Umformtechnische Herstellung querschnittsvariabler Einzelzahnspulen für hocheffiziente elektrische Maschinen mit exzellenter Drehmomentdichte

Der vollelektrische Antriebsstrang für Fahrzeuge kann einen wesentlichen Beitrag leisten, insbesondere in Großstädten lokale Emissionen signifikant zu reduzieren und durch Nutzung erneuerbarer Energie den globalen CO2-Ausstoß zu senken. Hinsichtlich der Herstellung elektrischer Maschinen für den Einsatz in industrieller Umgebung kann auf eine über hundert Jahre lange Erfahrung zurückgegriffen werden, jedoch führen hohe Leistungsanforderungen in Kombination mit beschränktem Bauraum zu neuen Herausforderungen an die Herstellung elektrischer Maschinen für den Einsatz in Fahrzeugen. Ein wesentliches Kriterium bei der Herstellung leistungsstarker elektrischer Maschinen ist die Wahl einer geeigneten Statorwicklungstopologie, die vom Betriebsbereich der Maschine und damit vom Anwendungsfall abhängig ist. Wird die Maschine hauptsächlich bei höheren Drehzahlen betrieben, sollten Skin- und Proximityeffekte auf ein Minimum reduziert werden, um geringe Kupferverluste und somit eine gute Effizienz der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Für diesen Anwendungsfall sollten die Statorwicklungen kleinere Drahtquerschnitte aufweisen. Soll die Maschine hingegen eine hohe Drehmomentdichte im unteren Drehzahlbereich aufweisen, muss die Wicklung größere Querschnitte aufweisen, welche die benötigte hohe Stromstärke führen. Dadurch wird die Verlustwärme reduziert und die Effizienz der elektrischen Maschine verbessert. Eine weitere Anforderung zur Effizienzsteigerung, welche für alle elektrischen Maschinen gilt, ist die Erhöhung des sogenannten elektrischen Nutfüllfaktors. Dies bedeutet, den Anteil des elektrisch leitfähigen Materials in der Statornut zu maximieren. Durch eine Erhöhung des elektrischen Nutfüllfaktors wird vor allem die Wärmeabfuhr von der Statorwicklung an den Stator verbessert, wodurch Kupferverluste reduziert und die Effizienz der elektrischen Maschine verbessert wird.

In dieser Arbeit wird ein Anwendungsfall mit starker Bauraumbeschränkung betrachtet. Beim elektrischen Radnabenmotor ist der Bauraum durch den Felgendurchmesser und die Felgenbreite limitiert, weshalb sowohl ein hoher elektrischer Nutfüllfaktor als auch ein kleiner Wickelkopf entscheidend sind. Der elektrische Radnabenmotor ist keine neue Idee: Auf Geheiß von Ludwig Lohner konstruierte Ferdinand Porsche bereits Ende des 19. Jahrhunderts ein Elektromobil mit Radnabenantrieb, den Lohner-Porsche, welcher nach Fertigung im Jahre 1900 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellt wurde [1]. Aufgrund der Verfügbarkeit von Benzin und der mit Benzin verglichenen schlechteren Energiedichte damaliger Batterien setzte sich der Verbrennungsmotor in den darauffolgenden Jahren durch. Wegen Forderungen nach weniger Emissionen und urbaner Immission sowie Fortschritten im Bereich neuartiger Fahrzeugkonzepte rückt der vollelektrische, radnabenmotorisierte Antriebsstrang wieder stärker in den Fokus [2].

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Erprobung eines serientauglichen umformtechnischen Ansatzes zur Herstellung von Statorwicklungen, deren Geometrie für den Einsatz in elektrischen Radnabenmotoren mit hoher Drehmomentdichte optimiert ist. Zudem werden die Auswirkungen des Umformprozesses auf die elektrischen Eigenschaften und damit die Effizienz der elektrischen Maschine diskutiert.