Entwicklung einer großserienfähigen und wirtschaftlichen Produktionstechnologie für umformtechnisch hergestellte Formspulen elektrischer Antriebe (FlexiCoil)

Problemlage
Die zentrale Herausforderung bei der Entwicklung eines Elektromotors ist es, aufgrund des begrenzten Bauraums die größtmögliche Leistungsdichte bei höchster Effizienz zu realisieren. Maßgeblich dafür ist die Gestaltung der Spulen. Bislang wird vorwiegend runder Kupferlackdraht zum Wickeln der Spule eingesetzt. Um eine maximale Ausnutzung des Bauraums zu erreichen, ist es notwendig, den Querschnitt des Drahtes und die Gestalt der Spule zu optimieren. Der Draht muss dabei nicht nur rechteckig, sondern im Verlauf seiner Geometrie variabel sein. Für die Herstellung der sogenannten Formspulen wird ein serientaugliches Fertigungsverfahren benötigt, um die erforderlichen Geometrien zu erzeugen. Gleichzeitig muss eine sichere elektrische Isolation des Kupferdrahts innerhalb des Elektromotors garantiert werden.

Zielsetzung
Die Zielsetzung des FlexiCoil Projekts ergibt sich aus der Lösung der beschriebenen Herausforderungen. Es soll ein großserientaugliches Verfahren zur Fertigung von querschnittsflexiblen Formspulen entwickelt werden, um Elektromotoren mit größtmöglichem Kupferfüllfaktor und damit hoher Drehmomentdichte und Effizienz wirtschaftlich herstellen zu können.
Vorgehensweise
Die Zielgeometrie der Spule wurde zu Projektbeginn festgelegt. Hieraus ergeben sich die Anforderungen an möglichst konstante Querschnittsflächen der Leiter sowie ausreichend große Biegeinnenradien, um Hotspots in der Wicklung zu vermeiden. In initialen Versuchsreihen zur Realisierung der Windungsisolierung wurde aufgrund der hohen Beanspruchung der Isolationsschicht beim Stauchen davon abgesehen, bereits isolierten Kupferlackdraht umzuformen. Stattdessen werden die Formspulen nach dem Umformen beschichtet. Um dies ohne Fehlstellen zu ermöglichen, sollten Grate und scharfe Kanten durch den Umformprozess vermieden werden.
Vorversuche zeigten, dass mit der mehrstufigen Umformung der beste Kompromiss zwischen Herstellbarkeit der gewünschten Spulengeometrie und seriennaher, wirtschaftlicher Produktion erzielt werden kann. Im Falle der in diesem Projekt betrachteten Spulengeometrie konnte basierend auf Erkenntnissen der Prototypenherstellung eine Anzahl von fünf Umformstufen bestimmt werden, die während der Umformung einen hinreichend starken Formzwang gewährleisten. Die umgeformten Spulen wurden anschließend mit einem epoxidbasierten Lack isoliert und im Erprobungsträger verbaut.

Um die Montage der Spulen zu ermöglichen, musste der Stator ohne Zahnköpfe und segmentiert ausgeführt werden. Der Wirkungsgrad und das thermische Verhalten des Erprobungsträgers wurden auf einem Prüfstand ermittelt und mit dem Verhalten einer Referenzmaschine mit Runddrahtwicklung verglichen.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Im Rahmen des Projektes FlexiCoil wird gezeigt, dass es möglich ist umformtechnisch hergestellte Spulen seriennah zu fertigen. Um die Leistungsdichte eines Elektromotors zu erhöhen, wurde bei der Entwicklung der FlexiCoil-Spulen ein Augenmerk auf einen erhöhten Kupferfüllfaktor gelegt. Es gelang, diesen mittels der FlexiCoil-Spulen um 33 % gegenüber üblichen runden Kupferlackdrahtwicklungen zu erhöhen. Damit einher geht eine Reduktion der Energieverluste von bis zu 17 %. Somit lässt sich das Dauerdrehmoment von elektrischen Radnabenantrieben oder anderen Elektromotoren bei gegebenem Bauraum erhöhen. Der komplette Umform- und Beschichtungsprozess ist aktuell aufwendig und damit kostenintensiv. Gleichwohl führt die Herstellung der Spule, bei Betrachtung der Gesamtkosten des kompletten Radnabenantriebs, zu einer relativ geringen Preissteigerung von 10 bis 15 % im Vergleich zu einem Elektroantrieb mit einer konventionellen E-Maschine. Die zu erwartenden Ergebnisse wurden zu Beginn des Projektes simulativ errechnet und konnten abschließend an vollständig gefertigten Elektromotoren als Technologie- Demonstratoren getestet und bestätigt werden. Es wurden ausführliche Messungen der Leistung und Effizienz im Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld durchgeführt. Diese Arbeit mit den Prototypen bestätigte das große Potenzial, welches sich in dieser Technologie verbirgt. Die Formspulen stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Insbesondere durch weitere Forschungen bezüglich der Isolation (Beschichtung) ist es möglich, die Herstellung kostengünstiger zu gestalten. Bereits jetzt zeigt das Projekt FlexiCoil eine interessante Alternative auf, den Kupferfüllfaktor einer E-Maschine zu steigern und damit höhere Leistungs- und Drehmomentdichten sowie höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

• Breuckmann GmbH & Co. KG
• RWTH Aachen
• Schaeffler Technologies AG & Co. KG