Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ressourceneffiziente und flexible Fertigung von Hochleistungsspulen

Elektromotoren verursachen zirka 40 % des elektrischen Energieverbrauchs weltweit. Über 6 Milliarden Tonnen von CO2-Emmission werden ebenfalls durch Elektromotoren verursacht – 20 % der CO2-Emmission weltweit. Immer strengere gesetzliche Regelungen und Verordnungen zwingen die Hersteller von elektrischen Antrieben, die Effizienz im Vergleich zu aktuellen Konzepten zu steigern.

Die Leistungsdichte sowie die Effizienz der elektrischen Maschinen sind vom Füllfaktor der verwendeten Spulen und deren thermischen Verhalten abhängig. Konventionell hergestellte Spulen aus Runddraht (Massenanwendungen) haben einen begrenzten Füllfaktor (max. 55%). Mit zunehmendem Füllfaktor sinken die Wärmeverluste in der Wicklung durch Verringerung des elektrischen Widerstandes. Parallel dazu wird die Wärmeableitung der Spule durch die Reduktion der thermisch isolierenden Lufttaschen verbessert. Mit der vorgeschlagenen Prozesskette wird es möglich, Spulen mit erhöhtem Füllfaktor herzustellen und Kupfer einzusparen. Die damit hergestellten Spulen sind durch eine spanlose und gratfreie Fertigung gekennzeichnet und bieten somit ein Höchstmaß an Materialausnutzung. Aufgrund der hohen Flexibilität und der geringen Formspeichergrade der eingesetzten Werkzeuge ist die geplante Prozessroute für die wirtschaftliche Herstellung von kleinen aber auch großen Losgrößen geeignet.

Das Forschungsziel von EFFICoil ist die Entwicklung einer neuen, ressourceneffizienten Fertigungsstrategie für hoch effiziente Spulen. Der Ansatzpunkt hierfür ist ein sehr flexibler Drahtumformprozess. Es ist geplant, die relevanten Prozessparameter und -grenzen sowie die dafür benötigten Werkzeuge und Prüfstände zu untersuchen. Die positiven Auswirkungen der neuen Technologie werden durch den Vergleich mit dem Stand der Technik nachgewiesen.

Es wird ein neues Verfahren zur Spulenfertigung für deutsche KMU ausgearbeitet. Die gesammelten Ergebnisse werden in die industrielle Anwendung übertragen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde analysiert, inwiefern eine Substitution von Runddrahtwicklungen aus Kupfer durch Formspulen rechteckigen Querschnittes aus Aluminium möglich ist. Dazu wurde sowohl die elektromagnetische Performance der Formspule als auch der Herstellungsvorgang durch entsprechende Simulationen dargelegt.

Für die technische Umsetzung eines realen Demonstrators in Form von verschiedenen Spulen, wurde eine neuartige Prozesskette zur Herstellung der geometrieangepassten Spulenkörper entwickelt. Diese beinhaltet das sequenzielle Pressen des Einzelleiters, das Wickeln zum Spulenkörper und das Kalibrieren des Wickelkopfes, welcher bis dahin noch die initiale Geometrie besaß. Durch diese Prozesskette können die jeweiligen Geometrien der einzelnen Windungen entsprechend ihrer Lage in der Nut angepasst werden um den Nutfüllfaktor zu erhöhen. Durch ausgewählte Messtechnik wurden die Ergebnisse der Umformversuche untersucht und die erzielten Ergebnisse validiert.