Für den Erfolg der Elektromobilität sind effiziente Produktionsprozesse entscheidend. Während die Entwicklungsfortschritte bei der Batterie im Rampenlicht der Öffentlichkeit stehen, vollziehen sich Fortschritte bei den Elektromotoren eher im Stillen.
Das Schweißen der feinen Hairpins mit dem Laser verlangt äußerste Präzision.
Trumpf
Bei der Herstellung des für Leistung und Effizienz im Elektromotor entscheidendem Bauteil, dem Stator, verdrängt die Hairpin-Technologie mit ihrer Steckspulenstruktur aus massiven Kupferdrähten zunehmend die konventionelle Drahtwickeltechnik, berichtet Achim Kampker, der an der RWTH Aachen den Lehrstuhl "Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)" leitet. In dieser Bauweise werden die Wicklungen des Motors über Drahtbügel mit rechteckigem Querschnitt realisiert, die von einem Roboter in den Stator eingelegt und mit einem Laserstrahl verschweißt werden. "Die Drahtbügel erinnern an eine Haarnadel, daher der Name Hairpin-Technologie, erklärt Gerhard Babiel im Buchkapitel Antriebssysteme.
Im Unterschied zum traditionellen Aufbau eines Elektromotors werden bei der Hairpin-Technologie massive, biegesteife Kupferdrähte (in der Regel Kupferflachdrähte) in die Nuten des Stator-Blechpaketes eingebracht, wobei das Blechpaket wie bei herkömmlichen Statoren aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten Elektroblechlagen mit einer Dicke von jeweils etwa 0,18 bis 0,5 mm besteht. "Die Hairpin-Montage stellt einen Gegenentwurf zu den klassischen Wickeltechnologien dar", konstatieren die Autoren des Buchkapitels Entwicklung von elektrofahrzeugspezifischen Systemen. Vorteile der ursprünglich aus dem Generatorbau stammenden Hairpin-Technologie gegenüber klassischen Wickelverfahren wie Nadel- oder Flyerwicklung sind nach PEM-Angaben insbesondere
- ihre Eignung für die Statorwicklung sowohl von Synchron- als auch von Asynchronmotoren,
- ein mechanischer Nutfüllfaktor von bis zu 90 % (elektrisch: bis zu 70 %) sowie
- die automatische Fertigung hoher Stückzahlen, die in der Automobilindustrie zwischen 150.000 und 200.000 Einheiten pro Jahr liegen.
Steigende Rohstoffpreise und der Zwang zur Minimierung von Bauräumen stehen hinter dem Bestreben der Motor-Konstrukteure, die geometrischen Abmessungen einer Spule so klein wie möglich zu halten. Wichtige Faktoren hierbei sind die Füllform und der Füllfaktor einer Wicklung, wobei der mechanische Füllfaktor das Verhältnis des Gesamtquerschnitts der Windungen zum Querschnitt des zur Verfügung stehenden Wickelraumes beschreibt. Für den elektrischen Füllfaktor wird dieser Wert noch um die Fläche des Isolationssystems, also des Lacks auf dem Draht, gemindert. Da bei der Wicklung mit rundem Draht stets Räume eingeschlossen werden, die nicht ausgefüllt werden können, ist der Füllfaktor immer kleiner eins. Zum Vergleich: "Herkömmliche Runddrahtwicklungen erreichen zirka 40 Prozent", schreibt Springer-Autor Gerhard Babiel.
