Elektromotoren und Generatoren treiben moderne Anlagen in Industrie, Transportwesen und Energiesystemen an. Die Stahlsorte der Motorbleche spielt eine entscheidende Rolle für Effizienz, Verlustminimierung und langfristige Zuverlässigkeit.
Grundlagen der Stahlsorten für Motorbleche
Das Herzstück jedes Elektromotors und Generators ist der Motorkernbesteht aus übereinander gestapelten dünnen Stahlblechen, die den Magnetfluss präzise kanalisieren und so eine effiziente Energieumwandlung ermöglichen.
Im Gegensatz zu normalem Baustahl ist Laminierungsstahl speziell so konstruiert, dass er strenge Anforderungen an die magnetische und elektrische Leistungsfähigkeit erfüllt.
Warum Laminate statt massivem Stahl?
Das Magnetfeld im Kern eines Motors oder Generators ändert sich, wenn Wechselstrom durch seine Wicklungen fließt. Ein massiver Stahlkern würde die Bildung von Wirbelströmen begünstigen, was zu übermäßiger Wärmeentwicklung und Energieverlusten führen würde.
Um dem entgegenzuwirken:
- Der Kern besteht aus dünnen Blechen und nicht aus einem massiven Block.
- Jedes Blatt ist mit einer Isolierschicht überzogen, um einen elektrischen Kontakt zu verhindern.
- Der Stapel isolierter Platten reduziert die Wirbelstromverluste drastisch.
Die Kernleistung hängt nicht nur von der laminierten Konstruktion ab, sondern auch von der Auswahl der richtigen Stahlsorte, die hinsichtlich magnetischer Effizienz, Verarbeitbarkeit, thermischer Leistung und Kosten optimiert ist.
Was definiert eine Stahlsorte für Laminierungsbleche?
Eine Blechstahlsorte umfasst:
- Chemische Zusammensetzung (z. B. Siliziumgehalt, Legierungselemente)
- Dicke (Blechstärke)
- Magnetische Eigenschaften (Kernverluste und Permeabilität)
- Mechanische Eigenschaften (Duktilität, Kantenqualität nach der Umformung)
- Art der Oberflächenbeschichtung (für Isolierung, Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit)
Normen wie ASTM, EN, JIS und GB definieren zulässige Bereiche für diese Eigenschaften und ermöglichen es Designern und Käufern, Konsistenz und Austauschbarkeit sicherzustellen.
Gängige Stahlsorten und ihre Eigenschaften
MotorlaminierungBei den Stählen handelt es sich hauptsächlich um nichtorientierte Elektrostähle, die in alle Richtungen gleichmäßige magnetische Eigenschaften aufweisen und sich daher ideal für rotierende Maschinen mit sich ständig änderndem Magnetfluss eignen.
Hauptkategorien von Blechstählen
- Silizium-Elektrostähle:Die gängigste und kostengünstigste Methode.
- Hochleistungslegierungen (Kobalt, Nickel):Wird in Spezialanwendungen, hocheffizienten Anwendungen und Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.
- Ultradünne Sorten:Für Hochgeschwindigkeits- und frequenzumrichtergesteuerte Anwendungen.
Diese Stähle unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich Kernverlusten, Dicke und magnetischer Sättigung, was sich direkt auf Effizienz und Leistung auswirkt.
| Notencode (Beispiel) | Dicke (mm) | Kernverlustniveau | Typische Anwendung |
| 50W470 / M47 | 0,50 | Standard | General Industrial Motoren |
| 35W300 / M36 | 0,35 | Niedrig | Effiziente Antriebe und Pumpen |
| 30W230 / M27 | 0,30 | Untere | EV-Traktionsmotoren, Wechselrichter |
| 27W150 | 0,27 | Sehr niedrig | Hoher Wirkungsgrad, hohe Frequenz |
| 20W120 | 0,20 | Extrem niedrig | Luft- und Raumfahrt & Hochgeschwindigkeit |
| Kolegierungsstahl | 0,20–0,35 | Premium-Niedrigverlust | Hohe Leistung / hohe Sättigung |
| Nickel-Legierungsstahl | Variable | Niedrige Hysterese | Präzisionsmotoren mit geringem Geräuschpegel |
Anmerkungen: Die Bezeichnungen variieren je nach Norm (ASTM/EN/JIS/GB). „Wxxx“-Gütenklassen sind in asiatischen Normen üblich, während „Mxx“-Gütenklassen typisch für ASTM/EN sind.
