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Besonders im Off-Highway-Bereich bestehen hohe Anforderungen an Bauraum und Drehmoment elektrischer Antriebe. eAx Solutions hat ein Maschinenportfolio entwickelt, dass insbesondere der wachsenden Nachfrage nach elektrischen Maschinen im Nutzfahrzeugbereich gerecht werden soll. Die Hairpin-Motoren sollen mit möglichst geringem Aufwand an verschiedene Anforderungen anpassbar sein.
In den vergangenen Jahren erlebte der Bereich des Designs und der Fertigungstechnologie elektrischer Maschinen einen beträchtlichen Fortschritt, der unter anderem zu einer starken Verbesserung von Leistungsdichte und Effizienz führte. Dieser Trend wird sich weiter fortsetzen. Herausfordernd für viele Anwendungen ist es, die Eingriffe in Fahrzeugstrukturen und Architekturen so gering wie möglich zu halten, woraus sich das Spannungsfeld aus geringstem Bauraum und Gewicht bei gleichzeitig hohen Leistungs- und Drehmomentanforderungen ergibt. Ziel von eAx Solutions ist es, die aktuelle Marktnachfrage für Nutzfahrzeuge, einschließlich elektrischer Nebenabtriebe (electric Power Take-offs, ePTOs) für land- und forstwirtschaftliche Anwendungen, Baumaschinen und Marineanwendungen zu erfüllen. Um der Breite der spezifischen Leistungs- und Schnittstellenanforderungen unter Berücksichtigung der Kostenziele gerecht zu werden, besonders in Verbindung mit der hochkomplexen Hairpin-Fertigungstechnologie, war es unerlässlich, ein Maschinenportfolio zu entwickeln, das diese Bandbreite mit geringen Änderungen im Design abbilden kann. Trotz einer hohen Priorisierung der Reduktion von Varianz bei Einzelteilen und Prozessen sowie gleichzeitig hohen Anforderungen an die Robustheit in den Einsatzbereichen ist es gelungen, ein Best-in-class-Produkt bezüglich der Leistungsdichte in Hinblick auf Volumen und Gewicht zu entwickeln.
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Motivation und Marktanforderungen
Die Elektromobilität kann einen wesentlichen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten, wobei das Hauptpotenzial im Bereich der Personenkraftwagen liegt. Dennoch müssen andere Anwendungsbereiche ebenfalls ihren CO2- Ausstoß verringern, um einen globalen Einfluss zu erzielen und das von der EU für 2030 gesetzte Ziel einer Reduktion von 40 % der Treibhausgase (THG) zu erreichen [1].
Neben den CO2-Emissionen werden die aktuellen Abgasemissionen von Non Road Mobile Machinery (NRMM) in der EU durch die Stage-V-Standards und in den USA durch die Tier-4-Standards geregelt. Diese Vorschriften werden in naher Zukunft (2027 bis 2030) noch strenger werden, was die Elektrifizierung von NRMM weiter vorantreiben wird. In den USA finden bereits Diskussionen mit dem California Air Resources Board (CARB) statt, um CO2-Emissionen in die Tier-5-Norm aufzunehmen [2]. Obwohl Baumaschinen, NRMM sowie Land- und Forstmaschinen nur 2 % der gesamten THG-Emissionen in der EU27 [2] ausmachen, müssen Maßnahmen zur Dekarbonisierung ergriffen werden, um die Abgasemissionen zu reduzieren. 2 % der rund 7500 Gt CO2-Emissionen in Europa im Jahr 2021 [3] entsprechen immer noch etwa 150 Gt CO2/Jahr für alle Off-Highway-Anwendungen. Antriebsstränge und die dafür notwendigen Infrastrukturen werden von 2030 bis 2045 für Landmaschinen bis zu 200 kW [4] bestehen. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass die Nachfrage nach Strom für mobile Maschinen in der Landwirtschaft bis 2045 um mehr als 10 % steigen wird (Szenario 2045 B in [4]). Neben den weiteren Möglichkeiten zur Dekarbonisierung, wie alternativen Kraftstoffen, ist es notwendig, wettbewerbsfähige Motoren für alle Hersteller bereitzustellen, die planen, ihre Maschinen zu elektrifizieren.
