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19.12.2019
erschienen in GIESSEREI Heft 1|2020

Druckgegossene Aluminiumspulen für Elektromotoren

Im Druckgießverfahren hergestellte Aluminiumspule mit sieben Windungen und einer Leiterhöhe von ca. 1,5 Millimetern.

FOTO: FRAUNHOFER IFAM

> FRAUNHOFER IFAM: Forscher des Fraunhofer IFAM in Bremen haben ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leichte Wicklungen aus Aluminium und höherem Nutfüllfaktor gefertigt werden können. Damit steht nun eine Alternative für teure Kupferwicklungen in Elektromotoren zur Verfügung.

In einer Studie konnte nun darüber hinaus nachgewiesen werden, dass Aluminiumspulen im Vergleich zu Kupferwicklungen die Dauerleistung elektrischer Maschinen steigern, die Betriebstemperatur verringern und gleichzeitig Gewicht und Rohstoffkosten einsparen. Nachdem es in den letzten Jahren bereits gelungen war, Aluminiumspulen im Feingießverfahren zu fertigen, war es ein naheliegendes Ziel der Abteilung Gießereitechnologie und Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM die Spulen für die Serienfertigung auch im Druckgießverfahren herzustellen.Gegossene Spulen zeichnen sich durch eine flache Leiteranordnung aus, die zu einem höheren Nutfüllfaktor und so zu einer besseren Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums führt.

Obwohl die gegossenen Aluminiumspulen gegenüber den gewickelten Spulen aus Kupfer einen auf das Material bezogenen höheren elektrischen Widerstand haben, ergibt sich durch den größeren Querschnitt bezogen auf die gesamte Spule ein geringer Widerstand. Durch die bessere Anbindung an das Blechpaket und günstigere Ausnutzung des Bauraums resultiert ein deutlich besseres thermisches und elektromagnetisches Verhalten. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit gewickelte Kupferspulen durch gegossene Aluminiumspulen bei verbesserter Performance und geringeren Materialkosten zu ersetzen.

Damit der Nachweis im direkten Vergleich gelingt, wurden für die Studie handelsübliche Pedelec-Motoren mit 250 Watt eingesetzt. Die umgebauten Motoren mit unterschiedlichen Blechpaketen und Spulen-Kombinationen wurden anschließend auf einem Prüfstand getestet. Der Nutfüllfaktor wurde konnte dabei von 32 auf 60 Prozent erhöht werden. Gleichzeitig ergab sich eine Gewichtsersparnis von 10 Prozent. Das Drehmoment stieg um 30 Prozent. Aufgrund des besseren thermischen Verhaltens der Spulen erhöhte sich die Dauerleistung bei Betriebstemperatur um fast 20 Prozent.

Die Aluminiumspule kann die entstehende Wärme besser an das Blechpaket und damit an die Umgebung abgeben. Daraus entsteht eine verbesserte Dauerleistung, da die Spulen erst bei höheren Strömen die zulässige Dauerbetriebstemperatur erreichen. Bei einem weiteren modizifizierten Pedelec-Motor wurden sogar noch bessere Messergebnisse erreicht.

www.ifam.fraunhofer.de