Gro{ß}serientaugliche Nadelwickeltechnik für verteilte Wicklungen im Anwendungsfall der E-Traktionsantriebe: Der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr.-Ingenieur

Thesis
(Dissertation)


Publication Details

Author(s): Stenzel P, Franke J, Piepenbreier B, Endisch C
Editor(s): Franke J, Merklein M, Schmidt M
Title edited volumes: Fertigungstechnik - Erlangen
Publisher: Lehrstuhl FAPS //~E-Drive-Center
Publishing place: Erlangen-Nürnberg
Publication year: 2017
Language: German


Abstract


Einleitung Innerhalb seiner nunmehr über einhundertjährigen Geschichte hat sich das Automobil zum beliebtesten Individualtransportmittel entwickelt [1]. Dabei konnte sich der Verbrennungsmotor auf Basis fossiler Kraftstoffe gegenüber anderen Antriebsarten durchsetzen [2]. Trotz vieler verbrauchssenkender Innovationen in der sogenannten konventionellen Antriebstechnik nehmen die verkehrsbedingten CO2-Emissionen aufgrund des weltweit steigenden Verkehrsaufkommens weiterhin zu [3, 4]. In den Jahren von 2000 bis 2010 betrug die Zunahme der stra{ß}enverkehrsbe-dingten CO2-Emissionen 14 {\%} [3], während im gleichen Zeitraum der weltweite KFZ-Bestand um 33 {\%} auf mehr als eine Mrd. Fahrzeuge anstieg [5]. Um den CO2-Aussto{ß} einzudämmen, hat die Europäische Kommission daher ein gesetzliches Limit in Höhe von 95 g CO2 / km für den Durchschnittsflottenverbrauch aller in der EU neu zugelassenen PKWs beschlossen, das stufenweise in Kraft tritt [6]. Die Emissionen werden über den Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ermittelt. Bei Nichteinhaltung drohen empfindliche Strafen [1]. Auch andere Länder, wie die USA, Japan und China haben Verbrauchs-, bzw. Emissionsvorschriften. Diese Vorschriften stellen insbesondere die Premiumhersteller, wie beispielsweise Audi, BMW und Daimler, vor gro{ß}e Herausforderungen, da deren Kunden vorzugsweise leistungsstärkere Modelle kaufen, die einen höheren Kraftstoffverbrauch zur Folge haben. Aus diesem Grund gibt es bei den Automobilherstellern Bestrebungen, den Verbrennungsmotor teilweise oder vollständig durch den Elektromotor zu substituieren. Für die Kundenakzeptanz ist dabei entscheidend, dass die Hybrid- (HEV) und Elektrofahrzeuge (BEV) im Vergleich zum konventionell angetriebenen Fahrzeug vergleichbare Preise, ausreichende Reichweiten und möglichst weiteren exklusiven Zusatznutzen, wie besseres Beschleunigungsverhalten oder geringere Wartungszyklen aufweisen. Daraus ergeben sich für die für den Antrieb infrage kommenden Drehstrommaschinen unter anderem die Forderungen nach einer hohen Leistungsdichte und einem hohen Wirkungsgrad über ein breites Drehmoment-Drehzahl-Band sowie nach einer wirtschaftlichen Herstellbarkeit. Während die elektromagnetische Auslegung der E-Maschine Gegenstand von vielen Untersu-chungen und Veröffentlichungen ist, wurde in der Vergangenheit der Fertigung von Elektromaschinen hingegen in Literatur und Forschung nur wenig Beachtung geschenkt. Dabei liegt ein wesentliches Entwicklungspotenzial in der Fertigung, da die Herstellungstechnologien, und insbesondere die Wickeltechnologie des Stators, einerseits die Herstellungskosten bestimmen und andererseits die elektromagne-tische Auslegung und die Konstruktion des Elektromotors einschränken. Dies geschieht in Form von erreichbaren Kupferfüllfaktoren, umsetzbaren Wickelschemata und Bauraumforderungen durch die Wickelkopfhöhe. Während die konzentrierte Wicklung als eine der zwei Ausprägungsformen der Drehstromwicklungen gut industrialisiert ist und viele Automatisierungsmöglichkeiten bietet [7], existieren für 1 Einleitung 2 die andere Wicklungsart, die sogenannte verteilte Wicklung, nur wenige wickeltechnische Möglichkeiten, die gro{ß}serientauglich sind und gute Produkteigen-schaften ermöglichen. Dies ist insofern nachteilig, da die verteilte Wicklung ein wesentlich breiteres Anwendungsspektrum hat und sich die konzentrierte Wicklung, wie in Kapitel 2 gezeigt wird, für Asynchronmaschinen und Achsantriebe in Elektro-Fahrzeugen nicht gut eignet. Im Falle von verteilten Runddrahtwicklungen wird üblicherweise die Einziehtechnik verwendet, die zwar seit mehreren Jahrzehnten etabliert [8], jedoch aufgrund vieler manueller Tätigkeiten nur bedingt gro{ß}serien-tauglich ist. Darüber hinaus sind mit der Einziehtechnologie durch die prinzipbedingte Wildwicklung nur mittlere Kupferfüllfaktoren erzielbar. Eine Alternative bietet die Nadelwickeltechnik, die Potenzial bezüglich Kupferfüllfaktor und Automatisierbarkeit aufweist, bisher für verteilte Wicklungen jedoch nur bei Industrieantrieben zur Anwendung kam, welche geringere Anforderungen an Wickelkopfhöhe und Kupferfüllfaktor stellen. Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Aufgabenstellung dieser Arbeit, die Nadelwickeltechnik für verteilte Wicklungen von Traktionsantrieben weiter-zuentwickeln und auf die automobilen Bedürfnisse anzupassen. Dies bedeutet, dass der Wickelprozess samt nachgelagerten Prozessschritten möglichst vollständig automatisierbar und damit gro{ß}serientauglich werden soll. Darüber hinaus sind die Produkteigenschaften der E-Traktionsmaschine zu optimieren. Zunächst werden in Kapitel 2 die Grundlagen elektrischer Drehstrommaschinen sowie deren Aufbau beschrieben. Anschlie{ß}end werden die zwei Ausprägungen der Drehstromwicklungen - die konzentrierte und die verteilte Wicklung - erläutert. In Kapitel 3 erfolgt die Beschreibung alternativer Herstellverfahren für verteilte Wicklungen sowie die Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Produkteigen-schaften und Fertigung. Darauf aufbauend werden die Entwicklungs- und Optimierungsziele für das Nadelwickelverfahren abgeleitet. Neben dem allgemeinen Automatisierungsziel werden die Wickelkopfhöhe und der Kupferfüllfaktor, bzw. der Wicklungswiderstand als wesentliche Produktbeeinflussungsmöglichkeiten und damit Optimierungsziele identifiziert. Darüber hinaus wird aus den Ergebnissen bezüglich des Zusammenhangs zwischen Produkteigenschaften und Wickelverfahren der Drahtzugkraft eine besondere Bedeutung für den Wicklungswiderstand bei-gemessen, was überprüft werden soll. Zudem wird festgelegt, dass für die weiteren Entwicklungen und Untersuchungen eine Asynchronmaschine aus einem aktuellen Fahrzeugprojekt verwendet wird. Mithilfe von experimentellen Wickelversuchen an einer Parallelkinematik werden in Kapitel 4 der Einfluss der Drahtzugkraft auf den Wicklungswiderstand sowie der Einfluss der Nadelgeometrie auf die Drahtzugkraft untersucht. In Kapitel 5 erfolgt die Konzeptentwicklung zur Erhöhung des Füllfaktors unter Nutzung der Nadelwickeltechnik. Dabei wird ein Lösungsansatz erarbeitet und 1 Einleitung 3 prototypisch an einer Parallelkinematik erprobt. Die Grundidee besteht darin, mithilfe einer gebogenen Wickelnadel die schwer zugänglichen Bereiche der Nut zu erreichen und den Draht unmittelbar an der gewünschten Position zu platzieren, um so eine lagegenaue Wicklung zu erreichen. Da der Ansatz für die Implementierung in eine industrielle Nadelwickelanlage, unter anderem aufgrund des Bauraumbedarfs und der zusätzlichen Masse durch den Servoantrieb, herausfordernd ist, wird auf Basis der Versuchsergebnisse ein zweiter Ansatz mit einem kinematisch optimierten Prinzip entwickelt. In Kapitel 6 wird ein Ansatz zur Optimierung des Wickelkopfes beschrieben. Ausgehend von einigen grundsätzlichen überlegungen zur Wickelkopfoptimierung werden mehrere Lösungsansätze erarbeitet und bewertet. Der Ansatz eines temporär gefügten Wickelwerkzeugs zeigt dabei das grö{ß}te Potenzial und wird daraufhin konstruktiv umgesetzt. Aufgrund der hohen wirkenden Wickelkräfte wird ein FE-Modell des Werkzeugs entwickelt und validiert. Die Wickelkräfte als Eingangsparameter für das FE-Modell werden im Versuch experimentell ermittelt. Anschlie{ß}end wird zum Nachweis der Prinziptauglichkeit mithilfe der weiter-entwickelten Nadelwickelmethode eine E-Maschine prototypisch aufgebaut. In Kapitel 7 werden die Produkteigenschaften des nadelgewickelten Prototyps über Prüfstandmessungen ermittelt und mit denen einer Referenzmaschine verglichen, um die Nadelwickeltechnologie hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Betriebsver-halten zu untersuchen. Den Abschluss der Arbeit bildet eine Wirtschaftlichkeitsunter-suchung in Kapitel 8, bei der das weiterentwickelte Nadelwickelverfahren mit der Einziehtechnik verglichen wird.



FAU Authors / FAU Editors

Franke, Jörg Prof. Dr.-Ing.
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Piepenbreier, Bernhard Prof. Dr.-Ing.
Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Maschinen


External institutions with authors

Audi AG
Technische Hochschule Ingolstadt


How to cite

APA:
Stenzel, P., Franke, J., Piepenbreier, B., & Endisch, C. (2017). Gro{ß}serientaugliche Nadelwickeltechnik für verteilte Wicklungen im Anwendungsfall der E-Traktionsantriebe: Der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr.-Ingenieur (Dissertation).

MLA:
Stenzel, Peer, et al. Gro{ß}serientaugliche Nadelwickeltechnik für verteilte Wicklungen im Anwendungsfall der E-Traktionsantriebe: Der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr.-Ingenieur. Dissertation, Erlangen-Nürnberg: Lehrstuhl FAPS //~E-Drive-Center, 2017.

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