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Fraunhofer IFAM

Gegossene Spulen steigern Wirkungsgrad von elektrischen Maschinen

| Redakteur: Stefanie Michel

Die im Feinguss-Verfahren hergestellte, gegossene Spule trägt zur Steigerung von Drehmoment und Leistungsdichte in elektrischen Maschinen bei.
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Die im Feinguss-Verfahren hergestellte, gegossene Spule trägt zur Steigerung von Drehmoment und Leistungsdichte in elektrischen Maschinen bei. (Bild: Fraunhofer IFAM)

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung - IFAM -

Das Fraunhofer IFAM hat ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leistungsstarke Wicklungen mit höherem Wirkungsgrad und verbesserter Entwärmung gefertigt werden können. Die Spulen sind geeignet für Traktionsmaschinen insbesondere in den Bereichen Elektromobilität, Industrieantrieben oder der Energieerzeugung.

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 individuelle Lösungen in der Produktion sind gefragt. Deshalb hat das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM gegossene Spulen entwickelt, die einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere Entwärmung ermöglichen. Das gießtechnisch hergestellte neue Spulendesign ermöglicht durch einen hohen Nutfüllfaktor (bis zu 90 %) 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 %.

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. Unter Einbezug des gesteigerten Füllfaktors kann die für die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen maßgebliche Stromdichte in der Nut gegenüber konventionell hergestellten Spulen verdreifacht werden.

Höherer Nutfüllfaktor ermöglicht Aluminium als Leiterwerkstoff

Die Kombination aus hohem Füllfaktor, exzellentem thermischen Verhalten und geringen Stromverdrängungsverlusten kann in der Maschinenauslegung auf vielfältige Weise genutzt werden. 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 % und die Rohstoffkosten um 85 % sinken.

Weitere Anwendungspotenziale können erschlossen werden, wenn die geometrischen Gestaltungsfreiheiten für die Entwicklung innovativer Kühlkonzepte genutzt werden. Wird der Leiterquerschnitt in thermisch hoch belasteten Bereichen (zum Beispiel am Wickelkopf) gezielt erhöht, lässt sich die Bildung thermischer Hotspots vermeiden.

Flexible Fertigung und maßgeschneiderte Isolationsbeschichtungen

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 200 mm realisieren, während im Lost-Foam-Verfahren gefertigte Spulen für Großmaschinen Kantenlängen bis zu 1 m aufweisen können. Für sehr große Stückzahlen führt die Fertigung der Spulen in Dauerformen im Druckguss oder ND-Guss zu geringsten Stückkosten.

Das richtigen Gießverfahren wird anwendungsspezifisch ausgewählt 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.

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