Flachdraht Wellenwicklung
Mit der Flachdraht Wellenwicklungstechnologie von Schaeffler ELMOTEC STATOMAT lassen sich E-Antriebe erheblich leichter, mit deutlich geringerem Materialverbrauch und niedrigeren Kosten realisieren.
Mit der prozesssicheren Realisierung der Wickeltechnik hat ELMOTEC STATOMAT ein Fertigungstechnologie etabliert, die den Elektromotor deutlich optimiert. Die Vorteile potenzieren sich sogar, wenn die Auslegung einer kompletten Antriebseinheit entsprechend angepasst wird. Die Flachdraht Wellenwicklung (Continuous Hairpin) verwendet wie das derzeit übliche Hairpin-Verfahren einen Flachdraht, der den vorhandenen Raum in der Nut maximal mit Kupfer füllt.
Während beim Hairpin-Verfahren jedoch an einer Seite des Stators hunderte Kupferdrahtenden mit dem jeweiligen Gegenstück verschweißt werden muss, kommt die Wicklung von ELMOTEC STATOMAT ohne Schweißpunkte aus – es wird ein durchlaufender Kupferdraht als „Matte“ gewickelt und anschließend in die Nuten gepresst.
Dieses komplexe Verfahren prozesssicher zu machen, ist ELMOTEC STATOMAT zusammen mit dem Sondermaschinenbau von Schaeffler gelungen. Der erste Serieneinsatz für einen Antrieb in der Elektromobilität steht an.
Im Motor selbst ergeben sich vor allem zwei Vorteile: Durch den Wegfall des Schweißens können dünnere Drähte verwendet werden. Und der Stator baut kürzer, weil für die Schweißverbindungen acht bis zehn Millimeter zusätzlicher Draht und damit Bauraum nötig sind. Bedeutsamer sind jedoch mit Blick auf das Gesamtsystem die erhöhten Design-Freiheitsgrade, die höhere Nut- und Drahtanzahlen ermöglichen und so eine deutliche Reduzierung der Hochfrequenzverluste und einen verbesserten Wärmeaustausch erlauben.
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Gerade bei Hochdrehzahl-Designs sorgt dieser Vorteil für höhere Wirkungsgrade. Das Getriebe bekommt entsprechend der Drehzahlerhöhung ein angepasstes Übersetzungsverhältnis, sodass am Rad wieder die gleichen Drehzahl- und Drehmomentwerte vorliegen. Das Getriebe bleibt in seiner Bauform aber vergleichbar groß.
Konkret zeigt beispielsweise ein Vergleich zweier E-Achsen mit Hairpin-gewickeltem Motor und einem mit Flachdraht Wellenwicklung klare Ergebnisse: Bei einer Erhöhung der Drehzahl von 14.000 auf 18.000 Umdrehungen pro Minute kommt die wellengewickelte Maschine mit je fast einem Drittel weniger Magnetmasse, Kupfermasse und Gesamtmasse aus. Die Gesamtlänge kann um ein Viertel reduziert werden was direkte Auswirkungen auf Größe Gewicht und Kosten des E-Achs-Systems hat.
Nicht nur im Hinblick auf das E-Antriebsdesign, sondern auch in Bezug auf die Produktion bietet die neue Technologie wesentliche Vorteile gegenüber den bereits etablierten Hairpin Anwendungen. Durch eine signifikante Reduktion der benötigten Fertigungsschritte lässt sich die Prozesssicherheit deutlich steigern.
Dünnere Drahtquerschnitte erlauben Bis zu 12 Drähte pro Nut
Patentierte U-Shape Technologie ermöglicht innovative E-Motor-Designs
Durch den Wegfall kritischer Prozessschritte reduziert sich die Komplexität
Bis zu 10 Drahtsprünge zur Reduzierung von Verlusten
Durch das Wickeln einer durchgängigen Matte um ein sogenanntes Wickelschwert, entfällt das separate Abisolieren sowie die Vormontage der einzelnen Hairpins. Der zentrale technische Vorteil der Flachdraht Wellenwicklung besteht darin, dass nach der Montage der Wicklung deutlicher weniger Drahtenden bearbeitet werden müssen. Das Schneiden, Abisolieren, Verschweißen und abschließende Isolieren der „Schweißseite“ erfordert nicht nur ein hohes Investment, sondern birgt auch wesentliche Risiken in Bezug auf die elektrische Isolation des Stators.
Durch die Entwicklung eines hochinnovativen Verfahrens zur Biegung des Drahts reduzieren sich nicht nur die Anzahl der Drahtenden, die zur Kontaktierung auf der Anschlussseite benötigt werden, sondern die zu kontaktierenden Drähte befinden sich direkt nebeneinander. Diese Vorgehensweise reduziert den Aufwand beim Kontaktieren und der anschließenden Montage der Busbars um ein Vielfaches.
Ein weiterer Vorteil der Herstellung einer durchgängigen Matte besteht darin, dass die Anzahl der verwendeten Drähte minimiert werden kann. Dies hat zur Folge, dass weniger Toleranzen ausgeglichen werden müssen, die bei den folgenden Prozessen Fehler verursachen können.
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