E-Car-Motoren perfekt gewickelt

Die Fertigung energieeffizienter E-Car-Motoren verlangt von Automobilherstellern und Zulieferern neue Technologien. Die Kooperation mit einem Maschinenhersteller, der die benötigten Fertigungstechnologien bereits beherrscht, beschleunigt den Hochlauf der Produktion entscheidend.
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Herausforderung

Statorfertigung – ein komplexer Prozess

Die Hauptschritte der Statorfertigung sind das Herstellen der Wicklung und das Einziehen der vorbereiteten Wicklung in den Stator-Grundkörper. Beim Wickeln kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, bis hin zur Hairpin-Stecktechnik, neuerdings auch das Flachdraht-Wellenwickeln. Je nach Anwendungsfall umfasst der vollständige Prozess auch das Aufbringen zusätzlicher Isolierungen vor dem Wickeln, das Applizieren von Deckstreifen, das Zwischen- und Endformen sowie Bandagieren der Wickelköpfe zur Statorfertigung.

Für viele Elektromotoren-Hersteller steht der Name Elmotec Statomat als Synonym für „ihre“ Lösung des komplexen und qualitätsentscheidenden Schritts der Fertigung,  der Herstellung von Statoren für energieeffiziente E-Motoren. Dabei profitieren die Anwender von innovativen Technologien nach Stand der Technik und von der Zuverlässigkeit mit jahrzehntelanger Erfahrung gebauter Maschinen. Allen von Elmotec Statomat realisierten Lösungen ist gemeinsam, dass sie individuell an die besonderen Anforderungen des jeweiligen Motorenherstellers angepasst sind.

Anna Sadiku, zuständig für Sales und Marketing, erläutert: „E-Car-Motoren müssen besonders kompakt und leicht sein, die Anforderungen an Wirkungsgrad und Energiedichte sind sehr hoch. Anders als bei der Herstellung von Industrie-Elektromotoren muss im Bereich E-Mobility für jeden einzelnen Stator die Nachverfolgbarkeit sämtlicher qualitätsrelevanter Materialien, Prozessparameter und Prüfergebnisse gewährleistet sein. Ein Stator ohne Qualitätsdaten ist Ausschuss! Er kann nicht zum Einbau freigegeben werden.“ Hinzu kommt, dass bei E-Car-Motoren auch mit deutlich kürzeren Produktionszeiträumen zu rechnen ist als bei Industriemotoren. Der Trend zur Elektromobilität verlangt deshalb flexible Fertigungsanlagen, damit sie möglichst einfach auf neue Statorkonstruktionen bzw. neue Konstruktionsvarianten umgestellt werden können.

 

Herausforderung Flachdraht

Mit höchsten Packungsdichten und Kupferfüllfaktoren unterstützen Flachdraht- bzw. Rechteckdraht-Statoren das Bemühen der Automobilhersteller, möglichst kompakte, energieeffiziente E-Car-Motoren zu bauen. Die Statorfertigung mit Rechteckdraht erfordert das Bewältigen erheblicher zusätzlicher technologischer Herausforderungen. 

Der Draht muss zuverlässig auf der vorgesehenen Seite zu liegen kommen – meist ist dies die breitere Seite seines Profils. Die Drahtführung sollte besonders schonend erfolgen, damit an den Ecken des Drahtprofils die Qualität der hier besonders exponierten Isolation nicht durch Abrieb oder Knick beeinträchtigt wird. Auch sind an den Stellen des Wickels, die im Betrieb mechanisch besonders beansprucht werden, zusätzliche Verstärkungen der Isolation an genau richtigen Positionen des Drahtes nötig, zum Beispiel mit Kapton-Band. Durch den wesentlich dichteren Aufbau eines Wickels aus Rechteckdraht sind auch die maximalen zulässigen Fertigungstoleranzen in jedem Prozessschritt weit enger als bei Runddraht.

Lösung

Vollautomatisches verdrall- und kreuzungsfreies Wickeln mit 20 Paralleldrähten

Die jüngste Statorwickelanlage von Elmotec Statomat wurde auf die Anforderungen der Automobilindustrie ausgerichtet. Die vollautomatisierte Anlage erlaubt das verdrallfreie und kreuzungsfreie Wickeln mit bis zu 20 parallel geführten Runddrähten.

Bernhard Schnell, Leiter der Elektrokonstruktion, erläutert, was diese Technologie für Maschinenbau und Elektrokonstruktion bedeutet: „Für maximale Wiederholgenauigkeit, vollständige Dokumentation des Prozesses und einfaches Umstellen auf neue Motorvarianten haben wir eine grundsätzliche Abkehr von mechanischen Kurvenscheiben, hydraulischen Positionierungen und letztlich auch von reinen SPS-Steuerungen vollzogen. Heute bauen wir die gesamte Steuerungs- und Antriebstechnik solcher Anlagen auf dem Motion-Control-System SIMOTION auf; das gilt übrigens inzwischen für 95 Prozent all unserer Applikationen. Selbst wenn im Einzelfall eine Bewegungsführung technisch nicht zwingend nötig ist, profitieren wir doch von der Hochsprachenfähigkeit des Systems und der Flexibilität der Servotechnik. Und – nicht zu vergessen – von den antriebsbasierten Sicherheitsfunktionen der zum Motion-Control-System gehörenden Antriebsregler SINAMICS S120. Das System aus SIMOTION-Steuerung und SINAMICS-Antrieben erleichtert und beschleunigt das Engineering entscheidend und reduziert den Invest.“ Die mit derart durchgängiger Systemtechnik erzielte Regelqualität und Wiederholgenauigkeit schlägt sich direkt in hoher Prozessqualität und Prozesssicherheit nieder.
 

