Forscher haben ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leistungsstarke Spulen für Elektromotoren gefertigt werden können. Und ihnen gelang die funktionssichere Verschaltung von Aluminiumspulen mit Kupferleitern.
Gegossene Aluminiumspulen für luftgekühlten Radnabenmotor
Fraunhofer IFAM
Das Bremer Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) hat ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leistungsstarke Spulen für Elektromotoren gefertigt werden können. Eine Kombination aus hohem Nutfüllfaktor, exzellentem thermischen Verhalten und geringen Stromverdrängungsverlusten kann nun nach IFAM-Angaben in der Maschinenauslegung auf vielfältige Weise genutzt werden. Die Erhöhung des Nutfüllfaktors ermögliche auch die Verwendung von Aluminium zur Spulenherstellung. Eine Herausforderung war bisher allerdings die funktionssichere Verschaltung der Aluminiumspulen mit Kupferleitern. In aktuellen Forschungsarbeiten wurde dieser Verfahrensschritt nun optimiert und qualifiziert.
Die mit gießtechnischen Verfahren herstellbare Spulengeometrie mit flacher Leiteranordnung bietet entscheidende Vorteile gegenüber konventionell hergestellten, gewickelten Spulen. Durch diese besondere Fertigung ist eine spezifische und individuelle Anpassung des Leiterquerschnitts realisierbar, wodurch der zur Verfügung stehende Bauraum in elektrischen Maschinen maximal genutzt werden kann. Auf diese Weise sind Nutfüllfaktoren von über 80 Prozent erreichbar, heißt es in einer Mitteilung des Instituts. Bei der Substitution des Kupfers durch Aluminium im Aktivteil könne bei nahezu gleichbleibendem Wirkungsgrad eine Gewichtsreduzierung von bis zu 50 Prozent erreicht werden. Aufgrund der flachen Konstruktion ermöglichten neue Kühlkonzepte darüber hinaus eine zusätzliche Steigerung der Stromdichte.
Wird Kupfer durch Aluminium ersetzt, muss der Querschnitt des Aluminiumleiters gegenüber einem Kupferleiter, aufgrund der geringeren elektrischen Leitfähigkeit (Kupfer 58 x 106 S/m, Aluminium 34,5 x 106 S/m), erhöht werden. Mit der Verbindung der einzelnen Statorspulen durch den Verschaltungsring führt diese Erhöhung des Leiterquerschnittes jedoch zu einem höheren Bauraum; daraus resultiert letztlich ein größerer elektrischer Antrieb und damit eine Reduzierung der volumetrischen Leistungsdichte. Dieser Nachteil wird durch den Einsatz von Kupfer als Leitermaterial im Verschaltungsring kompensiert. Hierdurch können die Leiter für die Verschaltung kleiner ausgeführt werden – unter Einhaltung der notwendigen Isolations- und Luftstreckenabstände, berichten die IFAM-Forscher.
In einem Elektromotor wird elektrische Energie in mechanische Arbeit verwandelt, es handelt sich also um eine Maschine. Hier sind im Allgemeinen sowohl der Rotor (Anker) als auch der Stator (Stehfeld) als Elektromagneten ausgelegt. Das durch Stromfluss erzeugte Feld des Stators übt auf das des Rotors ein Drehmoment aus, das so lange wirkt, bis beide Magnetfelder parallel gerichtet sind und je ein Nord- auf einen Südpol ausgerichtet ist. Dann würde der Motor stehen bleiben. Eine geschickte Umpolung der Stromzuführung (Kommutator) sorgt allerdings sofort wieder für ein abstoßendes Drehmoment, bis die Felder beider Elektromagneten senkrecht zueinanderstehen und daraufhin wieder für ein anziehendes Drehmoment bis zur Feldparallelität. Auf diese Weise kommt es zu dauerhafter Drehung." Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz: "Elektrizität und Magnetismus" in: Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie, Seite 104.
