Elektromobilität

Radnabenmotor-Formspulen besser umformen

| Autor / Redakteur: Daniel Petrell, András Bárdos und Christian Hecker / Stéphane Itasse

(Bild: IBF)

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Der Radnabenmotor ist ein interessantes Antriebskonzept für die Elektromobilität. Die maximal verfügbare Leistung eines Radnabenmotors ist jedoch durch den Bauraum in der Felge begrenzt. Konisch geformte Formspulen mit rechteckigem Drahtquerschnitt bieten das Potenzial, die Leistungsdichte des Radnabenmotors zu erhöhen, da sie den Bauraum besser ausfüllen als herkömmlich gewickelte Spulen aus Runddraht.

Vorhergehende wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die gusstechnische Herstellung solcher Formspulen möglich, aber mit hohen Kosten verbunden ist. Aus diesem Grund wird nun in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt die umformtechnische Herstellung von Formspulen aus ETP-Kupfer untersucht. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist ein großserientauglicher und wirtschaftlicher Herstellungsprozess für hocheffiziente Spulen mit einer Stückzahl von mehreren Millionen Spulen pro Jahr. Das Projektkonsortium besteht aus dem Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler, dem Druckgussspezialisten Breuckmann, sowie den Instituten für Elektrische Maschinen (IEM) und für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen University.

Die in Bild 1 gezeigte Formspule soll beim von Schaeffler entwickelten elektrischen Radnabenantriebskonzept „E-Wheel Drive“ genutzt werden und die bis dato verwendeten Runddrahtwicklungen ersetzen. Schaeffler erhofft sich dadurch eine Steigerung des Nutfüllfaktors von circa 50 % (Runddrahtwicklung) auf circa 75 % (Formspule).

Kooperation mit Unternehmen

Zur umformtechnischen Herstellung von Formspulen wurden in Kooperation der Firma Breuckmann und des IBF vier Konzepte entwickelt, simulativ untersucht und praktisch erprobt:

  • eine „freie“ Umformung ohne Formzwang (Bild 2a),
  • ein mehrstufiger Umformprozess, in dem die Sollgeometrie schrittweise angenähert wird (Bild 2b),
  • eine Umformung mit Gegenhalter (Bild 2c) und
  • eine Umformung in einer 3D-gedruckten Gegenspule als zusätzlichem Werkzeug (Bild 2d).

Ergänzendes zum Thema
 
Konferenz mit mehr Informationen
Das Institut für Bildsame Formgebung veranstaltet am 28. und 29. März 2019 das 33. Aachener Stahlkolloquium (ASK).

Die besten Ergebnisse der praktischen Erprobung der Konzepte erzielten der mehrstufige Umformprozess und die Umformung mit Gegenspule (Bild 3). Mit dem mehrstufigen Umformprozess wurden maschinell hergestellte Spulenrohlinge mit einer initialen Drahtbreite von 2,5 mm in zwei Prozessschritten auf eine Drahtbreite von 3,8 mm verpresst, was der Breite der schmalsten Windung der Formspulen entspricht.

Die auf diese Weise hergestellten Spulen zeichneten sich durch eine hohe Formfüllung und eine homogene Umformung der einzelnen Lagen aus (Bild 3 b). Im nächsten Arbeitsschritt wird ein Prototypenwerkzeug konstruiert, mit dem Formspulen mit der finalen Geometrie (Bild 1 c) hergestellt werden, um diese in einem Demonstratormotor der Firma Schaeffler zu erproben.

Herstellung in einem Prozessschritt

Das Konzept der Umformung mit Gegenspule bietet den Vorteil, dass die Endgeometrie der Formspule in einem Prozessschritt hergestellt werden kann. Zudem wurde durch dieses Konzept der homogenste Drahtquerschnitt erreicht (Bild 3 d), da die Windungen der Formspule durch die Gegenspule voneinander getrennt sind und nicht gegeneinander verrutschen können.

Aus diesem Grund wird auch dieses vielversprechende Konzept weiterentwickelt. Dazu wird in einem nächsten Schritt an einer Vorrichtung zur Entnahme der verpressten Spulen aus der Gegenspule gearbeitet. Durch eine parallel laufende Konstruktion einer Gegenspule mit 20 Windungen sollen auch mit diesem Konzept Prototypen hergestellt werden, die in dem Radnabenmotor der Firma Schaeffler erprobt werden. Durch einen Vergleich dieses Technologieträgers und einer Referenzmaschine mit herkömmlich gewickelten Spulen aus Runddraht und gleichem Magnetkreis soll die erreichbare Effizienzsteigerung der neuen Technik bewertet werden.

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30.05.18 - Elektrische Antriebe in Fahrzeugen werden zunehmen. Wenn traditionelle Antriebsstränge zukünftig an Bedeutung verlieren, gilt das auch für deren Produktionsverfahren und -technik. So sind Maschinenbau und Antriebstechnik-Hersteller gefragt, diese Transformation hin zur Elektromobilität mitzugestalten und neue Wertschöpfungspotenziale zu entwickeln. lesen

Dank der Autoren

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Serienflexible Technologien für elektrische Antriebe von Fahrzeugen 2 (E-Antriebe 2)“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

* Daniel Petrell ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen in 52056 Aachen, Dr. András Bárdos ist technischer Leiter sowie Leiter Forschung und Entwicklung der Breuckmann GmbH & Co. KG in 42579 Heiligenhaus und Christian Hecker ist Projektmanager Entwicklung Radnabenantriebe bei der Schaeffler Technologies AG & Co. KG in 91074 Herzogenaurach

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