Vorhabensbeschreibung

Motivation

Ein Haupthindernis für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen ist die fehlende breite Akzeptanz in der Bevölkerung. Dies liegt u.a. an einer im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor geringeren Reichweite insbesondere im Winterhalbjahr, wenn zusätzlich zu den Antriebsmotoren weitere elektrische Verbraucher benötigt werden. Notwendig sind daher Fortschritte sowohl in einer verbesserten und leichteren Energiespeicherung als auch in effizienterer Nutzung der elektrischen Energie durch die Verbraucher. Neben Beleuchtung und Heizung besitzen Fahrantriebsmotoren und weitere Nebenaggregate ein großes Potenzial zum Erreichen dieser Ziele. Notwendig erscheint dabei neben der Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades auch eine Verringerung des Gewichtes, da die Fahrzeugmasse eine wichtige Größe beim Energieverbrauch spielt. Die bisherigen Herstellungsverfahren lassen jedoch prinzipbedingt eine Optimierung nicht zu, da sie technologisch weitgehend ausgereizt sind, wie dies im nächsten Abschnitt ausführlich erläutert wird. Es fehlt daher an einem Verfahren, dass die Grenzen der konventionellen Fertigung überwindet und so der E-Mobility zu einem Durchbruch verhilft.

Die sogenannten Hauptelemente gehören zu der Vielzahl von Einzelkomponenten, aus denen elektrische Energiewandler, insbesondere elektrische Motoren und Generatoren bestehen. So wird der feststehende Teil als Stator beziehungsweise als Ständer und der rotierende Teil als Rotor bezeichnet. Mindestens eines der genannten Elemente trägt dabei elektrische Wicklungen zur Erzeugung einer magnetischen Durchflutung. Die dazu eingesetzten Kupfer- und Aluminiumleiter sind zur elektrischen Isolierung untereinander und gegen sie umgebende mechanische Komponenten mit einer Lackschicht versehen. Diese stellt hinsichtlich der Betriebstemperatur eines elektrischen Energiewandlers die limitierende Komponente dar. Zur Erhöhung der Leistungsdichte ist es notwendig entweder das Volumen bei gleicher Leistung zu verringern oder die Leistung pro Volumen zu steigern. Im Regelfall geht dies jedoch mit einer Erhöhung der Betriebstemperatur einher, so dass bei der Ausführung der Lackisolationsschicht erheblicher Verbesserungsbedarf zu sehen ist.

Um auftretenden Wirbelstromverlusten entgegen zu wirken, sind die magnetischen Kreise der Hauptelemente oft geblecht ausgeführt. Dazu wird die Maschinengeometrie mit Hilfe verschiedener Bearbeitungsverfahren wie Lasern, Fräsen, Stanzen, Erodieren, Drehen, Bohren und Wasserstrahlschneiden aus dünnen Blechen gewonnen. Bei der anschließenden Paketierung werden die Bleche passgenau übereinander gebracht und durch Verkleben, Schweißen, Nieten oder Schrauben verbunden. Zur Vermeidung der genannten Wirbelströme sind die Bleche untereinander durch Lack- oder Oxidschichten elektrisch isoliert. Nachteilig bei dieser, dem Stand der Technik entsprechenden Herstellungsmethode, wirkt sich die Verkleinerung des Anteils des magnetischen Materials pro Volumeneinheit und die Gefügeänderungen an den Bearbeitungskanten aus. Des Weiteren ist wegen der eingesetzten Herstellungsverfahren die Materialauswahl auf bearbeitbare Materialien begrenzt, so dass insgesamt die Gestaltungsfreiheit eingeschränkt ist.

Weiterhin sind die Designmöglichkeiten der Maschinengeometrie insbesondere in axialer Richtung begrenzt. Oft stehen eine gute Bewickelbarkeit und eine optimale Gestaltung der Magnetkreise im Gegensatz zueinander. Des Weiteren sind mit den zur Zeit eingesetzten Herstellungsverfahren nur äußerst begrenzt wirksame Kühlgeometrien realisierbar, so dass nach dem heutigen Stand der Technik die Steigerung des Wirkungsgrades und der Effizienz elektrischer Maschinen nur durch Entwicklung neuartiger Herstellungsverfahren zu bewerkstelligen ist.

