Umformtechnik Neuartige Wickeltechnik bringt mehr Power in den Elektromotor

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Elektromotoren sind umweltfreundlich im Betrieb und pushen darum die Mobilitätswende – aber sie sind schwer. Forscher wollen den Bauraum für die Stator-Kupferwicklung deshalb besser ausnutzen.

Die Automobilindustrie vertraut bei elektrischen Antrieben meist auf den sogenannten permanenterregten Synchronmotor, wie Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU vorausschicken. Dieser Elektromotor besteht aus den wesentlichen Komponenten Stator und Rotor. Der Rotor – das lässt schon der Name vermuten – ist der rotierende innere Teil des Motors, der einen Satz von permanentmagnetischen Polen trägt, die mit dem magnetischen Feld des Stators, der sich nicht bewegt, in Wechselwirkung stehen, so die IWU-Experten zur prinzipiellen Funktion. Der Stator enthält eine Reihe von Spulen, die mit Strom versorgt werden, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das den Rotor mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Bewegung setzt. Der Speed ist insbesondere abhängig von der Intensität und Frequenz des magnetischen Wechselfeldes im Stator.

Motorleistung hängt vom Füllgrad der Statornuten mit Kupferdraht ab

Für den einfachen Aufbau eines Stators bei gleichzeitig möglichst effizientem Werkstoffeinsatz ist der Einsatz von konzentrierten Wicklungen, auch Zahnspulen genannt, besonders gut geeignet, heißt es weiter. Dabei umschlingen Spulen aus Kupferdraht jeweils einen Zahn des Stators. Aufgrund der kreisförmigen äußeren Geometrie des Stators ergeben sich zwischen den Zähnen zwangsweise trapezförmige Nuten. Nach heutigem Stand der Technik können diese Nuten durch automatisierte Wickelverfahren mit Runddraht jedoch nur etwa zur Hälfte – als zu 50 Prozent – ausgefüllt werden. Würde man es schaffen, die Nuten auch nur zu 80 Prozent zu füllen, würden die Effizienz und die Leistungsstärke des Motors aufgrund des geringeren elektrischen Widerstandes, dem besseren Stromdurchfluss und der daraus resultierenden, höheren Magnetfeldstärke deutlich erhöht werden. Andersherum betrachtet, so die IWU-Experten, könnte ein Motor bei gleicher Leistung durch den höheren Füllgrad kleiner dimensioniert werden, wobei Gewicht und benötigter Bauraum sich verringern.

Spezielle Drahtumformtechnik füllt Statornuten effizienter aus

Am IWU forscht man deshalb an umformtechnischen Prozessketten zur Herstellung elektromagnetischer Zahnspulen, die mehr Kupferdraht in die Nut bringen können, wie es weiter heißt. Das Besondere dabei sei, dass je nach Lage innerhalb der Nuten, der Draht geometrisch so ausgeführt werden soll, dass der an der jeweiligen Position verfügbare Raum bestmöglich ausgefüllt wird (die sogenannte 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, wie die Forscher wissen lassen. Dabei müsse auch die Leitfähigkeit des Drahtes in der jeweiligen Geometrie berücksichtigt werden.

Für die Produktion einer solche Wicklung, bei der Draht und Windungen lageabhängig unterschiedliche Geometrien erfordern, setzt das IWU auf die Umformtechnik, weil sie einige Vorteile hat. Bei der Herstellung wird der Werkstoff nämlich bestmöglich ausgenutzt und es entsteht kein Verschnitt, der recycelt werden müsste, was Aufwand und Kosten bedeutet. Im Vergleich etwa zu additiven Fertigungsverfahren ist der Energiebedarf bei der Herstellung gering, wie die Experten anmerken. Es genügten dazu relativ einfache Werkzeuge, die aber für hohe Stückzahlen in kurzen Taktzeiten und damit eine wirtschaftliche Fertigung sorgen.

IWU-Open House präsentiert in Chemnitz die neuesten Entwicklungen

Im Rahmen der Hausmesse Open House wird Dr. Mirko Bach sein Forschungsprojekt bald vorstellen. Diese und viele weitere Ideen rund um nachhaltige Produktion, Energie- und Ressourceneffizienz sowie klimaneutralen Fabrikbetrieb präsentiert das Fraunhofer IWU nämlich vom 13. bis 15. Juni in Chemnitz. Daneben stehen Innovationen für produktionstechnische Herausforderungen von Wasserstoff und Nutzungsszenarien für dieses gasförmige Multitalent der Energiewende im Fokus. Das Fraunhofer IWU freut sich auf Anmeldungen.

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