Mobile Arbeitsmaschinen, Nutzfahrzeuge, Traktoren und Boote sowie Nebenantriebe sind Anwendungsfelder, in denen zunehmend eine Elektrifizierung angestrebt wird und daher ein Bedarf an spezifischen Produktlösungen besteht. Über die Bandbreite der Leistungs- und Drehmomentanforderungen von Gabelstaplern bis hin zu Flugzeugschleppern und Radladern definieren die Anforderungen ein weites Leistungsspektrum, Bild 1.
Eine wettbewerbsfähige Lösung für all diese Marktanforderungen scheint durch ein skalierbares E-Maschinen-Design möglich, One-fits-all und hohe Varianz scheiden hingegen aus. Die EM220 ist eine Permanentmagnet- Synchronmaschine (PMSM) mit Hairpin-Statorwicklung, die einen vergleichsweise hohen Füllfaktor und gute thermische Anbindung ermöglicht. Die Leistungsdichte der verschiedenen Varianten ist in Bild 2 zusammen mit einem Benchmark-Überblick aufgeführt. Die technischen Daten der EM220 und die simulierte Leistung der Varianten sind in in Tabelle 1 und Bild 3 dargestellt.
Es werden insgesamt zwölf verschiedene Varianten angeboten. In Bild 3 (links) ist die 400-V-ePTO-Variante in Braun dargestellt. Die kontinuierlichen Kennwerte bei 215 Arms für jede der drei verschiedenen aktiven Längen (102, 154 und 205 mm) sind auf der linken Seite des Diagramms mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, während die Spitzenwerte bei 500 Arms auf der rechten Seite mit einer gestrichelten Linie gezeigt werden. Ebenso zeigt die orangefarbene Fläche die Leistung der 800-V- Variante bei 125 Arms Dauerstrom und 250 Arms Spitzenstrom. Die grünen Flächen zeigen die Leistung der Traktionsversion bei 400 V (dunkelgrün, 400 Arms kontinuierlich und 750 Arms Spitze) und 800 V (hellgrün, 250 Arms kontinuierlich und 450 Arms Spitze). Somit kann mit der EM220-Plattform ein breites Spektrum an Marktanforderungen abgedeckt werden.
Produktionsmöglichkeiten
Der Fertigungsstandort ist darauf ausgelegt, elektrische Antriebssysteme in vergleichsweise geringer Stückzahl nach Automotive-Serienstandards zu produzieren. Die maximale jährliche Ausbringung liegt bei 15.000 elektrischen Antriebseinheiten und umfasst alle notwendigen Anlagen, um eine komplette Antriebseinheit einschließlich Getriebe und Inverter zu montieren. Dabei erfüllt das Fertigungsequipment die höchsten Industriestandards, einschließlich der Rückverfolgbarkeit von Produktionsdaten und Komponenten sowie der Anforderungen an Klima- und Sauberkeitsstandards. Der Produktionsbereich ist in Rotor- und Statorfertigung sowie Inverter-, Getriebe- und Endmontage unterteilt.
Der Kern des Produktionsprozesses ist die Fertigung des Hairpin-Stators, die alle erforderlichen Prozesse vom Drahtrohling bis zum fertigen Stator umfasst. Dies ermöglicht Anpassungen sowohl der aktiven Länge als auch des Außendurchmessers der Aktivkomponenten, um verschiedene Leistungsklassen des Produkts abzudecken. Die Produktionslinie ist in der Lage, Statoren mit einem Außendurchmesser von 150 bis 250 mm und einer Aktivlänge von 102 bis 250 mm herzustellen. Wie in Bild 4 gezeigt, beginnt die Prozesskette eines Hairpin-Stators mit der Herstellung der U-Pins. Zunächst wird der Kupferdraht begradigt, um die Krümmung auszugleichen, die er durch das Aufwickeln auf eine Spule während des Transports erhält. Um saubere Verbindungen in einem späteren Schweißprozess zu gewährleisten, muss die zur Isolierung dienende Beschichtung an den vorgesehenen Schweißbereichen entfernt werden. Das Abisolieren erfolgt mittels eines Hochgeschwindigkeitsfräsers. Anschließend wird der Draht auf die erforderliche Länge des U-Pins geschnitten und in die Biegeprozesse überführt. Der Draht wird zunächst in eine 2-D-Kontur gebogen und dann mit einer Kombination aus Gesenk- und Freiformbiegeprozessen in die erforderliche 3-D-Form gebracht. Diese Kombination wird gewählt, um eine größere Flexibilität im Biegeprozess zu gewährleisten, sodass eine breitere Palette von Pin-Geometrien ohne Werkzeugwechsel produziert werden kann.
