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Gegossen, nicht gewickelt

Gegossen, nicht gewickelt

Thema des Monats - Januar 2015

Photo © Fraunhofer IFAM

Gegossene Spule für den Einsatz als Wendepolspule in einer Gleichstrommaschine - Photo © Fraunhofer IFAM


Gegossene Spulen steigern Wirkungsgrad elektrischer Maschinen

An Wicklungen elektrischer Maschinen werden vielfältige Anforderungen gestellt. Sie sollen einen höheren Wirkungsgrad bei gleichem oder geringerem Materialeinsatz zeigen. Eine hohe Produktqualität wird gefordert, und in der Produktion sind individuelle Lösungen gefragt.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM hat ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leistungsstarke Wicklungen mit höherem Wirkungsgrad und verbesserter Entwärmung gefertigt werden können. Eingesetzt werden die Spulen in Industrieantrieben und Traktionsmaschinen, insbesondere in den Bereichen Elektromobilität und Energieerzeugung.

Das gießtechnisch hergestellte neue Spulendesign ermöglicht durch einen hohen Nutfüllfaktor von bis zu 90 Prozent eine verbesserte Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums.
Neben dem hohen Füllfaktor 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.

Im Vergleich zu einer gewickelten Spule im gleichen Bauraum sinken also der elektrische Widerstand und damit die Stromwärmeverluste um bis zu 50 Prozent.

Unter Einbezug des gesteigerten Füllfaktors läßt sich die für die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen maßgebliche Stromdichte in der Nut gegenüber konventionell hergestellten Spulen sogar verdreifachen.

 
 
Photo © Fraunhofer IFAM

Gegossene Spulen aus Kupfer für Radnabenantriebe. Photo © Fraunhofer IFAM

Steigerung von Drehmoment und Leistungsdichte

Diese Kombination aus hohem Füllfaktor, exzellentem thermischen Verhalten und geringen Stromverdrängungsverlusten kann nun in der Maschinenauslegung auf vielfältige Weise genutzt werden. Bei gleichem Bauraum wird durch den Einsatz gegossener Spulen eine erhebliche Steigerung von Drehmoment und Leistungsdichte erzielt. Alternativ können unter Beibehaltung des Drehmoments Bauraum und Gewicht eingespart 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.

Weitere Anwendungspotenziale stehen offen, wenn man die geometrischen Gestaltungsfreiheiten für die Entwicklung innovativer Kühlkonzepte nutzt. So vermeidet eine gezielte Erhöhung des Leiterquerschnitts in thermisch hoch belasteten Bereichen (z .B. am Wickelkopf) die Bildung thermischer Hotspots.

Durch unterschiedliche Gießverfahren können die Spulen in verschiedenen Größen und beliebigen Stückzahlen gefertigt werden. Im Feinguss lassen sich Leiterhöhen im Bereich weniger Zehntel Millimeter bei Spulenlängen zwischen 10 und 200mm realisieren, während im Lost Foam-Verfahren gefertigte Spulen für Großmaschinen Kantenlängen bis zu einem Meter aufweisen können. Für sehr große Stückzahlen führt die Fertigung der Spulen in Dauerformen im Druckguss oder ND-Guss zu verblüffend geringen Stückkosten.

Die Auswahl des richtigen Gießverfahrens erfolgt anwendungsspezifisch unter Berücksichtigung der angestrebten Stückzahlszenarien und Qualitätsanforderungen. Anschließend erfolgt eine maßgeschneiderte Isolationsbeschichtung. Die Optimierungsziele bestehen hierbei neben der Gewährleistung der Isolationsfestigkeit in der Minimierung der Schichtdicke, der Erhöhung der Temperaturfestigkeit sowie in der Vermeidung von Alterungserscheinungen durch Teilentladungen.

Für die schnelle Realisierung von Prototypen steht am Fraunhofer IFAM eine vollständige Prozesskette zur Verfügung, die innerhalb weniger Tage die Herstellung einer beschichteten Spulengeometrie in Hardware ermöglicht.

 
 
Photo © Fraunhofer IFAM

Gussspulen im Vergleich mit konventionell gewickelten Spulen © Fraunhofer IFAM

Gegossene Spulen im Vorteil

Das am Fraunhofer IFAM entwickelte Verfahren zur gießtechnischen Herstellung von Spulen bietet entscheidende Vorteile gegenüber konventionell hergestellten Wicklungen.

