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Innovativer Fertigungsansatz reduziert Kosten und optimiert die Markteinführungszeit für die Elektrifizierung (von Comau)

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Hersteller, die in das Geschäft mit der Elektrifizierung einsteigen oder es ausbauen wollen, sehen sich oft mit dem Spagat zwischen wichtigen Produktionsanforderungen und den Unwägbarkeiten eines aufstrebenden Marktes konfrontiert, in dem sich die Best-Practice-Standards noch in der Entwicklung befinden.

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Um diese Herausforderungen zu meistern, denkt Comau die Montage von Elektromotoren und Getrieben neu, indem es die Designvalidierung, die Harzverifizierung, die Rotorvorbereitung/Wicklung und die Flexibilität der Fertigung mehrerer Modelle als Teil einer funktionalen, effizienten und vielseitigen Betriebsphilosophie vollständig integriert

von Ermanno Faccin, Head of Powertrain & Electrical Drive Unit - Assembly & Test, Comau

Gestützt auf bahnbrechende Kompetenzen in der Elektrifizierung und ein 360°-Verständnis der Automobilfertigung hat der italienische Automatisierungsführer einen strategischen und unkomplizierten Ansatz für die Rotor- und Statormontage entwickelt, der die Zykluszeiten optimiert, Probleme mit der Harzkompatibilität beseitigt und sich problemlos in bereits bestehende Produktionslinien integrieren lässt.

Die Methode beginnt mit einer vollständig integrierten Designphase. Oftmals im Simultaneous Engineering mit dem Kunden durchgeführt, betrachtet das Team die Leistungs- und Produktüberlegungen, bevor es die optimale Kombination von Prozessen und Technologien für die spezifische Art des Projekts identifiziert.

Gewickelte Rotoren

Betrachtet man die Entwicklung der Architektur von Elektromotoren, so haben viele Automobilhersteller in den letzten Jahren in Permanentmagnet-Rotoren und Hairpin-Statoren investiert. Gleichzeitig haben gewickelte Rotoren nach wie vor einen bedeutenden Marktanteil, sowohl aufgrund ihrer Leistung als auch weil die Kosten für die Umrüstung einer bestehenden Anlage oft deutlich geringer sind als die Investition in eine neue Anlage. Ein weiterer Vorteil des gewickelten Rotors ist seine Effizienz. Gewickelte Rotoren ermöglichen ein besseres Energiemanagement, da das Magnetfeld durch Elektronikmanagement moduliert werden kann, während der Permanentmagnetrotor (PM/IPM) ein festes Magnetfeld hat.

Spindel-Wicklung vs. Nadel-Wicklung

Beim Bau eines Schleifringläufers gibt es mehrere Prozessüberlegungen, die auf der Grundlage von Faktoren wie der Motorkonstruktion und den geplanten Produktionsmengen sorgfältig bewertet werden müssen. Einer der wichtigsten Entscheidungspunkte betrifft die Phasen der elektrischen Wicklung und der Imprägnierung, die sich direkt auf die Leistung und Lebensdauer des montierten E-Motors auswirken. Hier hängt die Wahl der Spindel-, Nadel- oder Flyer-Wicklung weitgehend vom Vergleich des Drahtführungsprozesses, der Wickelqualität und der Höhe und Breite der Rotorzähne ab.

01. Drahtführungsprozess

Der erste Unterschied liegt im Drahtführungsprozess. Bei der Spindelwicklung läuft der Draht direkt durch ein Führungsrohr in die Wickelkammer und auf die Außenflansche, die den Draht vor den Seitenzähnen schützen, bevor er zu den Lagenflanschen gelangt. Die direkte Natur dieses Prozesses bedeutet, dass der Drahtspanner bis zu 90 % der Drahtspannung verwalten kann.

Beim Nadelwickeln hingegen muss der Draht zunächst durch den Nadelkopf laufen, wo er um 90° gebogen wird. Anschließend gelangt er in das Drahtführungsrohr, wo er nach einer weiteren 90°-Biegung in die Wickelkammer gelangt. Da die Spannungsregelung durch den Nadelkopf versetzt ist, schafft der Spanner nur etwa 60 % der endgültigen Drahtspannung

02. Wickelqualität

Tatsächlich sind die Drahtspannung, der Drahtwinkel und das Verhältnis zwischen Höhe und Breite der Zähne drei Faktoren, die die Gleichmäßigkeit jeder Spulenlage bestimmen können. Beim Vergleich von Wickeltechnologien neigt die Spindelwicklung aufgrund ihres geradlinigen Vorschubprozesses zu einer gleichmäßigeren Drahtverteilung als die Nadelwicklung. Dies wird zusätzlich durch das gute Spannungsmanagement und die hohe Reaktivität des Spanners begünstigt. Da der nadelgewickelte Draht mit 90° aus der Drahtführung kommt und bereits unter Spannung steht, besteht eine größere Möglichkeit, dass die Wicklung konkav wird. Gleichzeitig ist der Tensioner nicht in der Lage, die endgültige Drahtspannung vollständig zu kontrollieren, und es besteht eine begrenzte Möglichkeit, den Draht während der verschiedenen Wickelphasen schnell zurückzuziehen. Diese Faktoren tragen zum Risiko einer konvexen Wicklung bei. Eine Erhöhung der Drahtspannung kann die Verzerrung reduzieren, erhöht aber auch den Ohmschen Endwert

03. Rotorverzahnung

Eine weitere Überlegung ist der mechanische Aufbau des Rotors. Spindel- und Nadeltechnologie erfordern leicht unterschiedliche Abstandsparameter, die in einigen Fällen eine der beiden Optionen bevorzugen oder ausschließen können. Bei der Spindelwicklung muss der Abstand zwischen den Zähnen sowohl den Lagenflansch als auch den Draht selbst aufnehmen (ca. 2,5 mm). Der Platzbedarf für die Nadelwicklung wird durch die Dicke des Drahtführungsrohrs bestimmt. Im Allgemeinen bedeutet dies, dass zwischen den Zähnen zwischen 1,4 mm und 3,6 mm Platz vorhanden ist

Die Erfahrung von Comau in der Elektrifizierung gibt uns die einzigartige Fähigkeit, effiziente, hochvolumige, automatisierte Montagelinien für den gesamten E-Motor-Montageprozess zu entwerfen. Dazu vergleichen wir verschiedene Techniken, analysieren die Leistungsanforderungen und integrieren verschiedene proprietäre Technologieplattformen in einen vollautomatischen Fertigungsprozess. Darüber hinaus harmonisieren wir als Single-Source-Anbieter die Zusammenarbeit zwischen Spezialisten, Technologieunternehmen und Systemintegratoren, um den gesamten Programm-Rollout zu optimieren. Das Endergebnis unseres Turn-Key-Engineering-Angebots ist die Gewissheit, dass die Produktion auf die effektivste Art und Weise durchgeführt werden kann, mit reduzierten Kosten, maximaler Produktivität und schnellerer Markteinführung.