Zur Isolation der Wicklung zum Statorkern wird ein spezielles Isolierpapier verwendet, das gefaltet und automatisiert in die Statornuten eingebracht wird. Anschließend werden die U-Pins gemäß des Wicklungsschemas in die Statornuten eingeführt. Der Einführungsprozess erfolgt mit dem Stator in horizontaler Position, um ein Verrutschen der Stifte zu verhindern. Der nachfolgende Pressvorgang bringt die Pins in ihre endgültige axiale Position. Um die Pins auf den Schränkprozess vorzubereiten, werden sie zunächst radial mit einem Formwerkzeug getrennt. Dadurch werden die individuelle Ausrichtung und der Abstand zwischen den Lagen sichergestellt. Anschließend werden die Lagen tangential geformt, um die Kupferdrähte auszurichten, die miteinander verschweißt werden sollen. Durch eine Drehbewegung formt das Schränkwerkzeug alle Pins einer Lage gleichzeitig in die gewünschte Position. Der Schränkprozess ist der präziseste Schritt in der Produktionskette und erfordert komplexe Werkzeuge, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten.
Der nächste Schritt in der Prozesskette ist das Laserschweißen. Die Kupferenden und Verbindungselemente werden in einer Schweißvorrichtung fixiert und mit einem Laser miteinander verschmolzen. Nach dem Abkühlen bilden sie eine starke, dauerhafte Verbindung. Zur Fixierung der Drähte in ihrer Position und zur Sicherstellung der Entwärmung wird im letzten Produktionsschritt die Spalte zwischen Draht und Blechpaket mit Epoxidharz gefüllt. Das Aufbringen erfolgt hier im Träufelverfahren. Den Abschluss der Statorproduktion stellen elektrische Tests des Stators dar.
Es wurde in das Schnellwechselsystem für die Werkzeuge in jeder Produktionsstationen integriert und großer Wert darauf gelegt, die Position der Pins bei der Entwicklung neuer Designs beizubehalten. Dieser Fokus hilft dabei, den Bedarf an umfangreichen Werkzeugwechseln zu minimieren und damit sowohl Zeit als auch Kosten im Produktionsprozess zu reduzieren.
Die Herausforderung bei der Planung eines solchen Fertigungskonzepts bestand darin, Maschinenkomponenten, die für hochautomatisierte Serienlinien in der Automobilindustrie verwendet werden, mit der Flexibilität zu kombinieren, die notwendig ist, um eine große Bandbreite an verschiedenen Produkten zu produzieren. Eine wichtige Anforderung war, die Kernprozesse unverändert zu lassen, sodass das bestehende Wissen und die Prozesse auf höhere Produktionsvolumen übertragen werden konnten. Mit diesem Ansatz kann das Risiko eines Serienhochlaufs mit geringer Gesamteffektivität der Ausrüstung (Overall Equipment Effectiveness, OEE) erheblich reduziert werden, was dem Kunden die Möglichkeit bietet, die Produktion entsprechend steigenden Stückzahlen zu skalieren.
Umsetzung der Skalierbarkeit
Zu Beginn der Entwicklung stand die Planung und Entwicklung der EM220-Plattform mit verschiedenen Leistungs- und Drehmomentanforderungen im Fokus. Durch das Hairpin-Design sind die Möglichkeiten zur Anpassung ohne weitgehende Eingriffe in die Fertigung limitiert. Um dennoch ein robustes und applikationsspezifisches Design anbieten zu können, wurde konsequent auf eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklung und Fertigung gesetzt. Die EM220-Plattform ermöglicht eine hohe Spreizung der Leistungsdaten, die durch lediglich drei flexible Designparameter realisiert wurde und somit eine sehr geringe Varianz im Fertigungsprozess darstellt.
