Forscher haben eine Aluminiumwicklung im Lost Foam-Gießverfahren für Großmotoren entwickelt. Die Aluminiumspule wurde für einen Bahnantrieb getestet. Sie soll ein technisch besserer Ersatz für die ursprünglich eingesetzten Kupferspulen sein.
Die Anforderungen an die Wicklungen elektrischer Maschinen sind vielfältig. Neben einem hohen Füllfaktor zur Minimierung des Leiterwiderstands müssen auch eine ausreichende Kühlung und die Reduzierung frequenzabhängiger Zusatzverluste gewährleistet sein. Gleichzeitig sollte der Herstellungsprozess so flexibel und kostengünstig wie möglich sein. Am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM wurde daher ein Verfahren zur gießtechnischen Herstellung von Spulen entwickelt, mit dem Vorteile gegenüber allen bekannten Wickeltechniken erzielt werden.
Bei konventionell gewickelten Spulen wird im Durchschnitt ein Nutfüllfaktor von etwa 50 % erreicht. Die weitgehend frei gestaltbare Leitergeometrie in der Gießtechnik ermöglicht die Realisierung von Füllfaktoren über 90 %.
Als Gießverfahren wird das Feingussverfahren oder das Lost-Foam-Verfahren eingesetzt. Um die Einbringung des Formmaterials beziehungsweise des Formstoffes zu ermöglichen, wird die dargestellte Leitergeometrie gestreckt und mit einem Angusssystem versehen. Die Streckung der Spule ermöglicht auch das anschließende Aufbringen einer Isolationsbeschichtung, wobei verschiedene Verfahren eingesetzt werden können, je nachdem, wie die Anforderungen an Spannungsfestigkeit, Schichtdicke und Temperaturbeständigkeit aussehen. Leiterquerschnitte von etgwa 4 mm² bis hin zu mehreren 100 mm² lassen sich damit realisieren. Die in der konventionellen Wickeltechnik zwangsläufig einzuhaltenden Biegeradien entfallen dabei vollständig.
Durch die Verwendung des Aluminiums konnten die Rohstoffkosten gegenüber Kupferspulen von etwa 52 Euro um über 85 % auf 6 Euro pro Spule gesenkt werden. Trotz der geringeren spezifischen elektrischen Leitfähigkeiten ist der elektrische Widerstand der Aluminiumspule infolge des erhöhten Nutfüllfaktors nicht höher als bei der Kupferspule.
Die gießtechnische Herstellung ermöglicht es, die Kupferspule durch eine elektrisch äquivalente Aluminiumwicklung zu ersetzen und dabei Rohstoffkosten, Gewicht und Verluste einzusparen. „Die durch die Gießtechnik erzielte Verbesserung der Kühlleistung hat unsere Erwartungen übertroffen“, so der Entwicklungsingenieur Michael Jakob von den Lloyd Dynamowerken in Bremen, mit denen das IFAM zusammengearbeitet hat. „Wir sehen in dieser Technologie mit ihren gestalterischen Freiheiten auch das Potenzial, in zukünftigen Anwendungen Wirkungsgrad und Leistungsdichte elektrischer Maschinen zu steigern“ ergänzt Jakob.
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