Elektromotoren spielen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der Schadstoff- und Emissionsfreiheit im Betrieb eine zentrale Rolle bei der Mobilitätswende. Ihr Gewicht, der benötigte Bauraum zur Unterbringung und vor allem ihr Energieverbrauch beeinflussen jedoch maßgeblich den ökologischen Fußabdruck eines Fahrzeugs. Ein entscheidender Faktor für den Wirkungsgrad eines Elektromotors ist die Ausnutzung des Bauraums für die Kupferwicklungen im Stator. Um diesen zu erhöhen, hat das Fraunhofer IWU ein umformtechnisches Fertigungsverfahren zur Herstellung konzentrierter Einzelzahnspulen entwickelt. Während der Nutfüllfaktor bei konventionellen Einzelzahnwicklungen bei ca. 50 % liegt, kann dieser durch den schichtangepassten Aufbau auf knapp 80 % gesteigert werden. Dadurch erhöht sich die zur Erzeugung des Magnetfeldes und damit des Drehmomentes zur Verfügung stehende Kupfermenge, was wiederum zu einer höheren Leistungsdichte führt. Die höhere Leistungsdichte ermöglicht den Motor bei gleicher Leistung kleiner, leichter und kompakter zu bauen und damit den Kosten und Materialeinsatz zu reduzieren.
Innovative Umformtechnik ermöglicht lagenangepasste Wicklungsstruktur
Bei der lagenangepassten Wicklung wird auf der breiten Grundseite der Trapeznut eine flache, breite Leitergeometrie und auf der kurzen Grundseite eine schmale, dicke Querschnittsgeometrie verwendet. Bei der Auslegung der Leiterquerschnitte wird auch die Leitfähigkeit des Leiterquerschnittes berücksichtigt und in die Auslegungsphase einbezogen. Die unterschiedlichen Querschnittsgeometrien der Leiter werden durch das innovative Umformverfahren des IWU erzeugt. Der Einsatz der Umformtechnik bringt zahlreiche Vorteile mit sich, wie beispielsweise die Reduktion von Verschnitt. Im Vergleich zu additiven Fertigungsverfahren ist zudem der Energiebedarf bei der Herstellung geringer und es können hohe Stückzahlen mit einfachen Werkzeugen produziert werden.
Bildquelle: https://www.iwu.fraunhofer.de/content/dam/iwu/de/Bilder/Presse/Demonstratorspule-trapezfoermiger-Querschnitt.jpg
Textquelle: https://www.iwu.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/PM-2023-IWU-Umformtechnik-macht-E-Motoren-leistungsstaerker-und-effizienter.html