Modulares Design
Einer der flexiblen Designparameter ist die Skalierung der aktiven Länge, wobei auf eine Variation der Anzahl der Stator- und Rotorblechpakete gesetzt wurde. Für die Varianten der EM220-Plattform werden zwei bis vier Module übereinandergesetzt, Bild 5. Die Rotorblechpakete werden separat gehandhabt und montiert, während die Statormodule in einer einzigen Baugruppe integriert sind, um die Installation der Hairpins zu ermöglichen. Um auch bei unterschiedlicher Anzahl von Blechpaketen die NVH-Eigenschaften zu optimieren, besitzt die EM220 eine verteilte Wicklung mit zusätzlicher Sehnung. Durch diese können höhere harmonische Schwingungen im dynamischen Statorfeld reduziert werden. Ein weiteres Schränken des Rotors ist somit nicht notwendig.
Die technische Lösung für die Verbindung jeder einzelnen Lamelle basiert nicht auf Schweißen oder mechanischer Verriegelung, sondern auf einer selbsthaftenden Beschichtung. Diese Lösung bietet eine höhere Stabilität, die hilfreich ist, um die notwendigen Presspassungen für die Übertragung des Zieldrehmoments der EM220 zu gewährleisten und extremen Betriebsbedingungen wie Stößen und Vibrationen, insbesondere in Off-Highway-Anwendungen, standzuhalten. Der Einsatz der selbsthaftenden Beschichtung verhindert zudem negative Einflüsse auf das Magnetfeld, die durch Schweißnähte oder mechanische Verriegelungen entstehen könnten.
Neben den Aktivteilen muss auch das Gehäuse inklusive Kühlkonzept modular und längenskalierbar sein. Die EM220 verfügt über eine Außenmantelkühlung für den Stator, die über das Hauptgehäuse und die beiden Lagerschilde geführt wird, Bild 6. Die beiden Lagerschilde, die neben der Rotorlagerung auch die Motoranbindung an das Fahrzeug sicherstellen, werden über alle Varianten gleich gehalten. Lediglich das Hauptgehäuse muss bei einer Längenskalierung angepasst werden. Durch die Herstellung im Strangpressverfahren ist das ohne ein zusätzliches Werkzeug möglich. Die Kühlkanäle werden direkt im Strangpressverfahren geformt, während die Umkehr des Kühlflusses durch in die Lagerschilde eingegossene Kühlkammern realisiert wird. Somit ist kein zusätzliches Bauteil zur Umsetzung der Statorkühlung nötig.
Durch die Verwendung des Hairpin- Verfahrens zur Realisierung der Statorwicklung und den Fokus auf Vermeidung von Varianz sind die Möglichkeiten der Individualisierung der Motorcharakteristik stark eingeschränkt. Durch ein flexibles Wicklungskonzept ist es dennoch gelungen, diese zentrale Marktforderung zu erfüllen. Die ePTO-Varianten verfügen über eine höhere Anzahl an Wicklungen, die die charakteristische Kurve mit hohen Drehmomenten bei niedrigen Strömen abbilden. Der Arbeitsbereich von hydraulischen Pumpen wird dabei ideal abgedeckt. Zudem können diese Varianten auch als „Retrofit“ direkt einen verbrennungsmotorischen Antrieb ersetzen, ohne Anpassungen am restlichen Antriebsstrang vorzunehmen. Die Traktionsvarianten sind hingegen auf höhere Leistungen und Effizienz im hohen Drehzahlbereich ausgelegt. Die Varianz der Wicklungszahl wird durch die Verbindung von Hairpins zu parallelen Zweigen erzeugt. In Bild 7 ist der Verlauf des Spitzendrehmoments und der Spitzenleistung für eine Traktions- (a = 2, I = 450 Arms) und ePTO-Variante (a = 1, I = 250 Arms) dargestellt.
Die Möglichkeit, verschiedene Hairpin-Designlösungen für Szenarien mit geringeren Produktionsvolumen anzubieten, hängt von der besonderen Fertigungstechnologie und der nahtlosen Integration von Design- und Fertigungsprozessen ab. Der Fertigungsprozess ist vollständig in die Montagelinie integriert und wird durch eine Ein-Schritt-Biegemaschine umgesetzt. Die verfügbaren Maschineneinstellungen und Werkzeuge ermöglichen die Erzeugung verschiedener Designlayouts, solange die erforderliche Form keine Probleme mit der Integrität der Drahtisolierung verursacht. Hauseigene Spezialisten für die Wicklungen haben ein halbautomatisiertes Designwerkzeug entwickelt, das nach Eingabe der Daten aus der elektromagnetischen Berechnung in wenigen Schritten ein 3-D-Modell des Produkts, eine Konstruktionszeichnung und die Maschineneinstellungen für den Fertigungsprozess ableitet. Die Harmonisierung zwischen dem Feedback aus dem CAD und den Maschineneinstellungen wurde durch einen iterativen Prozess erreicht, der Design-, Fertigungs-, Charakterisierungs- und Kalibrierungsschleifen durchläuft.
