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Drahtwickeln/Tiefziehen

Umformtechnik beseitigt Elektromobilitätsprobleme

| Autor/ Redakteur: Manuel Peter, Ramona Singer und Jürgen Fleischer / Stéphane Itasse

Noch wird die Elektromobilität in Deutschland durch hohe Kosten gebremst. Doch klassische Produktionsverfahren wie das Umformen bieten für neue Anwendungsfälle noch Potenzial, wie Forscher anhand von zwei Komponenten für Elektroautos zeigen.

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Nadelwickler mit vier parallelen Teilleitern. Um die Leistung von Elektromotoren zu erhöhen, gilt es auch, die Wicklung ihres Stators zu verbessern.
Nadelwickler mit vier parallelen Teilleitern. Um die Leistung von Elektromotoren zu erhöhen, gilt es auch, die Wicklung ihres Stators zu verbessern.
(Bild: wbk)

Elektrofahrzeuge stellen eine vielversprechende Alternative zum konventionellen Fahrzeug dar. Neben der Batterie zur Energiespeicherung benötigen sie Elektromotoren, um die gespeicherte Energie in Bewegung umzusetzen. Die wesentliche Kernkomponente des Elektromotors ist der Stator, welcher ein elektromagnetisches Drehfeld und somit das Drehmoment erzeugt. Die leistungsbestimmende Komponente des Stators ist die Wicklung, welche durch Umformen des Drahtes erzeugt und maßgeblich beeinflusst wird. Zur Fertigung der Statorwicklung haben sich unterschiedliche Wickelverfahren etabliert.

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Zur Elektromotorenproduktion muss der Draht ohne Schäden umgeformt werden

Dabei kann zwischen den direkten und den indirekten Wickelverfahren unterschieden werden. Bei den direkten Wickelverfahren (Liner-, Nadel- und Flyerwickeln) wird der Draht unmittelbar in die Statornut oder auf den Statorzahn aufgebracht [1]. Ziel der Statorbewicklung ist eine möglichst hohe Füllung der Nuten mit Kupferlackdraht nach einem berechneten Schema, dem sogenannten Wickelschema. Dazu muss bei allen Wickelverfahren der Kupferlackdraht plastisch umgeformt werden, ohne diesen zu beschädigen. Häufige Schädigungen und deren Folgen sind:

  • partieller Isolationsverlust, er führt zu elektrischen Kurzschlüssen,
  • übermäßige Querschnittsverjüngung, sie ergibt einen hohen elektrischen Widerstand, und
  • Überschreiten des Umformgrads, dies führt zu einer Schädigung des Gefüges beziehungsweise zum Drahtriss.

Das Verfahren Nadelwickeln erlaubt die gezielte Drahtablage und bietet eine hohe Flexibilität hinsichtlich der programmierten Ablagebahnen, wodurch sich dieses Verfahren insbesondere für Hochleistungsantriebe, beispielsweise für Traktionsantriebe, eignet. Der Aufbau des Wickelwerkzeugs ist in Bild 1 dargestellt. Beim Nadelwickeln ist jedoch die Beanspruchung des Drahts in bestimmten Zonen sehr hoch. Die erste Zone mit hohen Umformgraden des Drahts ist in Bild 2 dargestellt. Abhängig von der programmierten Ablagebahn der Maschine wird der Draht in dieser Zone um bis zu 150° umgelenkt. Weitere kritische Umformzonen befinden sich an den Ablagepunkten, bei welchen der Draht mehrfach um mehr als 90° umgeformt wird. Wissenschaftlich-technische Herausforderungen bestehen insbesondere in der Regelung des Drahtzugs im Prozess, sodass das ungewollte Überschreiten der Fließgrenze und damit eine Drahtbeschädigung vermieden werden kann.

Tiefziehen kommt bei Batterien für Elektroautos an seine Grenzen

Neben der Komponente Motor wird weiterhin ein Energielieferant für den Antriebsstrang im Elektrofahrzeug benötigt, der im Allgemeinen durch eine Batterie realisiert werden kann. Eine Lithium-Ionen-Batterie eignet sich aufgrund ihrer technischen Eigenschaften für den Einsatz im Elektrofahrzeug. Es gibt verschiedene Typen von Lithium-Ionen-Batterien, die in ihrer geometrischen Form differieren. Die hier betrachtete Bauform ist die Pouchzelle. Sie zeichnet sich durch ihre flache, rechteckige Geometrie aus (Bild 3). Das Gehäuse, das die Batteriezelle umgibt, besteht aus einer speziellen Aluminiumverbundfolie, die mit der Verpackung von Kaffeebohnen verglichen werden kann. Besondere Eigenschaften sind ihre geringe Dicke und ihr flexibles Verhalten. Um dieses Material in eine rechteckige Geometrie zu überführen, wie es für das Batteriegehäuse notwendig ist, wird das Tiefziehen angewandt. Dieses schon lange bewährte Verfahren stößt jedoch schnell an seine Grenzen. Das Gehäuse kann lediglich bis zu circa 6 mm tief gezogen werden, andernfalls kommt es zu Tiefziehfehlern wie Bodenreißern oder Faltenbildung. Die Ursache für das fehlerbehaftete Tiefziehen der Halbschalen liegt unter anderem am komplexen Aufbau des Gehäusematerials. Jede einzelne Schicht ist elementar für die Funktion des Gehäuses. Die Aluminiumverbundfolie ist aus drei laminierten Schichten aufgebaut (zwei Schichten Kunststoff, eine Schicht Aluminium), die über unterschiedliche mechanische Eigenschaften verfügen. Die geringe Dicke der Folie von 150 µm sowie die für das Tiefziehen komplexe rechteckigen Form tragen weiterhin zu dem schlechten Tiefziehverhalten bei tieferen Gehäusen bei. Damit sind das Gehäuse und die Batterie an sich stark in ihrer geometrischen Form eingeschränkt. Das Ziel ist es, diese Einschränkung aufzuheben und die Pouchzelle in ihren geometrischen Freiheitsgraden flexibler zu machen. Im Projekt Optifelio, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, werden die Ursachen und Wirkzusammenhänge dieses Prozesses untersucht. Die Einstellung der Parameter Stempelgeschwindigkeit, Niederhaltekraft und Haltezeit bilden die Grundlage. Aus diesen Parameterstudien abgeleitet werden weitere Einflussgrößen betrachtet, unter anderem die Werkzeugtemperatur.

Literatur

  • [1] Hagedorn, Jürgen; Sell-Le Blanc, Florian; Fleischer, Jürgen (2016): Handbuch der Wickeltechnik für hocheffiziente Spulen und Motoren: Ein Beitrag zur Energieeffizienz, Berlin-Heidelberg, Springer-Verlag.

* Manuel Peter und Ramona Singer sind akademische Mitarbeiter am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Prof. Jürgen Fleischer ist dort Institutsleiter Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung

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