Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts INFINITE (IGF-Projekt 21451 N)
„Integrative Funktionserweiterung im Elektromaschinenbau zur automatisierten Herstellung intelligenter Isolationssysteme“
Kurzfassung des Berichts
Das Forschungsvorhabens zum Thema „Integrative Fertigung von Isolationssystemen im Elektromaschinenbau“ (IGF-Vorhaben, Nr. 21451 N) wurde im Zeitraum zwischen dem 01.01.2021 und dem 31.03.2023 erfolgreich durch das Projektkonsortium bearbeitet. Dabei konnte eine neue Technologie zur Fertigung der Sekundärisolation von Statoren definiert werden. Im Rahmen des Projektes wurde die Fertigungskette von der Herstellung des Materials und der Einleger bis hin zu späteren Bauteileigenschaften betrachtet, um eine Strategie zur reproduzierbaren Fertigung der Isolation von Statoren im Duroplast Spritzguss zu definieren. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass eine Fertigung der Isolation von Statoren im Duroplast Spritzguss möglich ist und darüber hinaus der Prozess auf einen Isolationsschritt ohne Integration eines Nutgrundpapiers reduziert werden kann. An Einzelnut-Probekörpern wurde in umfangreichen Untersuchungen ein Prozessfenster für die Fertigung unter Berücksichtigung von Prozessparametern und der Nutgrundgeometrie abgeleitet. Dieses wurde unter anderem auch auf das Materialverhalten zurückgeführt, womit das Prozessfenster allgemeingültig ist und auch auf andere, modifizierte Systeme übertragen werden kann. Weiterhin wurde auf Seiten der Werkzeugtechnik verschiedene Abdichtstrategien betrachtet, um eine definierte Fertigung zu ermöglichen.
Motivation und Problemstellung
Bedingt durch den Wandel in der Elektromobilität und einer steigenden Nachfrage an elektrifizierten Fahrzeugen und Antriebssträngen kommt es zu einem fortlaufenden Wandel in den Anforderungen an die Antriebstechnik, der zum Teil auch mit einer entsprechenden Entwicklung von neuen Technologien begegnet werden muss. Im Hinblick auf die Anforderungen in der Anwendung wie einer hohen Leistungsdichte bei hoher Temperaturbelastbarkeit und im Hinblick auf einen hohen Automatisierungsgrad spielt vor allem die Entwicklung einer neuen Technologie für die Fertigung der Sekundärisolation von Statoren eine entscheidende Rolle. Hier weisen die aktuellen Fertigungsverfahren – dem Imprägnieren oder Vergießen – eine erhebliche Einschränkung bedingt durch das Fertigungsverfahren selbst, aber auch die möglichen Materialien, die zum Einsatz kommen, auf. Es kommt unter anderem zu langen Zykluszeiten und einer geringen Reproduktion ohne die Möglichkeit, eine gezielte Materialmodifikation vorzunehmen und damit die Eigenschaften des Bauteiles auf die spätere Anwendung anzupassen. Durch die Entwicklung einer neuen Technologie soll eine gezielte Materialmodifikation, insbesondere im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und damit die Temperaturbelastbarkeit über den Produktlebenszyklus und die mechanischen Eigenschaften, möglich werden. Gleichzeitig soll die Zykluszeit signifikant reduziert werden, die Möglichkeit einer Automatisierung im Prozess geschaffen werden und die Reproduzierbarkeit verbessert werden. Die Entwicklung einer neuen Technologie, die gleichzeitig diese Anforderungen umsetzen kann, ermöglicht es, dem stetigen Wandel im Bereich der Elektromobilität zu begegnen und damit auch die wachsenden Anforderungen an die Antriebstechnik zu erfüllen, die auf Basis der aktuellen Technologien kaum noch erreicht werden können.
