Sicherungsring für den Einsatz in schnelldrehenden Elektroantrieben

Hocheffiziente Elektromotoren gehören zu den Schlüsselfaktoren für die Umsetzung erfolgreicher E-Mobility-Konzepte. Das stellt nicht nur die Motorenbauer immer wieder vor neue Herausforderungen, sondern auch die Zulieferer von Norm- und Standardteilen. So sahen sich beispielsweise die Ingenieure des C-Teile-Herstellers Smalley vor der Spezialaufgabe, für einen namhaften OEM von Automotive-Elektroantrieben einen Wellen-Sicherungsring mit einer integrierten Selbstsperrfunktion zu entwickeln. Das Besondere daran: Er lässt sich für Umdrehungen von bis zu 17.000 Umdrehungen pro Minute einsetzen. Herkömmliche Sicherungsringe katapultiert es bei diesen Drehzahlen ins Nirvana.

Mechanisch betrachtet sind es vorrangig die Zentrifugalkräfte der rotierenden Antriebswellen, die die Funktion von Sicherungsringen begrenzen. Werden die fliehenden Kräfte zu hoch, hebt es den Sicherungsring aus seiner Nut und lässt ihn von der Welle rutschen. Im schlimmsten Fall bedeutet das den Totalausfall des Antriebs. Auch in der Elektrotechnik gehört es daher zu den Pflichten der Konstrukteure, die maximale Drehzahleignung der verwendeten Sicherungsringe abzuklären. Je nach Typ und Variante eignen sich beispielsweise die ösenfreien Spirolox-Ringe von Smalley, die es im Lieferprogramm von TFC gibt, serienmäßig für Drehzahlen von bis zu 8.000 Umdrehungen pro Minute. Damit decken der US-amerikanische Hersteller und sein deutscher Vertriebspartner zwar einen außergewöhnlich großen Anwendungsbereich ab, für einen namhaften OEM von Automotive-Elektroantrieben für die Elektromobilität war das allerdings nicht genug: Er benötigte für einen neuen hochdrehenden Motor einen Sicherungsring mit 33 Millimeter Durchmesser, der seinen Sitz in der Nut selbst bei Drehzahlen von mehr als 17.000 Umdrehungen pro Minute zuverlässig und stabil beibehalten sollte.

Neuentwicklung auf bewährter Basis

Grundsätzlich bestehen die Spirolox-Ringe von Smalley/TFC aus gewalzten Edelstahl-, Federstahl-, Titan- oder Sonderlegierungswerkstoffen und weisen im Gegensatz zu den anderen Sicherungsringen (DIN 471/472) einen prägnanten Vorteil auf: Sie haben keine Nasen, Ösen oder Bohrungen und auch keinen Spalt, sondern schließen rundum bündig ab. Sie sind also wie geschaffen für die Verwirklichung raumsparender Konstruktionen, da sie peripheren Komponenten keinen Platz stehlen. Technologische Grundlage für ihre Herstellung ist das No-Tooling-Cost-Verfahren von Smalley – auch bekannt als Circular-Grain-Methode. Dabei handelt es sich um eine Variante der Kantenwindungstechnik, die sich flexibel nutzen lässt und es erlaubt, konstruktive Anpassungen und Optimierungen an den Sicherungsringen ohne zusätzliche Tools oder Werkzeug-Modifikationen vorzunehmen. Das Verfahren ermöglicht zudem die rasche Prototypen-Fertigung und, selbst bei kleinen Stückzahlen, eine kostengünstige Herstellung von Sonderlösungen.

Selbstsperrende Dorn-Slot-Verbindung

Auch bei der Entwicklung des Sicherungsrings für die High-Speed-Elektromotoren des Automotive-OEM kamen die Ingenieure von Smalley mithilfe der No-Tooling-Cost-Technologie schnell zum Ziel. Innerhalb weniger Wochen verwirklichten sie einen Spirolox-Ring mit zwei Windungen und einer integrierten Eigensicherung, einer Art Selbstblockade, der in der Lage ist, die hohen Drehzahlanforderungen des Kunden problemlos zu erfüllen. Im Gegensatz zu den Standardlösungen verfügt dieser als Sonderteil verwirklichte selbstsperrende Sicherungsring an seiner Innenwindung über zwei kleine Dorne, die sich jeweils in gegenüberliegende schmale Slots (Ausstanzungen) im Außenring schieben und dort einrasten. Durch diese doppelte Dorn-Slot-Paarung entsteht eine schlüssige Verbindung zwischen den Windungen des Rings, die umso fester wird, je schneller sich die Welle des Elektromotors dreht. Darüber hinaus ergeben sich einige weitere, überaus erfreuliche Vorteile: Dank der Selbstsperrfunktion erweist sich der Sicherungsring von auch als extrem standhaft bei hoher Beschleunigung und viel unempfindlicher gegenüber Vibrationen. In der Praxis hat sich zudem gezeigt, dass er sogar in der Lage ist, Stöße und Schläge zu absorbieren. Sein äußeres Design ist, wie bei allen Spirolox-Ringen, rundum bündig und bildet eine geschlossene 360-Grad-Anlagefläche.

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Mit dem neuen selbstsperrenden Sicherungsring bietet der Bochumer Partner eine Lösung für den Elektromotorenbau an, die dem Elektromobilitätstrend zu immer höher drehenden Antrieben gerecht wird. Schon heute sind hier beispielsweise Synchronmaschinen, die mit etwa 11.000 Umdrehungen pro Minute rotieren, sowie Asynchronmaschinen, deren Nenndrehzahlen sogar bei bis zu 25.000 Umdrehungen pro Minute liegen, keine Seltenheit mehr. Prinzipiell liefern die Bochumer die Spirolox-Sicherungsringe sowohl als Schnapp-, Hoopster- und Flachdraht-Wellenringe als auch mit Mehrfachwindungen. Alle Typen lassen sich mit marktüblichen Schraubendrehern setzen und entfernen. Ab Lager erhältlich sind die Ringe in 6.000 verschiedenen Ausführungen mit Durchmessern von 6 bis 400 Millimtern (1/4 bis 16 Zoll). aru