Nur teilweise können die genannten Einschränkungen durch das SMC-Verfahren (soft magnetic composites) überwunden werden. Zwar kann auf die Ausführung der Hauptelemente in Form von Blechpaketen verzichtet werden, jedoch ist die Gestaltungsfreiheit auf Grund der Notwendigkeit einer Pressform eingeschränkt. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Hauptelement weist im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Bestandteilen eines elektrischen Energiewandlers, ungünstigere mechanische und zum Teil elektromagnetische Eigenschaften auf. Nach Ansicht und Kenntnis der Antragsteller lassen sich die Nachteile und Einschränkungen, der die Auslegung und Fertigung elektrischer Energiewandler nach dem jetzigen Stand der Technik unterliegen, nur durch die Entwicklung neuartiger Herstellungsverfahren, wie in der Patentanmeldung PCT/EP2012/063844, 2012 von IFAM und EWA beschrieben, beseitigen.

Zielstellung

Laut dem Zwischenbericht der Nationalen Plattform Elektromobilität aus dem Jahr 2010 hat die deutsche Wirtschaft die Technologieführerschaft im Automobilbau und -entwicklung sowie der Entwicklung von Elektromotoren inne. Um diesen Vorsprung und die Konkurrenzfähigkeit weiter auszubauen und diese in den Bereich der elektrischen Antriebe für Fahrzeuge zu übernehmen, sind neue effizientere Elektromotoren sowohl in Form von thermisch sehr beanspruchten hoch ausgenutzten Antriebs- als auch Nebenaggregaten notwendig. Gleichzeitig müssen entsprechende wirtschaftlichere Fertigungstechnologien entwickelt werden um die Leistungsfähigkeit elektrischer Motoren speziell im Bereich der Elektromobilität weiter zu steigern. Zur Überwindung der oben beschriebenen Nachteile, die sich aus den konventionellen Herstellungsverfahren ergeben, bieten sich geometrisch komplexere Bauformen an, die den berechneten Optimalformen genauer entsprechen. Weiterhin ist es wünschenswert die Funktionalität der Antriebselemente etwa um Strukturen zur Verbesserung der Kühlleistung zu erweitern. Eine weitere Zielstellung betrifft die elektrischen Wicklungen eines Energiewandlers. Diese sollen mit Hilfe des 3-D-Siebdruckverfahrens mit thermisch erheblich belastbaren Isolationsmaterialien versehen und automatisiert in die Hauptelemente integriert werden. Nicht zuletzt soll das Fertigungsverfahren auch die Beschränkungen der konventionellen Herstellungsverfahren hinsichtlich der Bandbreite an einsetzbaren Materialien überwinden. Nachfolgend sind die Ziele des Forschungsvorhabens nach verschiedenen Aspekten zusammengefasst.

• Wirtschaftliche Aspekte: Kosteneffiziente Herstellung von großen Stückzahlen in kurzer Zeit
  • Weiterentwicklung des dreidimensionalen Siebdrucks zur Fertigung von Kernkomponenten elektrischer Antriebe
  • Entwicklung eines großserientauglichen Produktionsprozesses
  • mindestens 25 % Kostenreduzierung
  • Verdoppelung der Leistungsdichte
• Konstruktive Aspekte: Realisierbarkeit komplexer Geometrien mit den Zielen:
  • Verbesserung der Wärmeabgabe und Wärmeleitung durch gezieltes Vermindern des thermischen Widerstandes
  • Effizienzsteigerung von Prozessen und Materialien
  • Erhöhen und gezieltes Leiten des magnetischen Flusses im Magnetkreis durch gezieltes Einstellen von Permeabilität, Sättigungsinduktion und Hysterese
  • Senken des ohmschen Widerstandes und damit der Verluste in den Wicklungen
• Technologische Aspekte: Erreichen höherer Füllfaktoren
  • von elektrischen Leitern (z.B. Kupfer) in den Wicklungen
  • und Magnetkreismaterial in Rotor bzw. Stator
• Materialtechnologische Aspekte: Verwendbarkeit von gezielt angepassten Materialien, um besonders
  • das Wärmeabgabevermögen zu steigern
  • die Wärmeleitung an die Oberfläche des Motors zu verbessern
  • die Masse zu reduzieren
  • die elektrische Leitfähigkeit der Wicklung zu erhöhen
  • die magnetische Leitfähigkeit zu steigern oder gezielt einzustellen
  • die Isolationsstoffe signifikant zu verbessern um extreme Einsatztemperaturen erreichen zu können
  • die mechanische Festigkeit der Baugruppen zu erhöhen
  • die magnetischen Verluste zu senken