Der Entwicklung und Fertigung eines leistungsgesteigerten Motors resp. Generators für Nutzfahrzeuge und Windkraftapplikationen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501326

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die erfolgreich eingesetzten „PKW-BRUSA-Elektromotoren“ haben sich in den letzten Jahren bei diversen OEM’s bewährt. Setzt man diese Komponenten sowohl im Nutzfahrzeugbereich wie auch im Windkraftbereich ein, stossen diese jedoch an ihre Grenzen, da eine erhöhte Dauerleistung gefordert wird. Durch den Einsatz von einer innovativen Einsteckwicklung können die aktuellen Motoren modifiziert werden um diesen Ansprüchen gerecht zu werden.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel "Elektrisches Kraftpaket mit hohem Wirkungsgrad" [PDF] 3'180 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Zugehörige Dokumente

• Article "Electric Power Package with High Efficiency" [PDF] 3'296 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Die Erfolgsfaktoren in der Automotive-Industrie sind Kosten, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Qualtiät bzw. Effizienz bei den Produktionsprozessen.

Die Formlitzen-Technologie bietet bei all diesen Faktoren ein sehr grosses Potential und hebt sich z.B.bei der Leistungsdichte und dem Wirkungsgrad ab von den bisher bekannten Wickeltechnologien wie Hairpin oder Einzugswickung.

Die Formlitzenwicklung kann die thermische Leitfähigkeit gegenüber einer Einzugswicklung deutlich verbessern und ermöglicht so höhere Dauerleistungen. Mit einem Versuchsaufbau zur Ermittlung der thermischen Leitfähigkeit konnte die Theorie bestätigt werden.

Zusätzlich kann mit der Formlitzenwicklung ein höherer Füllfaktor als mit der Einzugswicklung erreicht werden, was ebenfalls zu höheren Dauerleistungen führt. Der dadurch reduzierte Kupferwiderstand reduziert die Verluste in der Wicklung und erhöht damit wiederum den Wirkungsgrad.

Ein weiteres wichtiges Kriterium in der Automobilindustrie ist die Modularität. Mit der Verlängerung der bestehenden Maschine konnte das Anwendungsgebiet in Richtung Windkraft oder Nutzfahrzeuge erweitert werden. Die durchgeführten Simulationen und die theoretischen Betrachtungen haben sich bestätigt. Die Messungen am Windkraftprüfstand haben die Limiten und teilweise auch die Schwachstellen von PKW Motoren in anderen Anwendungsgebieten aufgezeigt. Die erhöhten Dauerleistungs- und Lebensdaueranforderungen müssen schon während der Entwicklung berücksichtigt und entsprechend abgesichert werden.

Beim Start dieses Projektes war der Komponentenverkauf z.B. auch im Nutzfahrzeugbereich noch Teil der Unternehmensstrategie. Durch die parallele oder serielle Beschaltung von Standard-Umrichter sollte das Anwendungsgebiet dieser Komponenten verbreitert werden. Durch die geänderte strategische
Ausrichtung wurden zu diesem Thema nur theoretische Betrachtungen durchgeführt, die mit entsprechenden Simulationen nachgewiesen wurden. Es wurden jedoch keine Prototypen aufgebaut, weil diese Komponenten zukünftig an Relevanz verlieren werden.

Die Einzugswicklung hat hinsichtlich Automatisierbarkeit, Reproduzierbarkeit und Taktzeit einige Schwächen. Mit den diversen Versuchsaufbauten und der Untersuchung aller relevanten Herstellungsprozesse der Formstabwicklung konnte nachgewiesen werden, dass die neue Technologie deutliche Vorteile gegenüber der bisherigen Wicklung aufweist. Im Zuge des Projekts konnten aber auch Schwachstellen identifiziert und mit neuen Ideen laufend verbessert und optimiert werden.

Durch die massiven Verbesserungen im thermischen Übergang von Kupfer zum Stator-Eisenpaket, können die Motoren mit Formlitzen mit deutlich höheren Dauerstromdichten betrieben werden. Da auch im Rotor nicht unerhebliche Verluste entstehen und das Problem mit den höheren Stromdichten im Stator sogar noch verschärft wird, wurden verschiedene aktive Rotorkühlkonzepte verglichen, um bei erhöhter Dauerleistung die Rotorentwärmung zu beherrschen. Parallel dazu wurden durch verschiedene Parameterstudien die Rotorverluste stark reduziert, was diese aktiven Rotorkühlungen
schlussendlich hinfällig machte.

Durch eine Auswahl und Umsetzung der geeignetsten Massnahmen konnten grosse Erfolge bezüglich Rotorverluste erzielt werden, so dass auf eine aktive Rotorkühlung verzichtet werden konnte, welche ansonsten nötig gewesen wäre, um die Dauerleistung zu erhöhen ohne dass der Rotor seine Grenztemperaturen überschreiten würde. Die Untersuchungen können allerdings für zukünftige Entwicklungen verwendet werden, weil weitere Verbesserungen im Stator dann zwangsläufig in eine Rotorkühlung münden.

