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W.-G. Drossel (Hrsg.)
M. Dix (Hrsg.)
S. Ihlenfeldt (Hrsg.)

Berichte aus dem IWU, Band 127
211 Seiten, m. Abb. und Tab., A5, Broschur
ISBN: 9783957351579
Verlag Wissenschaftliche Scripten

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.

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1 Einführung und Motivation

2 Stand der Technik
2.1 Begriffe zur Spulentechnik
2.1.1 Allgemeine Erläuterungen zum Aufbau elektrischer Spulen
2.1.2 Elektrotechnische Kenngrößen
2.1.3 Nutfüllfaktor
2.1.4 Stromverdrängung und Wechselstromverluste
2.1.5 Restriktionen für den Statoraufbau
2.2 Relevante Herstellungsverfahren für Elektrospulen
2.2.1 Urformen
2.2.2 Umformen
2.2.3 Trennen
2.2.4 Fügen
2.2.5 Beschichten
2.2.6 Bewertung der Fertigungsverfahren und Fazit
2.3 Umformtechnische Prozessvarianten zur Erhöhung des Nutfüllfaktors
2.3.1 Grundlegendes
2.3.2 Verdichtung vorgewickelter Spulen
2.3.3 Formgebung von Einzeldrähten mit anschließender Wicklungs-erzeugung
2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik

3 Zielsetzung

4 Geometrisch-technologische Auslegungssystematik
4.1 Notwendige Herstellungsschritte
4.2 Mögliche Prozessketten und Auswahl einer Vorzugsvariante
4.3 Auslegung der Spulengeometrie via CoilCalculator
4.4 Geometrische Analyse ausgewählter Herstellungsschritte
4.5 Werkstoffphysikalische Einordnung

5 Numerische Simulation und Anpassung der Fertigungsfolge
5.1 Werkstoffcharakterisierung
5.2 FE-Analyse der gewählten Prozesskette
5.2.1 Sequenzielles Pressen
5.2.2 Biegen
5.2.3 Kalibrieren des Wicklungskopfes
5.3 Zwischenfazit der Simulationsergebnisse

6 Experimentelle Untersuchungen
6.1 Vorversuche
6.2 Sequenzielles Pressen
6.3 Biegen
6.4 Kalibrieren des Wicklungskopfes
6.5 Zwischenfazit der experimentellen Untersuchungen

7 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anlagenverzeichnis

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