Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMIn der Energietechnik sind Transformatoren zentrale Elemente, da sie die verschiedenen Spannungsebenen des Stromnetzes miteinander verbinden. Im Rahmen des Vorhabens Enhanced LMDR wurde die Laserbehandlungstechnologie zur Verlustreduzierung hochpermeabler kornorientierter Eisen-Silizium-Bleche, die als Kernmaterial u. a. bei Verteiltransformatoren zum Einsatz kommen, weiterentwickelt. Die Ummagnetisierung der Bleche durch Laserbehandlung führte zu einer sofortigen Einsparung elektrischer Energie im Transformatorenbetrieb. .
Enhanced LMDR: Material- und Prozessoptimierung zur Steigerung der Effizienz von laserbehandeltem kornorientiertem Elektroblech
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Laser Magnetic Domain Refinement (LMDR) ist eine Laserverfahrenstechnologie, die seit 30 Jahren industriell genutzt wird, um elektrische Verluste in hochpermeablen, kornorientierten Elektrostahlblechen zu reduzieren, die als Kernmaterial in Verteilungstransformatoren verwendet werden. Je nach Ausgangsmaterial und den verwendeten Laserverfahren, können Ummagnetisierungsverluste bisher um 10 bis 15 % im Vergleich zu unbehandeltem Material reduziert werden. Das Potential für eine weitere Verlustreduzierung liegt jedoch deutlich höher.
Im vom BMWE geförderten Projekt Enhanced LMDR wurden Laserstrahlquellen weiterentwickelt, um eine effiziente Domänenverfeinerung zu ermöglichen. Ziel des Vorhabens war die Steigerung der Effizienz von kornorientiertem Elektroblech durch die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften in Folge einer optimierten Laserbehandlung. Neben der Verfahrensoptimierung des Laserprozesses wurde auch eine Optimierung des Ausgangsmaterials angestrebt.
Die Effizienzsteigerung von kornorientiertem Elektroblech führte beim Transformatorbetrieb zu einer unmittelbaren Einsparung an Primärenergie.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM
Es ist bekannt, dass Eigenspannungen die Bildung von magnetischen Domänen beeinflussen, jedoch sind die grundlegenden Einflüsse von industriell behandelten Blechwerkstoffen auf die Bildung von Eigenspannungen und die Auswirkung auf die Bildung von magnetischen Domänen nicht vollständig verstanden.
Das Fraunhofer IWM brachte im Rahmen des Projekts Enhanced LMDR seine Kompetenzen im Bereich Eigenspannungsanalytik und -simulation mit ein. Im ersten Schritt sollten die Eigenspannungsverteilungen während der Laserbehandlung besser verstanden werden. Ziel war es, den Einfluss der Prozessparameter auf die Eigenspannungsverteilung in den Fe-Si-Elektroblechen zu untersuchen und dieses Wissen zu nutzen, um die Magnetisierungsverluste zu erklären. Der Arbeitsschwerpunkt lag auf der numerischen Simulation des Prozesses und der Analyse der Auswirkungen auf die Eigenspannungen bei unterschiedlichen Prozessparametern. Die thermomechanischen Modelle, die am Institut eingesetzt wurden, waren in der Lage, eine eingehende Parameterstudie des Prozesses durchzuführen und verlässliche Temperatur-, Dehnungs- und Spannungsfelder zu liefern. Die Modelle wurden mit Eigenspannungsanalysen, die mittels Röntgendiffraktion (XRD) und Synchrotron ermittelt wurden, validiert.
Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM
- Eigenspannungsanalyse und Qualitätskontrolle: Charakterisierung laserinduzierter Eigenspannungen mittels Röntgendiffraktion (XRD) und Synchrotronmessungen zur Qualitätskontrolle und Werkstoffentwicklung.
- Simulation und Prozessoptimierung: Thermomechanische Simulationen zur Vorhersage von Temperatur-, Dehnungs- und Spannungsverteilungen und zur Prozessoptimierung in der laserbasierten Materialbearbeitung.
- Verlustreduzierung und Ressourceneffizienz: Effizienzsteigerung von Transformatoren durch optimierte Laserbehandlung von kornorientierten Elektroblechen mittels LMDR.
Förderhinweis
