Kompaktwickelprozess zur Erhöhung der Performance von Statoren elektrischer Traktionsantriebe

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung des Kompaktwickelprozesses zum Gegenstand, der der Herstellung und gleichzeitigen Steigerung der Performance elektrischer Traktionsmaschinen dient. Zunächst werden sowohl der Stand der Technik für Traktionsantriebe (Produkt) als auch die dazugehörige Wickeltechnik (Produktionstechnik) analysiert. Das Ergebnis dieser Analyse ist, dass eine Kombination aus der Hairpintechnologie und der herkömmlichen Runddrahtwickeltechnik Vorteile für Traktionsantriebe erbringen kann, diese aber noch nicht ausreichend erforscht ist. Zu diesem Zweck wird der Kompaktwickelprozess eingeführt, der sich durch die drei folgenden Merkmale des geordneten Lagenaufbaus, der kompaktierten Wicklung und einen flexiblen Wickelkopf auszeichnet. ... mehrDer geordnete Lagenaufbau ist eine wichtige Voraussetzung zur Kompaktierung der Wicklung, um die durch das Verpressen von Drahtkreuzungen erzeugten Einschnürungen von Drähten zu verhindern. Die Kompaktierung der Wicklung führt zu einem erhöhten Kupferfüllfaktor und einer Steigerung der Wärmeleitfähigkeit. Die flexiblen Wickelköpfe ermöglichen die Reduktion von Verlusten, die durch das elektromagnetische Nutstreufeld ausgelöst werden. In der Analyse und der Entwicklung der Prozessschritte werden durch numerische Simulationen sowie durch experimentelle Versuchsreihen die Prozesskenngrößen der Wicklungsherstellung erforscht. Im Anschluss werden zwei Ansätze des Kompaktwickelprozesses entwickelt. Der sequenzielle Kompaktwickelprozess, bestehend aus dem Schablonenwickler, dem Kompaktierwerkzeug und dem Versuchsstand, dient der Untersuchung der Kompaktwicklung im Forschungsumfeld. Der integrale Kompaktwickelprozess wurde konzeptionell erarbeitet und besteht aus dem Wickelschwert sowie der Einbringvorrichtung. Die Herstellung der Wicklung konnte prototypisch mit einer Universalwickelmaschine nachgewiesen werden. Die Wirtschaftlichkeit beider Ansätze wurde durch die aufgenommenen Fertigungszeiten bewertet. Auf diesem Weg konnte nachgewiesen werden, dass der integrale Kompaktwickelprozess zur Fertigung von Statoren bei kleinen bis mittleren Stückzahlen pro Jahr grundsätzlich konkurrenzfähig sein kann. Weiterhin wurde durch simulative und experimentelle Untersuchungen der Kompaktwicklung festgestellt, dass diese im Vergleich zur Hairpinwicklung deutlich geringere Wechselstromverluste bei hohen Drehzahlen aufweist. Die thermische Leitfähigkeit der Kompaktwicklung wurde analytisch, numerisch und experimentell bestimmt und zwischen den Runddraht- und Hairpinwicklungen eingeordnet.

The present work addresses the development of the compact winding process, which is used for the production and, simultaneously, the increase of the performance of electric traction drives. At the beginning of the work, both, the state of the art for traction drives (product) as well as the associated winding technology (production technology) are analyzed. The result of this analysis is that a combination of hairpin technology and conventional round wire winding technology can provide advantages for traction drives, but this has not yet been sufficiently investigated. For this purpose, the compact winding process is introduced, which is characterized by the following three features of ordered layer structure, compacted winding and a flexible winding head. ... mehrThe ordered layer structure is an important requirement for compacting the winding in order to prevent wire necking induced by crimping wire crossings. The compacting of the winding leads to an increased copper fill factor and an improvement in thermal conductivity. The flexible winding heads enable the reduction of losses caused by the electromagnetic groove stray field. In the analysis and development of the process steps, numerical simulations as well as experimental test series are used to investigate the process parameters of the winding production. Subsequently, two concepts for the compact winding process are developed. The sequential compact winding process, consisting of the stencil winder, the compacting tool and the test stand, is used to investigate compact winding in a research environment. The integral compact winding process was developed conceptually and consists of the winding sword and the insertion device. The production of the winding could be demonstrated prototypically with a universal winding machine. The economic efficiency of both approaches was evaluated by the recorded production times. This way, it was possible to demonstrate that for the production of stators the integral compact winding process can be competitive for small to medium quantities per year. Furthermore, a simulative and experimental evaluation of the compact winding revealed that it has significantly lower AC losses at high rotation speeds than the hairpin winding. The thermal conductivity of the compact winding was determined analytically, numerically and experimentally, and classified between the round wire and hairpin windings.