09/01/2020
Door Ad Spijkers
Om motoren voor kleinere elektrische voertuigen efficiënter te maken, moet een aantal uitdagingen worden opgepakt op het gebied van rendement, gewicht en materiaal- en arbeidskosten.
Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen hebben een gietproces ontwikkeld dat de productie van lichtgewicht wikkelingen van aluminium met een hoge vulfactor mogelijk maakt. Een studie heeft aangetoond dat aluminium spoelen het continu vermogen van elektrische machines in vergelijking met koperen wikkelingen verhogen, de bedrijfstemperatuur verlagen en tegelijkertijd gewicht en grondstofkosten besparen.
Spoelen uit aluminium
Nadat het de afgelopen jaren al gelukt was om aluminium spoelen te produceren door middel van verloren was gieten, was het een duidelijk doel van onderzoekers om spoelen voor serieproductie te produceren via spuitgieten. De gegoten spoelen worden gekenmerkt door een configuratie met vlakke geleiders, wat leidt tot een hogere vulfactor en een betere benutting van de beschikbare ruimte.
Gegoten aluminium spoelen hebben een hogere elektrische weerstand dan gewikkelde koperen spoelen. Maar door de grotere doorsnede is er over de hele spoel feitelijk minder weerstand. Door een betere aansluiting op het blikpakket en een efficiënter gebruik van de beschikbare ruimte zijn thermisch en elektromagnetisch gedrag beter. Om dit in een directe vergelijking aan te tonen, werd in het onderzoek gebruik gemaakt van conventionele 250-watt elektrische fietsmotoren. De omgebouwde motoren, voorzien van verschillende bundels laminaten en spoelcombinaties, zijn vervolgens op een testbank geplaatst.
Hoger rendement
Door de ombouw van de elektrische fietsmotor is de vulfactor verhoogd van 32% naar 60%. Tegelijkertijd werd een gewichtsbesparing van 10% bereikt. Het koppel steeg met 30%. Door het verbeterde thermische gedrag van de spoelen nam het continu vermogen bij bedrijfstemperatuur met bijna 20% toe. De aluminium spoel kan de geproduceerde warmte beter overbrengen op het blikpakket en dus op de omgeving. Dit leidt tot een hoger continu vermogen; de spoelen bereiken de toegestane continue bedrijfstemperatuur pas bij hogere stromen.
De meetresultaten waren nog beter bij een geoptimaliseerd blikpakket voor een verder aangepaste pedelec-motor. Bij een lager gewicht nam het koppel met bijna 80% toe en steeg het continu vermogen met 25% ten opzichte van de oorspronkelijke motor. Constructieve veranderingen kunnen de prestaties van motoren met aluminium spoelen nog verder verhogen.
Potentiële toepassingen
Na vele jaren van ontwikkeling van gegoten spoelen kan Fraunhofer-IFAM nu verschillende toepassingsscenario's afdekken. Voor het gebruik van hoogwaardige machines kunnen koperspoelen van de hoogste kwaliteit worden geproduceerd met behulp van verloren was , terwijl voor serieproductie van motoren voor bijvoorbeeld stuurmotoren of airconditioningunits het hogedrukgieten geschikt is. Om de productie via spuitgieten te optimaliseren en de productiekosten verder te verlagen, is automatische nabewerking van gegoten spoelen de volgende ontwikkelingsstap. Hierdoor kunnen in elke hogedrukgieterij grote aantallen met lage cyclustijden worden geproduceerd.
Foto: Fraunhofer-IFAM