Prozessgeregelte Formgebung von Hairpin-Steckspulen für elektrische Traktionsmotoren

Die Dekarbonisierung des Verkehrssektors stellt einen zentralen Baustein der globalen Klimaschutzstrategien zur Umsetzung des 2015 geschlossenen „Übereinkommen von Paris“ dar. Die Leistung und Effizienz von elektrifizierten Antriebssystemen werden maßgeblich durch den elektrischen Traktionsmotor bestimmt. Um den produkt- und produktionsspezifischen Anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden, müssen innovative Technologien zur Fertigung von hochwertigen Statorwicklungen entwickelt und für den industriellen Einsatz befähigt werden. Eine für die Fertigung der verteilten Wicklungen drehmomentstarker Synchronmaschinen geeignete Prozesskette wird durch die Hairpin-Technologie beschrieben. ... mehrDer Innovationsgrad der auch als Steckwicklung bekannten Hairpin-Wicklung basiert auf der Substitution von biegeschlaffen Runddrähten durch massive Flachdrähte; die Prozesskette umfasst im Kern vier Prozessschritte: die Formgebung von Hairpin-Steckspulen, das Setzen und axiale Einbringen von Hairpin-Körben in das Statorblechpaket sowie das Verschränken und Kontaktieren der offenen Spulenenden. Trotz der erfolgreichen Anwendung in der Produktion von Startergeneratoren gehen mit der Komplexität elektrischer Traktionsmotoren, den Wechselwirkungen der Prozessschritte und dem Innovationsgrad der eingesetzten Fertigungs- und Montageprozesse noch immer Herausforderungen hinsichtlich der Robustheit der Prozesskette gegenüber material- und maschinenspezifischen Störgrößen einher.

Da die Formgebung der Hairpin-Steckspulen aus Kupferflachdraht einen wesentlichen Einfluss auf die nachgelagerten Prozessschritte aufweist, werden in der vorliegenden Dissertation spezifische Methoden zur Analyse, Modellierung und modellbasierten Regelung von sequenziellen werkzeuggebundenen Biegeprozessen eingeführt. Darüber hinaus werden in numerischen Sensitivitätsstudien material- und maschinenspezifische Einflussgrößen auf den Biegeprozess analysiert sowie Wirkbeziehungen zwischen produktseitigen Qualitätsmerkmalen und prozessseitigen Steuergrößen identifiziert. Auf Grundlage der experimentell validierten Methodik zur modellbasierten Prozessregelung kann die Robustheit von sequenziellen werkzeuggebundenen Biegeprozessen zur Formgebung von Hairpin-Steckspulen gesteigert werden. Weiterhin wird eine signifikante Verkürzung der für eine iterative Prozessoptimierung notwendigen Inbetriebnahmezeiten ermöglicht. Hierdurch können sowohl Zeit und Kosten im entwicklungsbegleitenden Prototypenbau sowie dem Produktionsanlauf verringert als auch fertigungsbedingter Ausschuss und aus Formgebungsfehlern resultierende Stillstandszeiten in der Serienproduktion minimiert werden.

The decarbonization of the transportation sector is an essential element of the global strategies to achieve the climate goals of the “Paris Agreement”, negotiated in 2015. The performance and efficiency of electrified drive systems are mainly determined by the electric traction motor. In order to meet the product- and production-specific requirements of the automotive industry, innovative technologies for the manufacturing of high-quality stator windings must be developed and enabled for industrial use. The hairpin technology is a process chain which is particularly suitable for manufacturing distributed windings of high-torque synchronous machines. ... mehrThe novelty of hairpin windings is principally based on the substitution of limp round wires by solid rectangular wires with a large cross-sectional area; the process chain consists of four main process steps: the forming of hairpin coils, the composing and axial inserting of hairpin baskets into the insulated stator lamination stack, as well as the twisting and contacting of the open coil endings. Although the manufacturing technology has already been successfully applied to the high-volume production of starter generators, the increased complexity of electric traction motors, the numerous interdependencies of the process steps, and the high degree of innovation in the manufacturing and assembly processes pose challenges with regard to the robustness of the processes against material- and machine-specific disturbances.

Since the forming of the hairpin coils has a significant influence on the downstream process steps, this dissertation introduces specific methods for the analysis, the modeling and the model-based closed-loop control of sequential tool-bound bending processes. In addition, numerical sensitivity studies are conducted to analyze the effect of material- and machine-specific influencing variables on the bending process. Furthermore, interdependencies between product-specific quality characteristics and process variables are identified. Based on the validated methodology for model-based closed-loop control, the robustness of sequential tool-bound bending processes for hairpin coils can be increased. Moreover, iterative optimization cycles of the data-based process variables can be significantly accelerated. Therefore, time and costs can be reduced during the periods of product development and production ramp-up, as well as scrap and downtimes due to geometric defects of hairpin coils can be minimized in high-volume production.