Durch die neuartige, innovative und sehr vielversprechende Verbindungstechnik wurde aufgezeigt, dass der Wickelkopf deutlich verkürzt und damit die Leistungsdichte weiter erhöht werden kann. 

Es wurden Versuchsmotoren mit der neuen Wickeltechnologie aufgebaut und es konnte aufgezeigt werden, dass die erarbeitete Theorie auch mit der Realität übereinstimmt. Die erwartete maximale Dauerleistung einer HSM1-10.18.11 von 110kW wurde mit 114kW sogar überboten. Weitere Optimierungen haben aufgezeigt, dass noch weiteres Potential vorhanden ist.

Mit dem Vergleich von konventionell gewickelten Motoren und Formlitzen-Maschine älterer Generation, kann die stetige Verbesserung und das grosse Potential noch einmal eindrücklich herausgestrichen werden.

Im wirtschaftlichen Kurzvergleich werden die eingangs beschriebenen Erfolgskriterien nachgewiesen. Die Reduktion der Materialkosten konnte anschaulich dargestellt werden. Ein Elektrofahrzeug muss als System verstanden werden und so wirkt sich z.B. ein erhöhter Wirkungsgrad einer Einzelkomponente wie der Motor auch auf die Batteriegrösse oder Reichweite aus.

Schlussbericht (Englisch)

The success factors in the automotive industry are cost, power density, efficiency and quality or efficiency in the production processes.

Formed strand technology offers great potential for all these factors and stands out from the previously known winding technologies such as hairpin or draw-in winding, for example in terms of power density and efficiency.

The shaped strand winding can significantly improve thermal conductivity compared to a pull-in winding, thus enabling higher continuous power ratings. The theory was confirmed with an experimental setup to determine the thermal conductivity.

In addition, a higher fill factor can be achieved with the molded strand winding than with the pull-in winding, which also leads to higher continuous powers. The resulting reduction in copper resistance reduces losses in the winding, which in turn increases efficiency.

Another important criterion in the automotive industry is modularity. By extending the existing machine, the field of application could be extended in the direction of wind power or commercial vehicles. The simulations carried out and the theoretical considerations were confirmed. The measurements on the wind power test bench have revealed the limits and, in some cases, the weak points of passenger car engines in other areas of application. The increased continuous performance and service life requirements must be taken into account and appropriately safeguarded during development.

At the start of this project, component sales were still part of the corporate strategy, e.g. also in the commercial vehicle sector. The parallel or serial connection of standard inverters was intended to broaden the range of applications for these components. Due to the changed strategic orientation, only theoretical considerations were carried out on this topic, which were proven with corresponding simulations. However, no prototypes were built because these components will lose relevance in the future.

Infeed winding has some weaknesses in terms of automation, reproducibility and cycle time. With the various test setups and the investigation of all relevant manufacturing processes for mold rod winding, it was possible to demonstrate that the new technology has clear advantages over the previous winding. In the course of the project, however, it was also possible to identify weak points and continuously improve and optimize them with new ideas.

Thanks to massive improvements in the thermal transition from copper to the stator iron core, the motors with shaped strands can be operated with significantly higher continuous current densities. Since not inconsiderable losses also occur in the rotor and the problem with the higher current densities
in the stator is even exacerbated, various active rotor cooling concepts were compared in order to control rotor deheating at increased continuous power. In parallel, rotor losses were greatly reduced by various parameter studies, which ultimately made these active rotor cooling systems obsolete.

By selecting and implementing the most suitable measures, great success was achieved in terms of rotor losses, so that active rotor cooling could be dispensed with, which would otherwise have been necessary in order to increase the continuous power without the rotor exceeding its limit temperatures. However, the investigations can be used for future developments, because further improvements in the stator will then inevitably lead to rotor cooling.

The novel, innovative and very promising connection technology demonstrated that the winding head can be significantly shortened, thus further increasing the power density. 

Test motors were built using the new winding technology and it was possible to show that the theory developed also corresponds to reality. The expected maximum continuous power of an HSM1-10.18.11 of 110kW was even exceeded with 114kW. Further optimizations have shown that there is still further potential.

With the comparison of conventionally wound motors and older-generation molded strand machines, the continuous improvement and the great potential can once again be impressively highlighted.

In the short economic comparison, the success criteria described at the beginning are demonstrated. The reduction in material costs was clearly demonstrated. An electric vehicle must be understood as a system and so, for example, an increased efficiency of an individual component such as the motor also has an effect on the battery size or range.

