Mit dem aktuell und zukünftig steigenden Bedarf an Elektromotoren werden Fragestellungen zu deren ressourcenschonenden Herstellung und auch effizienteren Betrieb immer zentraler. Eine wichtige Stellgröße ist dabei die Vergrößerung des sogenannten Nutfüllfaktors. Zum einen können dadurch Maschinen kleiner dimensioniert oder bei gleicher Baugröße leistungsfähiger werden. Verschiedene
Fertigungsmethoden können zur Herstellung von Spulen mit hohen Nutfüllfaktoren zur Anwendung kommen, bergen jedoch verschiedene Nachteile wie geringe Produktivität, hohen Energie- und Ressourcenbedarf sowie Einschränkungen in der geometrischen Gestaltungsfreiheit der Einzelwindungen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette zur umformtechnischen Herstellung von Spulen mit trapezförmiger Querschnittsgeometrie im Nutbereich entwickelt und analysiert. Ausgehend vom Stand der Technik und Wissenschaft werden die für die Funktion der Spule notwendigen Randbedingungen herausgestellt und verschiedene Herstellungsvarianten abgeleitet und bewertet. Nach Auswahl der Vorzugsvariante werden die Einzelprozessschritte durch FE-Umformsimulationen abgebildet und charakterisiert. Die Erkenntnisse fließen in die Konstruktion und Modifikation von Werkzeugen ein, mit welchen im Anschluss experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. Mit der Herstellung von Demonstratorspulen jeweils aus Kupfer und Aluminium werden die Umsetzbarkeit der entwickelten Prozesskette belegt und Gestaltungshinweise für Prozess und Werkzeuge abgeleitet.:Abbildungsverzeichnis IX
Formelverzeichnis XIX
Abkürzungsverzeichnis XXIII
Tabellenverzeichnis XXV
1 Einführung und Motivation 1
2 Stand der Technik 5
2.1 Begriffe zur Spulentechnik 5
2.1.1 Allgemeine Erläuterungen zum Aufbau elektrischer Spulen 5
2.1.2 Elektrotechnische Kenngrößen 8
2.1.3 Nutfüllfaktor 11
2.1.4 Stromverdrängung und Wechselstromverluste 15
2.1.5 Restriktionen für den Statoraufbau 19
2.2 Relevante Herstellungsverfahren für Elektrospulen 23
2.2.1 Urformen 24
2.2.2 Umformen 26
2.2.3 Trennen 34
2.2.4 Fügen 35
2.2.5 Beschichten 39
2.2.6 Bewertung der Fertigungsverfahren und Fazit 40
2.3 Umformtechnische Prozessvarianten zur Erhöhung des Nutfüllfaktors 42
2.3.1 Grundlegendes 42
2.3.2 Verdichtung vorgewickelter Spulen 42
2.3.3 Formgebung von Einzeldrähten mit anschließender Wicklungserzeugung 51
2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik 59
3 Zielsetzung 61
4 Geometrisch-technologische Auslegungssystematik 63
4.1 Notwendige Herstellungsschritte 63
4.2 Mögliche Prozessketten und Auswahl einer Vorzugsvariante 64
4.3 Auslegung der Spulengeometrie via CoilCalculator 66
4.4 Geometrische Analyse ausgewählter Herstellungsschritte 71
4.5 Werkstoffphysikalische Einordnung 78
5 Numerische Simulation und Anpassung der Fertigungsfolge 83
5.1 Werkstoffcharakterisierung 83
5.2 FE-Analyse der gewählten Prozesskette 89
5.2.1 Sequenzielles Pressen 89
5.2.2 Biegen 101
5.2.3 Kalibrieren des Wicklungskopfes 106
5.3 Zwischenfazit der Simulationsergebnisse 120
6 Experimentelle Untersuchungen 123
6.1 Vorversuche 123
6.2 Sequenzielles Pressen 127
6.3 Biegen 139
6.4 Kalibrieren des Wicklungskopfes 143
6.5 Zwischenfazit der experimentellen Untersuchungen 150
7 Zusammenfassung und Ausblick 153
Literaturverzeichnis 157
Anlagenverzeichnis 173
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87954 |
| Date | 10 November 2023 |
| Creators | Bach, Mirko |
| Contributors | Kräusel, Verena, Lachmann, Lutz, Dix, Martin, Technische Universität Chemnitz |
| Publisher | Wissenschaftliche Scripten |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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