Fügeverfahren entscheidend für den Erfolg
Eine technische Herausforderung war bislang, die Kontaktierung zwischen den gegossenen Aluminiumspulen und den Kupferleitern funktionssicher auszuführen. Eine schlechte Verbindung führte zu einer Erwärmung der Kontaktstelle, was somit eine erhöhte Verlustleistung und ggf. Schädigung bis hin zum Defekt des Antriebes mit sich brachte. Die elektrische Kontaktierung zwischen Aluminium und Kupfer und der Einsatz dieser Verbindung als elektrischer Leiter ist denn auch unter anderem aufgrund der spezifischen Alterungsmechanismen (Interdiffusion, Reibkorrosion, chemische Korrosion, Entfestigung und Elektromigration) Gegenstand der IFAM-Forschung. Die wirkenden Mechanismen bei der Fügung können den Alterungsprozess bereits in der Fertigung anstoßen, was vorwiegend bei stoffschlüssigen Verbindungen der Fall ist. Bei diesen Verbindungen entstehen intermetallische Phasen zwischen Aluminium und Kupfer, welche einen erhöhten elektrischen Widerstand und sprödere Mikrokontakte in der Verbindung zur Folge haben. Die intermetallischen Phasen können bei Erwärmung z. B. durch den elektrischen Strom im skizzierten Anwendungsfall vorwiegend durch die Grenzflächendiffusion wachsen. Aufgrund der zunehmenden "Zwischenschicht", welche isolierend wirkt, fällt mehr Verlustleistung an. Dies hat wiederum eine Erhöhung der Wärmeentwicklung zur Folge. Gegenteilig kann eine rein form-/kraftschlüssige Verbindung unter Umständen zu einer Entfestigung und der Bildung von Oxidschichten auf der Oberfläche beider Werkstoffe führen. Somit, so das Fazit, ist die Auswahl eines entsprechenden Fügeverfahrens für die Kontaktierung der gegossenen Aluminiumspulen und den Kupferleitern für den langfristigen Einsatz des elektrischen Antriebes ausschlaggebend.
Kontaktierung von Kupfer mit Aluminium
Für den effizienten Einsatz von Kupferleiterbahnen als Kontaktierungselement haben die Wissenschaftler am IFAM unterschiedliche Fügeverfahren hinsichtlich ihrer Eignung geprüft. Verglichen wurden diverse Löt-, Umform-, Klebe- sowie geschweißte und montierte Verbindungen. Der Fügeprozess musste zudem folgende Anforderungen erfüllen: umweltfreundliches Verfahren (z. B. kein Einsatz von gesundheits- oder umweltschädlichen Stoffen), minimaler Aufwand (keine Vorbehandlungen oder Prozesszwischenschritte), Serienfertigung möglich, Fügetemperatur sollte der thermischen Klasse H (max. 180 °C) der Isolierstoffklasse nach DIN EN 60085 entsprechen und die Fügung soll im eingebauten Zustand erfolgen, d.h. die Spulen sind bereits auf das Blechpaket montiert.
Ultraschallschweißen konnte überzeugen
Die Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen haben nun gezeigt, dass Festphasen Fügeverfahren das hohe Anforderungsprofil erfüllen. Wird die Fügetemperatur unter 300 °C gehalten, werden in der Regel keine Mischphasen erzeugt und die Verbindung weist einen niedrigen elektrischen Widerstand mit hinreichender Festigkeit auf. Detaillierte Untersuchungen hinsichtlich der Festigkeit mit Zugscherversuchen und dem Übergangswiderstand ergaben, dass die Fügung mittels Ultraschallschweißen als sehr erfolgsversprechend anzusehen ist. Je nach Anwendung könne hierbei eine Optimierung hinsichtlich Festigkeit und Bildung von intermetallischen Phasen durch Variation der Prozessparameter erzeugt werden, bei nahezu gleichbleibendem elektrischen Widerstand.
Kontaktierte Aluminiumspulen
Fraunhofer IFAM