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Serienfertigung Druckgegossene Aluminiumspulen für effizientere E-Motoren

Redakteur: Lilli Bähr

Das Fraunhofer IFAM hat ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leichte Wicklungen aus Aluminium und höherem Nutfüllfaktor gefertigt werden können. Eine Studie zeigt, dass die Aluminiumspulen im Vergleich zu den Kupferwicklungen die Dauerleistung der elektrischen Maschinen steigern sowie Gewicht und Rohstoffkosten einsparen.

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Im Druckguss hergestellte Aluminiumspule mit sieben Windungen und einer Leiterhöhe von ca. 1,5 mm.
Im Druckguss hergestellte Aluminiumspule mit sieben Windungen und einer Leiterhöhe von ca. 1,5 mm.
(Bild: Fraunhofer IFAM)

Ob Pedelecs, E-Scooter oder Drohnen – alle diese Mobilitätsformen haben einen Elektromotor. Die Motoren sind im Aufbau identisch und besitzen einen Rotor, der mit einem Kupferdraht umwickelt ist. Um die Motoren effizienter zu gestalten, stehen Fragestellungen zum Wirkungsgrad, Gewicht, Material- und Fertigungskosten im Vordergrund.

Spulen für die Serienfertigung auch im Druckguss

Nachdem es in den letzten Jahren bereits gelungen war, Aluminiumspulen im Feinguss zu fertigen, war es ein naheliegendes Ziel der Abteilung „Gießereitechnologie und Leichtbau“ am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM die Spulen für die Serienfertigung auch im Druckguss herzustellen.

Gegossene Spulen zeichnen sich durch eine flache Leiteranordnung aus, die zu einem höheren Nutfüllfaktor und so zu einer besseren Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums führt. Obwohl die gegossenen Aluminiumspulen gegenüber den gewickelten Spulen aus Kupfer einen auf das Material bezogenen höheren elektrischen Widerstand haben, ergibt sich durch den größeren Querschnitt bezogen auf die gesamte Spule ein geringer Widerstand.

Besseres thermisches und elektromagnetisches Verhalten

Durch die bessere Anbindung an das Blechpaket und günstigere Ausnutzung des Bauraums resultiert laut Institut ein besseres thermisches und elektromagnetisches Verhalten. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit gewickelte Kupferspulen durch gegossene Aluminiumspulen bei verbesserter Performance und geringeren Materialkosten zu ersetzen. Damit der Nachweis im direkten Vergleich gelingt, wurden für die Studie handelsübliche Pedelec-Motoren mit 250 W eingesetzt. Die umgebauten Motoren mit unterschiedlichen Blechpaketen und Spulen-Kombinationen wurden anschließend auf einem Prüfstand getestet.

Verbesserter Wirkungsgrad durch Aluminiumspulen

Darstellungen der Spulenanordnung innerhalb eines Pedelec-Motors mit Kupferspulen (oben) und eines identischen Motors mit gegossenen Aluminiumspulen (unten).
Darstellungen der Spulenanordnung innerhalb eines Pedelec-Motors mit Kupferspulen (oben) und eines identischen Motors mit gegossenen Aluminiumspulen (unten).
(Bild: Fraunhofer IFAM)

Nach dem Umbau des Pedelec-Motors konnte der Nutfüllfaktor laut Institut von 32 % auf 60 % erhöht werden. Gleichzeitig ergab sich eine Gewichtsersparnis um 10 %. Das Drehmoment stieg um 30 %. Aufgrund des besseren thermischen Verhaltens der Spulen soll sich die Dauerleistung bei Betriebstemperatur um fast 20 % erhöht haben. Die Aluminiumspule kann die entstehende Wärme besser an das Blechpaket und damit an die Umgebung abgeben. Daraus entsteht eine verbesserte Dauerleistung, da die Spulen erst bei höheren Strömen die zulässige Dauerbetriebstemperatur erreichen.

Noch vorteilhafter waren die Messergebnisse bei einem auf die gegossenen Spulen optimierten Blechpaket für einen weiteren modifizierten Pedelec-Motor. Bei geringerem Gewicht stieg das Drehmoment um fast 80 % und die Dauerleistung um 25 % im Vergleich zum ursprünglichen Motor an. Konstruktive Veränderungen sollen die Performance von Motoren mit Aluminiumspulen weiter steigern können.

Potenzial für Elektromotoren unterschiedlicher Produkte

Durch die langjährigen Entwicklungsarbeiten zu gegossenen Spulen am Fraunhofer IFAM besteht nun die Möglichkeit unterschiedlichste Einsatzszenarien abzudecken. Für den Einsatz in High-Performance-Maschinen können Spulen aus Kupfer mit höchster Qualität im Feinguss hergestellt werden. Für die Anwendung in der Serienfertigung, wie sie z. B. bei der Herstellung von Lenkungsmotoren oder Kälte- und Klimaanlagen benötigt werden, eignet sich laut Institut insbesondere das Druckgussverfahren. Um die Herstellung im Druckguss zu optimieren und die Fertigungskosten weiter zu reduzieren, ist ein nächster Entwicklungsschritt die automatisierte Nachbearbeitung der Spulen. Große Stückzahlen in geringen Taktzeiten können dann dem Institut zufolge in jeder Druckgießerei gefertigt werden.

Fraunhofer IFAM auf der Euroguss 2020: Halle 7, Stand 422

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