Durch die Kombination von Nutfüllfaktoren von über 80%, dem exzellenten thermischen Verhalten und geringen Zusatzverlusten durch Stromverdrängung wird eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte elektrischer Maschinen gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Der hohe Nutfüllfaktor ermöglicht bei gleichbleibendem Bauraum die Substitution einer konventionellen Kupferwicklung durch eine gegossene Aluminiumwicklung.

Auslegung und Fertigung von Prototypen

Die Abteilung »Elektrische Antriebe« bietet eine maßgeschneiderte Auslegung und fertigungsgerechte Konstruktion gegossener Spulen an. Es stehen verschiedene Auslegungstools für die elektromagnetische und thermische Simulation sowie die konstruktive Gestaltung zur Verfügung.

Neben der Gestaltung der Spule selbst wird hierbei auch die Auslegung der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung des Montagekonzeptes und der Gesamtverluste betrachtet.

Anwendungsbeispiele

In verschiedenen Anwendungen wurden Machbarkeit und technologische Vorteile gegossener Spulen nachgewiesen:

- Gegossene Spulen aus Kupfer für Radnabenantriebe:
Durch die Erhöhung des Nutfüllfaktors und das verbesserte thermische Verhalten gelingt eine deutliche Steigerung von Wirkungsgrad und Drehmomentdichte.

- Gegossene Spulen aus Aluminium für die Anwendung in elektrischen Maschinen: der deutlich höhere Nutfüllfaktor erlaubt eine gleichbleibende Drehmoment- bzw. Leistungsdichte im Vergleich zu einer konventionellen Runddrahtwicklung bei gleichzeitiger Reduzierung des Wicklungsgewichts.

- Gegossene Spulen für den Einsatz als Wendepolspulen in Gleichstrommaschinen (in Kooperation mit der Bremer Lloyd Dynamowerke GmbH & Co. KG.): Bei identischem Bauraum gelang es, eine Kupferspule zu substituieren und dabei gleichzeitig die Betriebstemperatur um 30 K zu senken.

 
 
Photo © Fraunhofer IFAM

Gegossene Aluminiumspule für Radnabenantrieb. © Fraunhofer IFAM

Aluminium versus Kupfer

Durch die Verwendung von Aluminium konnten die Rohstoffkosten gegenüber Kupferspulen um über 85 Prozent pro Spule gesenkt werden. Infolge des erhöhten Nutfüllfaktors ist der elektrische Widerstand der Aluminiumspule trotz geringerer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit nicht höher als bei der Kupferspule.

Die gefertigten Wendepolspulen der 330 kW Gleichstrommaschine sind unter Berücksichtigung der Möglichkeiten des Verfahrens geometrisch so gestaltet worden, dass neben der Maximierung der Leiterfläche auch die Entwärmung gegenüber den zuvor eingesetzten gewickelten Kupferspulen verbessert wird.

In einem Prüfstandsversuch wurden die Temperaturen der Aluminium-Wendepolspulen im Dauerbetrieb mit den Temperaturen der Ausgangs-Kupferspulen verglichen. Durch die verbesserte Kühlung verringert sich der Temperaturhub der Wendepole im Dauerlauf von 75 auf etwa 45 Kelvin. Das geringere Temperaturniveau führt hierbei auch zu einer leichten Reduzierung der Gesamtverluste in der Maschine.

„Die durch die Gießtechnik erzielte Verbesserung der Kühlleistung hat unsere Erwartungen übertroffen“, so der Entwicklungsingenieur Michael Jakob von den Lloyd Dynamowerken. „Wir sehen in dieser Technologie mit ihren gestalterischen Freiheiten auch das Potenzial, in zukünftigen Anwendungen Wirkungsgrad und Leistungsdichte elektrischer Maschinen zu steigern“.

 
 

Frank Lindner

 
 

 
 

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INFOBOX

© Fraunhofer IFAM

Das
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
leistet aktive Forschungs- und Entwicklungsarbeit in den Bereichen

• Formgebung und Funktionswerkstoffe
• Klebtechnik und Oberflächen

Das Institut beschäftigt knapp 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon mehr als 90 Prozent im wissenschaftlich-technischen Bereich.

Das Fraunhofer IFAM verfügt für seine Dienstleistungen über Büro-, Labor- und Technikumsflächen mit modernstem Equipment.

Die Institutsbereiche »Formgebung und Funktionswerkstoffe« sowie »Klebtechnik und Oberflächen« zählen als neutrale, unabhängige Einrichtungen zu den größten in Europa.

Das Fraunhofer IFAM gehört zum Verbund der über 60 selbstständigen Forschungseinrichtungen der gemeinnützigen Fraunhofer-Gesellschaft.

Website: www.ifam.fraunhofer.de