Elektromotoren im Fahrzeug sind auf dem Vormarsch und dementsprechend müssen Produktionslinien auf die neuen Anforderungen der Automobilindustrie eingestellt werden. Sollen dabei die Herstellungskosten möglichst gering gehalten werden, ist ein hoher Automatisierungsgrad bei der Fertigung notwendig. Hinzu kommt, dass es verschiedene Ausführungsvarianten mit unterschiedlichen Leistungsklassen wie den 48 V-Generator für das Bordnetz oder 400V-Motoren für Direkt- sowie Hybridantrieb oder aber auch die größeren 800 V-Motoren gibt.
Um diese in Großserie herstellen zu können, werden agile Anlagen benötigt, die je nach Bauteilgröße und Komponentenart ohne zusätzliche Maschinen oder lange Umrüstzeiten auf einer Linie fertigen können. Doch bisher fehlt es an Produktionsmaschinen, die bei zentralen Komponenten des Elektromotors bauteilunabhängig operieren können. Daher haben sich die Experten für hochflexible Fertigungslinien der Felsomat GmbH & Co. KG mit den Besonderheiten der E-Motor-Fertigung auseinandergesetzt und eine komplette Produktionslösung für E-Motoren entwickelt. Die prozessoptimierten Module können flexibel skaliert werden und sind gleichzeitig als Stand-Alone-Anlage ausgelegt. Auf der diesjährigen CWIEME in Berlin präsentiert das Unternehmen erstmals das eFlexline-Prinzip.
„Der Markt für E-Motoren wächst und mittlerweile wurden verschiedene Ausführungen und Technologien entwickelt – die kurzfristige Lösung stellt hierbei ein 48-Volt-Bordnetz dar. Als Übergangslösung zum reinen elektrischen Antrieb werden am Markt vermehrt Hybridlösungen mit einer Kombination von Verbrennungsmotor und 400V-Elektromotor gefragt sein“, erklärt Stefan Frommer, Vertriebsleiter der Felsomat GmbH & Co. KG. „Die reine elektrische Lösung mit einem 400V-E-Motor je Fahrzeug wird ab 2023 aufgrund der CO2-Verordnung in jeder Produktpalette aller Automobilhersteller verfügbar sein. Neueste Entwicklungen setzen auf die 800V-Technik, die mit Ihren verkürzten Ladezeiten zugleich deutlich reduzierte Querschnitte der Kabel sowie reduzierte Masse erlauben, was sich wiederum positiv auf das Gesamtgewicht des Fahrzeugs auswirkt.“
Zwar gibt es bereits Anlagen, die all diese Modelle sowie die einzelnen Komponenten wie Rotor und Stator fertigen können, doch meistens nur auf einen Typ oder eine Serie begrenzt. Hinzu kommt, dass für eine wirtschaftliche Großserienfertigung die Herstellungskosten überschaubar gehalten werden müssen. Ebenso müssen die Anlagen mit präziser und effizienter Automation ausgestattet werden, um die hohen Qualitätsanforderungen zu erfüllen. „Gerade der Stator erfordert hier einen besonders hohen Produktionsaufwand. Bedingt durch eine Vielzahl von Einzelfertigungsschritten ist dieser mit einem Anteil an den Gesamtkosten von 35 Prozent die teuerste Komponente des E-Motors“, so Frommer. Um bei diesem Bauteil ähnliche Stückzahlen wie bei der Verbrennungsmotorherstellung zu erreichen, müssen die Fertigungslinien und -inseln variabel arbeiten können, sodass sie beispielsweise Statoren unterschiedlicher Höhe ohne lange Umrüstzeiten herstellen können.
Auf Basis der langjährigen Erfahrung der Felsomat GmbH & Co. KG im Bereich der traditionellen Aggregatefertigung sowie der Umsetzung von großen Turn-Key-Projekten hat das Unternehmen eine Fertigungslinie für den Stator entwickelt. Parallel wurden die Prozessketten Rotorfertigung und Endmontage analysiert und auch hierfür flexible Fertigungssysteme auf Basis des bewährten Montage- und Automationsbaukastens ausgelegt.
Hohe Prozesstiefe für jede Maschine
Die im E-Motor herkömmlich verbaute Spule, die als elektrischer Leiter fungiert und durch die Erzeugung eines Magnetfelds maßgeblich an der Stromübersetzung in Antriebsleistung beteiligt ist, besteht aus gewickelten Drähten deren Wickelschema variieren kann. Das Haarnadel- oder Hairpin-Prinzip etwa findet aufgrund bautechnischer Vorteile wie geringes Gewicht und höherer Kupferfüllfaktor mehr und mehr Anwendung im Bereich der Automobilindustrie. Die Felsomat GmbH & Co. KG hat sich daher mit seiner Stator-Produktionslinie (eFlexline) komplett auf die Hairpintechnologie konzentriert. „Uns war es wichtig, eine Fertigungslinie zu entwickeln, die sowohl auf unterschiedliche Wickelschemata perfekt abgestimmt ist, als auch gleichzeitig unterschiedlichste Drahtformen umsetzen kann“, so Frommer. Für das Handling unterschiedlich großer Bauteile sorgen standardisierte Schnittstellen und einfache Automationssysteme, welche die einzelnen Fertigungsinseln auf die jeweilige Produktanforderung und Drahtform einstellen.