Die Charakterisierung des Endprodukts während der Entwicklung des Designwerkzeugs erfolgt in zwei Schritten: Zuerst werden die einzelnen Hairpins vor der Installation in der Stator- Stapelbaugruppe analysiert. Diese Aufgabe wird zum Beispiel durch einen direkten Vergleich eines 3-D-Scans des Produkts mit dem Referenzmodell in Bezug auf die erforderliche Geometrie durchgeführt, Bild 8. Im zweiten Schritt werden die Hairpins installiert und sowohl vor als auch nach dem Verdrillungsprozess mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM) und speziellen Vorrichtungen gemessen. Diese werden inhouse entwickelt und mit einem 3-D-Drucker hergestellt.
Um auch bei den unterschiedlichen Nominalspannungslagen der Fahrzeuge (circa 300 bis 850 V) die Anforderungen an die Leistungsdichte zu erfüllen, wurden im Variantenrahmen der EM220 spezifische 400- und 800-V-Varianten abgebildet. Diese unterscheiden sich vorrangig durch die Art der Schaltung der Motorphasen. So wird beispielsweise bei den 400-V-Traktionsvarianten eine Dreiecksschaltung verwendet und bei den 800-V-Varianten eine Sternschaltung. Dabei wurden die Busbars, die den Anschluss der Phasen an die HV-Versorgung darstellen, vom Schaltelement (Stern beziehungsweise Dreieck) getrennt, um eine Bauteilvarianz zwischen den beiden Spannungsklassen zu vermeiden. Beide wurden hinsichtlich des Isolationskonzepts und der Möglichkeit des Potenzialausgleichs auf höchste Robustheit ausgelegt.
Ausblick
Unter dem Motto „e-power your motion“ möchte eAx Solutions die Elektrifizierung von Off-Highway-Anwendungen mittels eines kompakten Designs mit sehr hoher Leistungsdichte mitgestalten. Das ermöglicht, insbesondere mit der ePTO-Version für hohe Drehmomentanforderungen, eine einfache Integration des Antriebs in eine Vielzahl von Maschinen. Darüber hinaus ermöglicht es die flexible Produktionslinie, eine Vielzahl spezifischer Kundenanforderungen zu erfüllen, falls dies speziell für niedrige Volumina erforderlich ist. Die Entwicklung der nächsten Generation elektrischer Maschinen wird Schlüsselaspekte wie Prinzipien der Kreislaufwirtschaft, nachhaltige Produktdesigns und umweltfreundlichere Produktionskonzepte umfassen. Der Wiederverwendung von Materialien und der Zweitnutzung von Komponenten wird dabei eine besondere Bedeutung zukommen. Darüber hinaus wird ein starker Fokus auf die Optimierung aktiver Kühlsysteme gelegt, die eine entscheidende Rolle in den kommenden Entwicklungszyklen spielen, um Effizienz und Leistung weiter zu verbessern.
Eckel, H.; Remmele, E.: Nutzung erneuerbarer Energien für Landmaschinen, Überblick und Handlungsmöglichkeiten. 8. Internationale VDI- Konferenz Antriebssysteme in mobilen Maschinen, Baden-Baden, 2024
Danke
Besonderer Dank der Autoren gilt Tobias Vogler, Christian Frommhold, Hartmut Schneeweiss, Ahmed Gad und Carsten Jeske für ihre Beiträge zur Entwicklung und Umsetzung dieser Studie.
Elisabeth Müller-Jahns
ist Operations Director bei der eAx Solutions GmbH in Berlin.
Cyrille Frottier
ist Projektmanager bei der eAx Solutions GmbH in Berlin.
Amos Gobetti
ist Technischer Projektleiter bei der eAx Solutions GmbH in Berlin.
Christoph Schräpler
ist Teamleiter System Engineering bei der eAx Solutions GmbH in Berlin.
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