Weniger Gewicht, reduzierte Betriebstemperatur und niedrigere Rohstoffkosten
Forscher des Fraunhofer IFAM haben eine Gießtechnik entwickelt, mit der leichte Aluminiumwicklungen mit einem höheren Nutfüllfaktor als Ersatz für Kupferwicklungen in Elektromotoren verwendet werden können. In einer Studie fanden sie heraus, dass die Aluminiumspulen die kontinuierliche Leistung der elektrischen Maschinen im Vergleich zu den Kupferwicklungen erhöhen, die Betriebstemperatur reduzieren und gleichzeitig Gewicht und Rohstoffkosten sparen.
Nachdem Aluminiumspulen in den letzten Jahren bereits erfolgreich im Präzisionsguss hergestellt wurden, war dies ein naheliegendes Ziel für die Abteilung Gießereitechnik und Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Werkstoffe. IFAM produziert auch die Spulen für die Serienproduktion im Druckguss.
Gussspulen zeichnen sich durch eine Flachleiteranordnung aus, die zu einem höheren Schlitzfüllfaktor und damit zu einer besseren Ausnutzung des verfügbaren Einbauraums führt.
Obwohl die Aluminiumgussspulen einen höheren elektrischen Widerstand im Vergleich zu den gewickelten Kupferspulen aufweisen, führt der größere Querschnitt zu einem geringeren Widerstand in Bezug auf die gesamte Spule.
Durch die bessere Anbindung an den laminierten Kern und eine günstigere Ausnutzung des Einbauraums ergibt sich ein wesentlich besseres thermisches und elektromagnetisches Verhalten. Aus diesem Grund ist es möglich, gewickelte Kupferspulen durch Aluminiumgussspulen zu ersetzen, um die Leistung zu verbessern und die Materialkosten zu senken.
Um dies im direkten Vergleich zu zeigen, setzte das Fraunhofer-Team 250W kommerzielle Pedelec-Motoren ein. Auf einer Bank wurden umgebaute Motoren mit unterschiedlichen Laminatkernen und Spulenkombinationen getestet.
Zu den Ergebnissen mit den Aluminiumwicklungen gehören:
- Der Nutfüllfaktor konnte von 32 auf 60% erhöht werden.
- Gleichzeitig wurde eine Gewichtsersparnis von 10 % erreicht.
- Drehmoment um 30% erhöht.
- Aufgrund des besseren thermischen Verhaltens der Spulen stieg die Dauerleistung bei Betriebstemperatur um fast 20%.
Die Aluminiumspule kann die resultierende Wärme besser an den laminierten Kern und damit an die Umwelt liefern. Dies führt zu einer verbesserten Dauerleistung, da die Spulen nur bei höheren Strömen die zulässige Dauerbetriebstemperatur erreichen.
Noch vorteilhafter waren die Messergebnisse für einen laminierten Kern, der auf den Gussspulen in einem anderen modifizierten Pedelecmotor optimiert wurde. Bei geringerem Gewicht stieg das Drehmoment um fast 80 % und die Dauerleistung um 25 % im Vergleich zum ursprünglichen Motor. Designänderungen können die Leistung von Aluminium-Spulenmotoren weiter steigern.