Schlussbericht (Französisch)

Les facteurs de succès dans l'industrie automobile sont les coûts, la densité de puissance, le rendement et la qualité ou l'efficacité des processus de production.

La technologie des fils de litz offre un très grand potentiel pour tous ces facteurs et se distingue, par exemple, des technologies de bobinage connues jusqu'à présent, comme le bobinage par enroulement ou le bobinage par insertion, en ce qui concerne la densité de puissance et le rendement.

L'enroulement à torons moulés peut améliorer considérablement la conductivité thermique par rapport à un enroulement par tirage et permet ainsi d'obtenir des puissances continues plus élevées. Un montage expérimental destiné à déterminer la conductivité thermique a permis de confirmer la théorie.

De plus, l'enroulement toronné permet d'obtenir un facteur de remplissage plus élevé qu'avec l'enroulement simple, ce qui conduit également à des puissances continues plus élevées. La résistance du cuivre ainsi réduite diminue les pertes dans l'enroulement et augmente donc à son tour le rendement.

Un autre critère important dans l'industrie automobile est la modularité. L'extension de la machine existante a permis d'élargir le champ d'application en direction de l'énergie éolienne ou des véhicules utilitaires. Les simulations effectuées et les considérations théoriques ont été confirmées. Les mesures effectuées sur le banc d'essai pour éoliennes ont mis en évidence les limites et parfois les points faibles des moteurs de voitures particulières dans d'autres domaines d'application. Les exigences accrues en matière de puissance continue et de durée de vie doivent être prises en compte dès la phase de développement et garanties en conséquence.

Lors du lancement de ce projet, la vente de composants, par exemple aussi dans le domaine des véhicules utilitaires, faisait encore partie de la stratégie de l'entreprise. Le câblage en parallèle ou en série de convertisseurs standard devait permettre d'élargir le champ d'application de ces composants. En raison du changement de stratégie, les orientation, seules des considérations théoriques ont été menées sur ce thème, qui ont été démontrées par des simulations correspondantes. Aucun prototype n'a toutefois été construit, car ces composants perdront de leur pertinence à l'avenir.

Le bobinage d'alimentation présente quelques faiblesses en termes d'automatisabilité, de reproductibilité et de temps de cycle. Les divers montages expérimentaux et l'étude de tous les processus de fabrication pertinents de l'enroulement de la barre de forme ont permis de démontrer que la nouvelle technologie présente des avantages significatifs par rapport à l'enroulement actuel. Mais le projet a également permis d'identifier les points faibles et de les améliorer et de les optimiser en permanence grâce à de nouvelles idées.

Grâce aux améliorations massives apportées à la transition thermique entre le cuivre et le paquet de fer du stator, les moteurs à torons moulés peuvent fonctionner avec des densités de courant permanent nettement plus élevées. Étant donné que des pertes non négligeables se produisent également dans le rotor et que le problème des densités de courant plus élevées est encore accru dans le stator est même aggravée, différents concepts de refroidissement actif du rotor ont été comparés afin de maîtriser l'échauffement du rotor en cas d'augmentation de la puissance continue. Parallèlement, différentes études paramétriques ont permis de réduire fortement les pertes du rotor, ce qui a rendu ces systèmes de refroidissement actif du rotor obsolètes.

La sélection et la mise en œuvre des mesures les plus appropriées ont permis d'obtenir de grands succès en matière de pertes rotoriques, si bien qu'il a été possible de renoncer à un refroidissement actif du rotor, qui aurait autrement été nécessaire pour augmenter la puissance continue sans que le rotor ne dépasse ses températures maximales. Ces études peuvent toutefois être utilisées pour des développements futurs, car d'autres améliorations du stator déboucheront alors inévitablement sur un refroidissement du rotor.

Grâce à la nouvelle technique de connexion innovante et très prometteuse, il a été démontré que la tête de bobinage pouvait être nettement raccourcie, ce qui permet d'augmenter encore la densité de puissance. 

Des moteurs d'essai ont été construits avec la nouvelle technologie de bobinage et il a pu être démontré que la théorie élaborée correspondait également à la réalité. La puissance continue maximale attendue d'un HSM1-10.18.11 de 110kW a même été dépassée avec 114kW. D'autres optimisations ont montré qu'il existe encore un potentiel supplémentaire.

La comparaison entre les moteurs à bobinage conventionnel et les machines à torons de forme de l'ancienne génération permet de souligner une fois de plus de manière impressionnante l'amélioration constante et le grand potentiel.

La brève comparaison économique met en évidence les critères de réussite décrits au début. La réduction des coûts de matériel a pu être clairement illustrée. Un véhicule électrique doit être considéré comme un système et l'augmentation du rendement d'un composant individuel tel que le moteur se répercute par exemple sur la taille de la batterie ou l'autonomie.