„ALIVE“: Forschungsprojekt zur optimierten Produktion von Hairpin-Statoren

Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen ist mit dem Industriepartner LaVa-X in das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Forschungsprojekt „ALIVE“ gestartet.

In dem auf zwei Jahre anberaumten Vorhaben sollen die Qualität, die Kosten und der zeitliche Aufwand bei der Produktion von Elektromotoren optimiert werden, so der PEM. Dazu will das Projekt-Team ergründen, wie sich die Vorteile adaptiver, im Vakuum stattfindender Schweißprozesse für die Herstellung der Hairpin-Statoren nutzen lassen.

Für jene Hairpin-Statoren hatte der PEM im März das ebenfalls auf zwei Jahre angesetzte Projekt „anfaHair“ abgeschlossen. Zusammen mit dem Berliner Maschinenbau-Unternehmen Röscher wurden vier potenziell marktfähige Fügetechnologien für den Herstellungsprozess von Hairpin-Statoren entwickelt. Der Stator ist für die Leistung und Effizenz des gesamten E-Motors mit entscheidend.

Im Rahmen von „ALIVE“ soll nun ein besonderes Thema genauer untersucht werden, das bereits bei „anfaHair“ aufgekommen ist: Im Rahmen der Hairpin-Stator-Produktion gilt das Kontaktieren der Hairpin-Enden durch das Laserschweißen als ein maßgeblicher Abschnitt, da er zahlreichen prozess- und qualitätsbeeinflussenden Wechselwirkungen aus vorgelagerten Verfahrensschritten unterliegt. Bisher haben hier Schweißfehler zu hohen Ausschussraten und einer geringen Anlageneffizienz geführt.

„Die potenzielle Produktivität dieser Technologien und das erreichbare Qualitätsniveau der Hairpin-Statoren lassen sich derzeit noch nicht umsetzen, weil die Prozesskette neu ist, wodurch das Prozessverständnis teilweise fehlt, und weil es noch recht hohen Ausschuss gibt“, sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker. „Der irreversible Laserschweißprozess ist deshalb ein entscheidender Engpass mit Blick auf die gesamte Anlageneffektivität und die Taktzeit in der Serienproduktion der Hairpin-Technologie.“

Beim Laserstrahlschweißen im Vakuum steigert die Verringerung des Arbeitsdrucks die Prozessstabilität, womit sich laut der Mitteilung des PEM hohe Einschweißtiefen realisieren lassen. Im Projekt „Adaptives Laserstrahlschweißen im Vakuum von Hairpin-Statoren“ (ALIVE) soll daher eine durch intelligente Datennutzung adaptiv steuerbare Vakuum-Laserschweißanlage für den Hairpin-Kontaktierprozess errichtet werden, die später im industriellen Maßstab zum Einsatz kommen könnte.

Ein Stator mit Hairpin-Wicklungen ist an und für sich nicht neu, Serienfahrzeuge wie der Porsche Taycan nutzen bereits diese Technologie. Beim Stator handelt es sich um den Teil des Elektromotors, der das sich drehende elektromagnetische Feld erzeugt – welches wiederum den Rotor in Bewegung versetzt und so im Elektroautos für den Vortrieb sorgt. Der Stator ist im Grunde genommen ein großer, ringförmiger Elektromagnet. In dem meisten Elektromotoren wird hierfür Kupferdraht aufgewickelt, um die Spulen zu erzeugen. Bei der Hairpin-Technologie werden massive Kupferstäbe verwendet, die wie die namensgebende Haarnadel geformt sind. Im Vergleich zu gewickeltem Kupferdraht, wo es immer kleine Abstände dazwischen gibt, ist bei der Hairpin-Technologie der Kupfer-Füllgrad im selben Bauraum höher. Damit steigt die Energiedichte des Elektromotors bzw. er kann bei gleicher Leistung kleiner und leichter werden.

Die RWTH Aachen befasst sich auf unterschiedlichen Ebenen mit Statoren. So beteiligt sich die das PEM-Team auch an dem Projekt HaPiPro², das die flexible Fertigung von Stator-Varianten mit Hairpin-Wicklungen auf einem Produktionssystem zum Ziel hat.

rwth-aachen.de (Mitteilung), rwth-aachen.de (Projektseite)