Abbildung 1: Aufbau des Probekörpers für Adhäsionsversuche; Quelle: FAU Erlangen-Nürnberg (FAPS), FAU Erlangen-Nürnberg (LKT)
Abbildung 2: Ursache für Aufspreizen an Probekörper; Quelle: FAU Erlangen-Nürnberg (FAPS), FAU Erlangen-Nürnberg (LKT)
Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens
Bedingt durch den Wandel in der Elektromobilität und die wachsende Nachfrage an elektrifizierten Fahrzeugen und Antriebssträngen verändert sich die Entwicklung der elektrischen Antriebstechnik fortlaufend. Entsprechend des Antrags können die Herstellkosten signifikant über einen hohen Automatisierungsgrad bei gleichzeitig geringer Ausschussrate reduziert werden, um ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Auf der Seite des Produktes muss eine hohe Leistungsdichte bei einem optimalen Wirkungsgrad erreicht werden sowie gleichzeitig der Aspekt eines geringen Gewichts und kleinen Bauraums berücksichtigt werden müssen. Im Bereich der Antriebstechnik spielt der Stator hierbei eine entscheidende Rolle, da das Isolationssystem des Stators maßgeblich die Lebensdauer des Produktes, aber auch die Temperaturbelastbarkeit und die Spannungsfestigkeit und damit die Leistung des Motors bestimmt. Bisherige Fertigungsverfahren in der Sekundärisolation des Stators weisen vor allem die Einschränkung auf, dass lange Zykluszeiten – bedingt durch die Aushärtezeit des Harzsystems – im Herstellungsprozess bei mangelnder Prozesskontrolle und Wiederholgenauigkeit erreicht werden. Darüber hinaus erfolgte die Lieferung des Materialsystems als Zwei-Komponenten System, bei dem eine erhöhte Anforderung an die Lagerung bei gleichzeitig eingeschränkter Möglichkeit zur Modifikation hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit oder der mechanischen Festigkeit besteht. Gleichzeitig werden mindestens zwei Isolationsprozesse benötigt.
Die erfolgreiche Umsetzung des vorliegenden Forschungsvorhabens ermöglicht es, durch den Einsatz eines Duroplast Spritzgusses die Sekundärisolation von Statorsegmenten zu realisieren. Damit werden die Zykluszeiten deutlich reduziert und liegen aktuell bei etwa 90 Sekunden (exklusive der Abkühlzeit nach Entnahme des Bauteils aus der Spritzgussanlage). Gleichzeitig kann über den Spritzgussprozess eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht werden. Als Material kommt eine Vormischung aus Harz und Härter zum Einsatz, womit die Lagerung vereinfacht werden kann. Zudem erlaubt das System eine gezielte Modifikation des Materials, damit über die Ergebnisse im Projekt hinaus eine Anpassung der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften an die Anforderungen in der Anwendung erfolgen kann. Im Rahmen des Projektes wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für die Fertigung der Isolation von Statorsegmenten im Spritzguss geschaffen, bei dem zusätzlich die Sekundärisolation in einem Prozessschritt ohne weiteres Einlegen des Nutgrundpapieres realisiert werden kann. Es wurde ein Prozessfenster im Hinblick auf allgemeine Materialeigenschaften definiert. Zudem konnte eine Fertigungsroute beginnend mit dem Zuschnitte der Halbzeuge, über die Paketierung der Bleche bis hin zur Fertigung im Spritzguss erfolgreich etabliert werden. Die Prozessroute im Rahmen des Projektes wurde im Labormaßstab aufgebaut, ist aber für eine großserientaugliche Anwendung prinzipiell übertragbar. Die Ergebnisse im Rahmen des Projektes erlauben es, Anwendungen im Bereich der Elektromobilität neu um zu setzen und damit signifikant Verbesserungen hinsichtlich der Produkteigenschaften zu erreichen. Hierbei steht vor allem die gezielte Materialentwicklung im Fokus, mit der das Eigenschaftsspektrum gezielt auf die in der Anwendung vorherrschenden Bedingungen angepasst werden kann. Die entwickelte Prozessroute für die Fertigung der Isolation von Statoren auf Basis des Spritzgusses erlaubt es insbesondere klein- und mittelständischen Unternehmen Anwendungen wie Pumpen, Lüfter oder Getriebemotoren im Hinblick auf die neue Technologie zu realisieren und damit nicht nur die Produkteigenschaften, sondern auch die Wirtschaftlichkeit deutlich zu verbessern.