Motion Control als Schlüsseltechnologie
Heute übernehmen im Motion-Control-System SIMOTION integrierte Technologiefunktionen komplexe Aufgaben. So zum Beispiel die Steuerung eines konstanten Drahtzugs beim Wickeln, wenn asymmetrisch aufgebaute Werkzeuge eine nichtzentrische Wickelachse haben. Um die alte Drahtzugregelung samt Drahtbremse abzulösen, genügt Elmotec Statomat heute prinzipiell die Momentenregelung in SIMOTION. Da aber auch der Wickler SIMOTION-gesteuert ist, kennt das System von vornherein zu jedem Zeitpunkt den aktuellen Drehwinkel des Werkzeugs. So ist heute eine vorausschauende und adaptive und sehr konstante Drahtzugregelung möglich – selbst bei stark oszillierender Abzugsgeschwindigkeit. Dadurch kann wiederum schneller gewickelt werden. Durchsatz und Qualität profitieren.

Wellenwickeltechnik mit Rechteckdraht
Für die Fertigung von E-Car-Statoren aus Rechteckdraht in Wellenwickeltechnik hat Elmotec Statomat eine Musterlösung entwickelt. Beim Wellenwickeln werden mehrere Drähte parallel auf das Schwert gewickelt, welches für jede Windung ein Stück weiterrückt. Der auf dem Wickelschwert aufgebaute Wickel wird auf ein Linearmagazin abgezogen und von hier in mehreren Lagen auf ein Rundmagazin übertragen. Dieses Rundmagazin wird samt der vorbereiteten Wicklung in den Stator-Grundkörper eingeführt und von innen aufgedehnt, so dass die Wicklungen exakt in die Nuten des Stators geschoben und hier verdichtet werden.

„Jeder einzelne dieser Prozessschritte verlangt extrem enge Toleranzen – wir bewegen uns hier im Bereich von Mikrometern“, verdeutlicht Burkhard Schnell. „Die einzelnen Windungen des Wickels müssen während der Fertigung ja mehrfach auf einen anderen Träger übernommen werden. Das gelingt nur, wenn im Prozessverlauf sämtliche Positionierungen maximal exakt und wiederholgenau erfolgen. Dabei darf der Draht nirgends verkanten oder reiben. Mit SIMOTION als Bewegungsführung können wir alle Prozessschritte mit der benötigten Genauigkeit realisieren und eine attraktive Performance bieten. Dabei werden alle qualitätsrelevanten Prozesskräfte überwacht, wofür auch die Daten der Antriebe ausgewertet werden. So können wir Fehlteile verhindern und das übergeordnete MES-System mit allen für den Qualitätsnachweis benötigten Daten versorgen.“

Mit SIMOTION als Bewegungsführung können wir alle Prozessschritte mit der benötigten Genauigkeit realisieren.
Burkhard Schnell, Leiter der Elektrokonstruktion bei Elmotec Statomat
Kundenvorteile

Partner für E-Mobility

Mit E-Car-Referenzanlagen für Runddraht und dem bereits als Prototyp realisierten Verfahren für Rechteckdraht hat sich Elmotec Statomat als logischer und bevorzugter Ansprechpartner für die E-Car-Statorfertigung positioniert.

Auch die Bedienung der Anlagen wurde weiterentwickelt. Dazu Burkhard Schnell: „Mit Blick auf E-Car-Applikationen haben wir unsere Anwendersoftware und die hauseigene Bedienoberfläche so erweitert, dass Anpassungen an neue Produkte heute vorwiegend durch Software- und Parameteränderungen erfolgen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass wir das gesamte Automatisierungskonzept einer Anlage auf einem homogenen Automatisierungssystem aus einer Hand aufbauen. Also so einfach wie möglich, ohne zusätzliche Schnittstellen und mit der von Siemens bekannten weltweit guten und langfristig gesicherten Versorgung mit Ersatzkomponenten und Serviceleistungen.“

Auf Elmotec-Statomat-Anlagen sind damit viele Anpassungen zwischen bestehenden und neuen Modelvarianten einer Motorfamilie bereits per Rezeptursteuerung möglich. Das kann direkt vom Einrichter erledigt werden, ohne dass ein Techniker oder Entwickler hinzugezogen werden muss. Ein echter Marktvorteil für die Akteure im Bereiche E-Mobility.

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