Silizium-Elektrostähle
Siliziumstähle sind die am häufigsten verwendeten Werkstoffe in Laminieranwendungen. Die Zugabe von Silizium (typischerweise 1,0–3,5 %) zu Eisen erhöht den elektrischen Widerstand, was Folgendes bewirkt:
- Verringert Wirbelstromverluste
- Verbessert die magnetische Permeabilität
- Verringert den Hystereseverlust
Dieses ausgewogene Verhältnis von Leistung und Kosten macht Siliziumstähle ideal für die meisten Motoren und Generatoren.
Hochleistungslegierungen
- Kobaltlegierte Stähle:Höhere Sättigungsflussdichte (bis zu ~2,4 T), hervorragende Hochfrequenzleistung und thermische Stabilität. Typische Anwendungsgebiete sind Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und spezielle Hochgeschwindigkeitsmotoren.
- Nickellegierungsstähle: Sehr hohe magnetische Permeabilität und geringe Hysterese; wird häufig in Präzisions- oder geräuschempfindlichen Anwendungen eingesetzt, jedoch mit höheren Kosten und geringerer Sättigung.
Ultradünne Ausführungen (≤0,27 mm) reduzieren die Wirbelstromverluste noch weiter und werden bevorzugt für frequenzumrichtergesteuerte und Hochgeschwindigkeitsmaschinen eingesetzt, bei denen Frequenz und Skin-Effekt berücksichtigt werden müssen.
Mechanische und physikalische Eigenschaften von Stahl
Das Verständnis der mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Blechstählen erklärt, warum bestimmte Sorten für bestimmte Anwendungen ausgewählt werden und wie sie die Leistung beeinflussen.
| Eigentum | Siliziumstahl | Kobaltlegierter Stahl | Nickellegierungsstahl |
| Sättigungsflussdichte (T) | ~1,5–2,0 | ~2,2–2,4 (hoch) | ~0,8–1,6 |
| Magnetische Permeabilität | Gut | Sehr hoch | Extrem hoch |
| Hystereseverlust | Mittel bis niedrig | Niedrig | Sehr niedrig |
| Wirbelstromverlust | Mäßig | Niedrig | Mittel bis niedrig |
| Elektrischer Widerstand | Mäßig | Hoch | Mäßig |
| Betriebstemperatur (°C) | Bis zu ca. 200 | Bis zu ca. 300 | Bis zu ca. 250 |
| Einfaches Stanzen / Schneiden | Gut | Mäßig | Mittel bis schwierig |
| Oberflächenbeschichtungskompatibilität | Gut | Mäßig | Mittel bis niedrig |
| Materialkosten | Niedrig bis mittel | Hoch | Hoch |
Anwendungsgebiete von Stahl unterschiedlicher Güteklassen
Die Konstruktion von Motoren und Generatoren variiert je nach Anwendung, Drehzahlbereich, erforderlichem Wirkungsgrad, Betriebsumgebung und Kostenzielen. Die Wahl der richtigen Blechgüte hängt von diesen Faktoren ab.
Industriemotoren
Industriemotoren laufen häufig im Dauerbetrieb in Umgebungen, in denen die Gesamtbetriebskosten und die Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle spielen. Dickere Bleche mit einer Stärke von beispielsweise 0,50 mm sind einfacher zu handhaben, weniger anfällig für mechanische Verformungen beim Stanzen und bieten eine zufriedenstellende Effizienz für allgemeine Anwendungen.
