Inhalt des SepeD-Projekts ist die Forschung im Bereich der permanentmagneterregten Synchronmaschinen und Produktionsabläufen und -Anlagen für die Serienfertigung von elektrischen Direktantrieben.
An der Hochschule Bochum wurden bereits mehrere Generationen von permanentmagneterregten Radnabenmotoren für den Einsatz in Serienfahrzeugen-Elektrofahrzeugen entwickelt. Aufbauend auf der entstandenen Konstruktion wurden Konzepte zur Serienproduktion erarbeitet. Im Fokus der Konzeptfindung steht die Durchführbarkeit in der Serienproduktion bei einer angenommenen Jahresproduktion von 50.000 Maschinen. Die angenommene Taktzeit beträgt fünf Minuten.

Die Maschine

Hocheffiziente permanentmagneterregte Synchronmaschinen weisen eine komplexe Bauweise auf mit schwer erreichbaren Wicklungen und einer hohen Zahl starker Permanentmagnete. Um die Serienproduktion von elektrischen Direktantrieben zu ermöglichen, muss bereits das Maschinendesign den Möglichkeiten der Produktionstechnik angepasst sein.

Der Produktionsprozess

Die maschinelle Serienproduktion von großen elektrischen Maschinen stellt besondere Herausforderungen an die Produktionsprozesse und Anlagen. Konstruktionsbedingt müssen orthozyklische Motorwicklungen mit hoher Präzision in engen Bauräumen eingebracht werden. Zudem stellt die Verarbeitung von hochmagnetischen Neodym-Materialien eine besondere Herausforderung dar, da die hohen magnetischen Kräfte den Fügeprozess nicht beeinflussen dürfen.

Bei der Betrachtung stehen drei Arbeitsschritte in besonderem Interesse. Für diese Prozesse werden konkrete Maschinen erarbeitet, welche in der Serienproduktion eingesetzt werden können.

• Magnethandling

Die Permanentmagnete werden in das Blechpaket des Rotors eingebracht und dort anschließend fixiert. Dieser Prozess gestaltet sich aufgrund des magnetischen Felds der einzelnen Magnete sehr problematisch.

• Produktion und Montage der Spulen

Bei dem betrachteten Motor kommen Formspulen zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um vorgefertigte Spulen welche erst nach dem Wickelprozess auf das Blechpaket des Stators aufgeschoben werden. Diese Spulen werden in einem automatisierten Wickelprozess produziert. Im Rahmen des Prozesses muss sichergestellt werden, dass die verhältnismäßig starre Litze eng und geordnet auf den Wicklungsträger gewickelt wird um einen hohen Füllfaktor der zu wickelnden Spule zu erreichen.

Nach der eigentlichen Produktion der Spulen werden diese auf den Stator aufgeschoben, gegen Lösen gesichert und anschließend verschaltet.

• Fügeprozess von Rotor und Stator

Der fertige mit Magneten bestückte Rotor wird bei der Endmontage über den Stator geschoben. Das sehr starke Magnetfeld in Kombination mit den großen Massen der einzelnen Komponenten gestaltet diesen Arbeitsschritt sehr herausfordernd.

Im Zuge des Projekts konnten Prozesse und Anlagen konstruiert werden, die die Serienfertigung der elektrischen Maschine ermöglichen und es wurden entsprechende QM Strategien erarbeitet, die den Produktionsprozess begleiten um Fehler bei der Vorbereitung von Komponenten frühzeitig zu erkennen.

Prinzip-skizze zur Validierung der Magnetmontage am fertigen Rotor

Das Konsortium des Verbundprojekts besteht aus:

• Institut für Elektromobilität, Hochschule Bochum, http://institut-elektromobilitaet.de/
• Institut für Fertigungstechnik, Universität Siegen, https://protech.mb.uni-siegen.de/uts/
• ThyssenKrupp Systems Engineering GmbH, https://www.thyssenkrupp-system-engineering.com/
• AS Drives & Services GmbH, https://as-drives.com/

Laufzeit: 03FH003PX3

Förderung: 10/2013 – 03/2016

Förderkennzeichen: FHProfUnt 2013 des BMBF

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Friedbert Pautzke, Dr.-Ing. Martin Hellwig