Elektromotoren spielen eine Schlüsselrolle bei der Mobilitätswende: Ihr Betrieb verursacht keine umwelt- oder klimaschädlichen Emissionen. Dennoch tragen Gewicht, benötigter Bauraum und insbesondere Energieverbrauch wesentlich zum ökologischen Fußabdruck eines Fahrzeugs bei. Ein wichtiger Faktor für die Effizienz einer E-Maschine ist der Ausnutzungsgrad des verfügbaren Bauraums für die Kupferwicklungen im Stator. Das Fraunhofer IWU setzt nun auf umformtechnische Produktionsverfahren, um den so genannten Nutfüllfaktor durch lageangepasste Wicklungen von derzeit durchschnittlich 50 % auf über 80 % zu erhöhen.
Die Automobilindustrie vertraut bei elektrischen Antrieben meist auf den sogenannten permanenterregten Synchronmotor. Dieser besteht aus den wesentlichen Komponenten Stator und Rotor. Der Rotor ist der rotierende innere Teil des Motors, der einen Satz von permanentmagnetischen Polen enthält, die mit dem magnetischen Feld des Stators in Wechselwirkung stehen. Als Stator wird der feststehende äußere Teil des Motors bezeichnet, der eine Reihe von Spulen enthält, die mit elektrischem Strom versorgt werden, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Dadurch dreht sich der Rotor mit einer bestimmten Geschwindigkeit – insbesondere abhängig von der Intensität und Frequenz des Magnetfelds.
Durch eine positionsangepasste Drahtgeometrie könnte eine Nut im Stator zu über 80 % gefüllt werden. Stand der Technik bei heutigen Wicklungen: 50 %
Für den einfachen Aufbau eines Stators bei gleichzeitig gezieltem Werkstoffeinsatz ist der Einsatz von konzentrierten Wicklungen, auch Zahnspulen genannt, besonders gut geeignet. Dabei umschlingen die Spulen aus Kupferdraht jeweils einen Zahn des Stators. Aufgrund der kreisrunden äußeren Geometrie des Stators ergeben sich zwischen den Zähnen trapezförmige Nuten. Nach heutigem Stand der Technik können durch automatisierte Wickelverfahren mit Runddraht diese Nuten jedoch in der Regel nur etwa zur Hälfte ausgefüllt werden. Zu über 80 % gefüllte Nuten würden die Effizienz und Leistungsstärke des Motors aufgrund des geringeren elektrischen Widerstandes, besseren Stromdurchflusses und daraus resultierender höherer Magnetfeldstärke weiter verbessern. Alternativ könnte ein Motor für die gleiche Leistung kleiner dimensioniert werden, Gewicht und benötigter Bauraum würden sinken.
Nutfüllfaktor erhöhen durch lageangepasste Windungsgeometrie
Das Fraunhofer IWU forscht an umformtechnischen Prozessketten zur Herstellung elektromagnetischer Zahnspulen, um den Nutfüllfaktor zu erhöhen. Das Besondere dabei: Je nach Lage innerhalb der Nuten soll der Draht geometrisch so ausgeführt werden, dass der an der jeweiligen Position verfügbare Raum bestmöglich ausgefüllt wird (lageangepasste Windungsgeometrie). Beispielsweise ist auf Höhe der breiteren Grundseite in der trapezförmigen Nut eine flache und breite Ausführung der Windung sinnvoll, während auf der kurzen Grundseite eine schmale Drahtgeometrie für bestmögliche Raumausnutzung steht. Dabei muss auch die Leitfähigkeit des Drahtes in der jeweiligen Geometrie berücksichtigt werden.
Trapezförmige Demonstratorspule mit lageangepasster Draht- und Windungsgeometrie
Die Herstellung einer solchen Wicklung erfordert bei Draht und Windungen lageabhängig unterschiedliche Geometrien. Das Fraunhofer IWU setzt auf die Umformtechnik, da dieser Ansatz eine Reihe von Vorteilen aufweist. Der Werkstoff wird bestmöglich ausgenutzt und es entsteht kein Verschnitt, der recycelt werden müsste. Im Vergleich etwa zu additiven Fertigungsverfahren ist der Energiebedarf bei der Herstellung gering. Es genügen einfache Werkzeuge, die für hohe Stückzahlen in kurzen Taktzeiten und damit eine wirtschaftliche Fertigung sorgen.
Hausmesse
Im Rahmen der Hausmesse Open House führt Dr. Mirko Bach sein Forschungsprojekt am 14. Juni 2023 vor. Diese und viele weitere Ideen rund um nachhaltige Produktion, Energie- und Ressourceneffizienz sowie klimaneutralen Fabrikbetrieb präsentiert das Fraunhofer IWU vom 13. bis 15. Juni in Chemnitz. Daneben stehen Lösungen für produktionstechnische Herausforderungen von Wasserstoff und Nutzungsszenarien für dieses Multitalent der Energiewende im Fokus.
Text- und Bildquelle: Fraunhofer IWU