Verschiedene Herstellungsverfahren für Hairpin-Statoren
Die Autoren Andreas Riedel, M. Kneidl, J. Seefried, A. Kuehl und J. Franke geben in ihrem Buchbeitrag Comparison of Various Manufacturing Processes for Hairpin-Stators with Different Conductor Material eine Übersicht über verschiedene Herstellungsverfahren für Hairpin-Statoren mit unterschiedlichem Leitermaterial und weisen darauf hin, dass insbesondere die Erhöhung des elektrischen Kupferfüllfaktors eine Verbesserung der Leistungsdichte der elektrischen Maschine bewirkt. Große Leiterdurchmesser führen jedoch bei hohen Frequenzen, wie sie bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen auftreten, zu zusätzlichen Verlusten durch Wirbelstromeffekte. Diese Nachteile können nach Ansicht der Autoren vermieden werden, indem der massive rechteckige Leiter durch eine Litze ersetzt wird. Allerdings erfordere dieses Halbzeug einen komplexeren Herstellungsprozess. In ihrem Buchbeitrag stellen sie die Prozesskette zur Herstellung eines Haarnadel-Stators aus Litzendraht vor und diskutieren die Herausforderungen in der Prozesskette eines Litzenleiters im Vergleich zu einem massiven Leiter.
In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Forschungsprojekt "anfaHair" haben die Wissenschaftler des PEM an der RWTH Aachen untersucht, wie sich die Produktion neuartiger Elektromotoren im industriellen Maßstab effizienter gestalten lässt. Dazu entwickelte das Team gemeinsam mit dem Berliner Maschinenbau-Unternehmen Röscher vier potenziell marktfähige Fügetechnologien für den Herstellungsprozess von Hairpin-Statoren. "Wir haben die neuen Fügeverfahren ausgiebig erprobt und ihre Anwendbarkeit in der Hairpin-Stator-Produktion konkret demonstriert", berichtet Achim Kampker, und "dabei haben wir für alle Verfahren technologisch und wirtschaftlich sinnvolle Anwendungsfälle ermittelt." Ihre Erkenntnisse zur Konstruktion von Elektromotoren haben die PEM-Wissenschaftler jetzt in Produktionsleitfäden zusammengefasst.
Dual-Optik macht Fertigung von E-Motoren produktiver
In der Fertigung ist aktuell die Kontaktierung der zahlreichern Hairpins mit dem Laser das Verfahren der Wahl. Doch weist die Serienfertigung dieser Elektromotoren noch hohe Ausschussraten aus, haben die Aachener Wissenschaftler festgestellt. Das Problem: Das Schweißen der feinen Hairpins ist sehr anspruchsvoll. Möglicherweise hat jetzt der Hersteller Trumpf mit seiner Ende Juni auf der Messe "Laser – World of Photonics" in München vorgestellten Dual-Optik (Dual PFO) eine Lösung für die Qualitätsverbesserung gefunden. Bei den programmierbaren Fokussieroptiken (PFO) des Unternehmens handelt es sich um Scanneroptiken zum Schweißen und Schneiden. Mithilfe von zwei Spiegeln kann der Laserstrahl nach Unternehmensangaben an jede vorgegebene Position innerhalb des Bearbeitungsfeldes oder -raumes positioniert oder auf beliebigen Nahtgeometrien geführt werden, ohne dass sich das Werkstück oder die Fokussieroptik während des Schweißvorgangs bewegen. Die Dual PFO verdoppelt das Arbeitsfeld im Vergleich zu einer normalen PFO, sodass sie sich besonders für die Bearbeitung von großen Bauteilen wie Elektromotoren eignet.
Um eine hohe Fertigungsqualität zu erreichen, misst eine PFO immer zuerst die Lage des Bauteils, bevor der Schweißvorgang beginnt. Im Gegensatz zu einer normalen PFO misst und schweißt die Dual PFO parallel. "Anwender sparen dadurch viel Zeit und Geld", sagt Matthias Beranek, Branchenmanager Automotive bei Trumpf. Die Dual Optik sei außerdem mit einer neuen Bildverarbeitung kombinierbar, die auf künstlicher Intelligenz basiert. Das steigere die Produktivität der Dual PFO noch einmal. "Auf diese Weise", so Baranek, "lassen sich die Taktzeiten beim automatisierten Schweißen von Hairpins für Elektromotoren um bis zu 30 Prozent verringern."