Vollhybrid verringert sich der Kraftstoffverbrauch um bis zu 30% durch den Einsatz eines stärkeren Elektromotors und einer höheren zusätzlichen Batteriekapazität.

Fahrzeuge, die mit elektrischen Antriebsmaschinen betrieben werden, gewinnen immer mehr an Bedeutung. Im Gegensatz zu Fahrzeugen, die fossile Kraftstoffe nutzen, entstehen bei reinen Elektroautos während der Fahrt kaum schädliche Emissionen. Sie werden somit zu einer attraktiven Option für Autobauer, die auf der Suche nach neuen Strategien sind, um die zunehmend strengeren Verordnungen zu Fahrzeugemissionen einzuhalten.

Bevor Elektrofahrzeuge in der Öffentlichkeit jedoch auf breite Akzeptanz stoßen, müssen noch erhebliche Herausforderungen gemeistert werden. Es gibt Bedenken im Hinblick auf die Infrastruktur, insbesondere die Verfügbarkeit von Aufladestationen, sowie auf Kosten, Reichweite und Langlebigkeit der Fahrzeuge selbst.

Viele dieser Bedenken lassen sich auf die Batterie in einem Elektrofahrzeug zurückführen. Klassische Batterien nutzen eine Blei-Säure-Technologie, die extrem schwer, teuer, langsam aufladbar und begrenzt in ihrer Kapazität ist.

Neue Batterietechnologien weisen eine höhere Kapazität auf, doch die Reichweite reiner Elektrofahrzeuge wird durch die Kosten und das Gewicht der Batterie begrenzt. Dies ist ein wichtiger Punkt, auf den sich die Entwicklung moderner Elektrofahrzeuge heute konzentriert.

iCARe® SaveiCARe® 420 SaveiCARe® TorqueiCARe® SpeedCoatings for iCARe®

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