Typische Noten:50W470, 35W300
Eigenschaften:
- Preiswert und einfach zu verarbeiten
- Gute Leistung bei 50/60 Hz Netzfrequenz
- Mittlere Dicke (0,35–0,50 mm)
Anwendungsbeispiele:
- Gebläse und Pumpen für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen
- Förderbandantriebe
- Ventilatoren, Kompressoren und Grundlastmotoren
Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge (EV)
Elektrofahrzeug-Traktionsmotoren arbeiten aufgrund von Frequenzumrichtern mit hohen elektrischen Frequenzen und decken oft einen breiten Drehzahlbereich ab. Dies stellt höhere Anforderungen an die magnetischen Eigenschaften des Kerns. Verlustarme Stähle reduzieren die Wärmeentwicklung und verbessern so die Reichweite und die thermische Zuverlässigkeit in kompakten Bauformen.
Typische Noten:30W230, 27W150
Eigenschaften:
- Dünne Laminierungen (0,27–0,30 mm)
- Extrem niedrige Kernverluste bei höheren Frequenzen
- Oft kombiniert mit hochentwickelten Isolierbeschichtungen
Anwendungsbeispiele:
- Elektroantriebe für Personenkraftwagen
- Hybridfahrzeugmotoren
- Hochleistungs-Elektro-Sportwagen
Der Generator.
Generatoren müssen unter verschiedenen Lasten und Umgebungsbedingungen eine konstante elektrische Leistung erbringen. Neben der Effizienz sind Stabilität im Dauerbetrieb und eine ausgezeichnete thermische Leistung von größter Bedeutung.
Typische Noten:35W300, 30W230, manchmal auch dickere oder Spezialstähle
Eigenschaften:
- Entwickelt für Dauerbetrieb und Zuverlässigkeit
- Ausgewogenes Verhältnis zwischen thermischem Verhalten und Wirkungsgrad
Anwendungsbeispiele:
- Solar- und Windkraftanlagen
- Industrielle Notstromaggregate
- Generatoren im Kraftwerk
Hochgeschwindigkeits- und Luft- und Raumfahrtmotoren
In der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie und der Spezialfertigung müssen Motoren mit sehr hohen Drehzahlen, minimalen Verlusten und extremer Zuverlässigkeit arbeiten. Hochwertige Legierungen wie Kobaltstähle bieten Leistungsvorteile, die die höheren Rohstoff- und Verarbeitungskosten überwiegen.
Typische Noten:20W120, Kobalt/Nickel-Legierungen
Eigenschaften:
- Extrem geringe Verluste bei sehr hohen Frequenzen
- Hohe Sättigung und Permeabilität
- Oftmals hochwertiges Material, entsprechend hohem Preis
Anwendungsbeispiele:
- Aktuatoren und Turbinen für die Luft- und Raumfahrt
- Hochgeschwindigkeits-CNC-Spindeln
- Präzisions-Servosysteme
Vergleich von Stahllegierungen mit anderen Metallen
| Material | Magnetische Verwendung | Kernverlustverhalten | Typische Rolle im Motor |
| Siliziumstahl | Kernlaminierungen | Niedrig bis sehr niedrig (abhängig von der Note) | Standard-Motor- und Generatorkerne |
| Kobaltlegierter Stahl | Premium-Kerne | Sehr niedrig bei hohen Frequenzen | Hochleistungs-/Luft- und Raumfahrt |
| Nickellegierungsstahl | Präzisionskerne | Sehr geringe Hysterese | Präzisionsanwendungen mit geringem Rauschen |
| Massives Eisen | Magnetisch, hohe Permeabilität | Hohe Wirbelstromverluste | Nicht geeignet für Wechselstromkerne |
| Ferrite | Magnetisch, Hochfrequenz | Sehr niedrig bei hohen Frequenzen | Induktivitäten, Transformatoren (eingeschränkt) |
| Aluminium / Kupfer | Nichtmagnetische Leiter | N / A | Wicklungen, Rotorkäfige, Gehäuse |
