FlexiCoil – Entwicklung einer großserienfähigen und wirtschaftlichen Produktionstechnologie für umformtechnisch hergestellte Formspulen elektrischer Antriebe
Nach dem heutigen Stand der Technik werden Statorspulen einer E-Maschine aus konventionellem Kupferlackdraht mit rundem Leiterquerschnitt gewickelt. Dieses Verfahren begrenzt den realisierbaren Kupferfüllfaktor und damit den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen. Das Ziel des Forschungsprojekts FlexiCoil war daher, eine Verfahrens- und Werkzeugtechnologie zu entwickeln, um Elektromotoren mit hohem Kupferfüllfaktor wirtschaftlich herzustellen. Dazu wurden umformtechnischer hergestellte Spulen mit variablem Leiterquerschnitt untersucht und gefertigt.
Die Zielgeometrie der Spule wurde zu Projektbeginn festgelegt. Vorversuche zeigten, dass mit einer mehrstufigen Umformung der beste Kompromiss zwischen Herstellbarkeit der Spule und seriennaher, wirtschaftlicher Produktion erzielt wird. Die Zielgeometrie konnte mit fünf Umformstufen realisiert werden. Die umgeformten Spulen wurden mit einem epoxidbasierten Lack isoliert und im Erprobungsträger verbaut. Um die Montage der Spulen zu ermöglichen, wurde der Stator ohne Zahnköpfe und segmentiert ausgeführt. Der Wirkungsgrad und das thermische Verhalten des Erprobungsträgers wurden messtechnisch ermittelt und mit dem Verhalten einer Referenzmaschine mit Runddrahtwicklung verglichen.
Der Kupferfüllfaktor, welcher mittels der FlexiCoil-Spulen erreicht wird, übertrifft den einer üblichen Wicklung um 33%. Bei hohem Drehmoment resultiert daraus eine Reduktion der Kupferverluste von bis zu 17%. Die innovative Herstellung der Spule führt zu einer Steigerung der Produktionskosten des kompletten Antriebes von 10 bis 15 %. Die Formspulen stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Durch künftige Forschung wird eine weitere Kostenreduktion der Spulen erwartet. Bereits jetzt zeigt das Projekt FlexiCoil eine Möglichkeit auf, den Kupferfüllfaktor einer E-Maschine und damit die Leistungs- und Drehmomentdichte sowie den Wirkungsgrad zu steigern.