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04.07.2014 | Mikroelektronik | Im Fokus | Onlineartikel

Der Wirkungsgradtrick gegossener Spulen

Autor:
Andreas Burkert

Gegossen, nicht gewickelt. Der Wirkungsgrad einer gießtechnisch gefertigten Spule ist höher als bei herkömmlichen Spulen. Eine gute Nachricht für die Elektromobilität, die auf leistungsstarke Traktionsmaschinen angewiesen ist.

Leistung ohne große Verluste versprechen gießtechnisch gefertigte Spulen. Ein neues Fertigungsverfahren erlaubt das Herstellen von Spulen mit leistungsstarken Wicklungen mit höherem Wirkungsgrad und verbesserter Entwärmung. Laut den Forschern, die das Verfahren am Fraunhofer IFAM entwickelt, haben, ermöglicht das gießtechnisch hergestellte neue Spulendesign durch einen hohen Nutfüllfaktor von bis zu 90 Prozent eine verbesserte Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Gegenüber einer gewickelten Spule im gleichen Bauraum sinken der elektrische Widerstand und damit die Stromwärmeverluste um bis zu 50 Prozent. Darüber hinaus bietet die flache Leiteranordnung aus elektromagnetischer und thermischer Sicht weitere Vorteile.

Gegenüber einem gewickelten Draht mit gleicher Querschnittsfläche wird sowohl das thermische Verhalten signifikant verbessert, als auch der negative Einfluss der Stromverdrängung minimiert. Abhängig von der Spulengröße können in wassergekühlten Anwendungen so Dauerstromdichten zwischen 18 und 24 A/mm² realisiert werden. Unter Einbezug des gesteigerten Füllfaktors kann die für die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen maßgebliche Stromdichte in der Nut gegenüber konventionell hergestellten Spulen verdreifacht werden.

Signifikant besseres thermisches Verhalten

Die Kombination aus hohem Füllfaktor, thermischen Verhalten und geringen Stromverdrängungsverlusten kann in der Maschinenauslegung auf vielfältige Weise genutzt werden wie unter anderem die Springer-Autoren Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt und Wolfgang Oberschelp in dem Kapitel „Spulen und Schwingkreise“ ihres Fachbuchs „Elemente der angewandten Elektronik“ beschreiben.

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Bei gleichem Bauraum kann durch den Einsatz gegossener Spulen eine erhebliche Steigerung von Drehmoment und Leistungsdichte erzielt werden. Alternativ kann unter Beibehaltung des Drehmoments eine Einsparung von Bauraum und Gewicht realisiert werden. Die Erhöhung des Nutfüllfaktors ermöglicht auch die Verwendung von Aluminium als Leiterwerkstoff. Der elektrische Leitfähigkeitsnachteil von Aluminium wird durch den höheren Füllfaktor ausgeglichen, wobei das Wicklungsgewicht um 50 Prozent und die Rohstoffkosten um 85 Prozent sinken.

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