Im Fall der Hairpin-Wicklung beginnt die Prozesskette mit dem Setzen und Aufweiten des Papiers. Dabei wird Isolatorpapier gefalzt und in die Nuten des Blechpakets, auf dem die gewickelten Drahtkörbe liegen, geschossen, um Spannungsüberschläge zu vermeiden. Je nach Anforderungen des Motors und Vorgabe des Auftragsgebers sind unterschiedliche Papierformen wählbar. In der darauf folgenden Hairpin-Station findet die Vorbereitung des Spulendrahts statt. Dieser wird von der Rolle gewickelt, gerichtet und geschnitten. Je nach Bedarf kann er mittels Lasertechnik, Fräsen oder Schälen abisoliert werden. Anschließend wird der Draht zwei- und dreidimensional gebogen, wobei neben Hairpins auch I-Pins und Sonderformen auf einer Maschine möglich sind. Damit die entsprechenden Wickelmuster optimal eingesetzt werden können, bietet die Anlage verschiedene Setzvorrichtungen mit Handlingszeiten unter einer Sekunde. Anschließend werden die vorgesetzten Hairpin-Körbe zusammengeführt und in das Blechpaket eingefügt.
Flexibilität für alle Fertigungsprozesse
Auch beim Weiten beziehungsweise Spreizen sowie Twisten der Hairpins wird auf sehr hohe Variabilität Wert gelegt. So können gleichzeitig zwei bis acht Korbringe aufgeweitet werden. „Im Prozessschritt Twisten wiederum werden die abisolierten Enden der Hairpins gemäß eines vordefinierten Schaltschemas gegenläufig verschränkt“, erklärt Frommer. „Die Anlage ist dabei so konfiguriert, dass bis zu zehn Twistebenen gleichzeitig im Einsatz sind.“ Für eine optimale Verschweißung der Hairpin-Enden wird ein Laser mit einer Scan-Optik und Visionssystem genutzt.
Um die Drähte in der Nut zu fixieren, die elektrische Isolation der Wicklung zu verbessern und Einflüsse von Feuchtigkeit auszuschließen, werden die Hairpin-Wicklungen in einem eigenen Prozessschritt imprägniert. Felsomat setzt hier auf die Träufeltechnik bei der das Harz direkt auf die Wicklung aufgebracht wird und dieses mit Hilfe der Kapillarwirkung in das Blechpaket eindringt. Dessen Oberfläche bleibt hierbei sauber und harzfrei. Die erforderlichen Erwärmprozesse der Pakete der Statoren erfolgen mittels energiesparender Induktionstechnologie. Das aufzubringende Harz wird zur Prozessabsicherung auf eine gleichbleibende Mediumstemperatur automatisch reguliert. Das Kunstharz selbst wird mithilfe einer hochgenauen Dosiereinheit auf die Drähte und in die Zwischenräume geträufelt. Nachdem das Harz im Stator geliert ist, erfolgt beim sogenannten Wirbelsintern eine Pulverbeschichtung der zuvor abisolierten Enden am Draht.
Abschließend wird die Komponente in ein Prüf-Modul überführt, in dem unter anderem die Funktionalität des Stators getestet wird. Hier werden unterschiedliche elektrische Tests, wie z.B. Widerstandsprüfungen, HV-Prüfung oder auch Entladungstests, durchgeführt, aber auch Positionsüberprüfungen mit Hilfe von Kameratechnik oder mechanischen Prüflehren. „Alle Parameter und Ergebnisse der kompletten Fertigungslinie werden gespeichert und können bei Bedarf auch via Fernzugriff abgerufen werden. Zudem erstellt die Anlage eine komplette Teilehistorie für maximale Rückverfolgbarkeit jedes einzelnen Produkts, sodass der gesamte Prozessablauf einschließlich der gewählten Parameter ersichtlich bleibt“, erläutert Frommer abschließend.
Auf der CWIEME 2019 am Stand B18 in Halle 3.1 können sich die Besucher über das Baukastenprinzip und die Verkettungsmöglichkeiten der eFlexline informieren.
Was: CWIEME 2019
Wann: 21. bis 23. Mai 2019
Wo: Messe Berlin; Halle 3.1, Stand B18
Quelle: Felsomat GmbH & Co. KG