FE-Analyse des mehrstufigen Biegeprozesses von Flachpaketstatoren für elektrische Maschinen

Abstract

Strenger werdende Emissionsauflagen führen im Individualverkehr zu einer erhöhten Nachfrage nach Elektromotoren mit höchsten Wirkungsgraden und Leistungsdichten. Vor allem in der Automobilindustrie zwingen aktuelle Vorschriften zur Begrenzung der Schadstoffemissionen die Hersteller dazu, mittels Verbrennungskraft angetriebene Fahrzeugkonzepte zu verlassen und den Antriebsstrang ihrer Fahrzeuge weiter zu elektrifizieren. Neben der Verwendung vollelektrischer Antriebe dienen auch Kombinationen aus herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit Rekuperationssystemen, effizienteren Generatoren oder Hybridantrieben der Emissionsreduzierung. Trotz unterschiedlicher Anforderungen an Drehmoment, Drehzahlen und Gesamtleistung wird ein höherer Wirkungsgrad des Gesamtsystems angestrebt. Besonders wichtige Faktoren mit positivem Einfluss auf den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen sind möglichst kleine Luftspalte zwischen Stator und Rotor sowie hohe Füllgrade der aktiven elektromagnetischen Komponenten, d. h. der leitfähigen Wicklungen in Stator und Rotor, die in der Regel aus Kupfer bestehen. Um diese Herausforderungen zu meistern, werden herkömmliche Statorherstellungsmethoden zunehmend durch neuartige Produktionstechnologien wie die Hairpin- oder die Flachpakettechnologie abgelöst. Bei der Hairpin-Technologie werden U-förmige Drahtsegmente längs in die Nuten eines kreisförmigen Statorkerns geschoben, auf der Rückseite geschränkt und anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Flachpakettechnologie basiert auf einem flachen, kammähnlichen Statorkern aus Siliziumeisen, dessen Nuten mit vorgeformten Wicklungen aus Kupferlackdraht und Isolationspapieren versehen werden. Anschließend führt eine mehrstufige Biegeabfolge der ganzen Baugruppe zur geforderten Kreisform des Stators. Jede Biegestufe, bestehend aus einem Biege- und Rückfederungsvorgang, erfolgt in einer separaten Biegemaschine, die nach VDI 3430 dem Rotationszugbiegen zugeordnet wird. Nach dem letzten Biegevorgang folgt eine Kalibrierung des Stators mit einer integrierten Fügeoperation durch Laserschweißen der beiden Statorenden. Beide Technologien erreichen vergleichsweise hohe mechanische Füllgrade und damit eine höhere Leistungsfähigkeit des Stators. Im Gegensatz zur Hairpin-Technologie erfordert der Flachpaketprozess jedoch keine stoffschlüssigen Fügevorgänge an elektrischen Leitern, welche in der Massenproduktion von Rotoren oder Statoren zu einer geringeren Prozessrobustheit führen. Allerdings hängen die Rundheitseigenschaften des Stators von den Biegeparametern und den hochkomplexen mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Flachpaketbaugruppe ab. Deswegen stellt die Gewährleistung enger Rundheitstoleranzen eine der größten Herausforderungen dieses Fertigungsverfahrens dar. Insbesondere die Vorhersage des Biege- und Rückfederungsverhaltens der Flachpaketbaugruppe in einzelnen Biegeoperationen war bisher nicht möglich, sodass aufwändige Iterationen zur Auslegung des Prozesses nötig waren. Zudem mussten bisher vergleichsweise große Rundheitsabweichungen des fertigen Stators akzeptiert oder weitere Prozessschritte zur Rundheitskalibrierung vorgenommen werden. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit entstanden in einer Zusammenarbeit zwischen der SEG Automotive Germany GmbH und dem Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart und zielten darauf ab, die Rundheitsabweichungen der Statoren mittels vertieften und quantifizierten Prozesswissens nachhaltig zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurden drei Berechnungsmodelle basierend auf der Finite-Elemente-Methode in ANSYS Workbench 18.2 entwickelt, verifiziert und validiert. Das Modell des Statorkerns enthält lediglich den flachen Statorkern als Werkstück in einem Biege- und Rückfederungsvorgang. Da dieser Aufbau die Grundlage für die Berechnung mehrerer Operationen sowie für die Analyse einer gesamten Flachpaketbaugruppe darstellt, wurde dieses Modell bezüglich dessen numerischer Konsistenz verifiziert und anhand von Vergleichen mit analytischen Rechnungen für plausibel erklärt. Im Rahmen der zweiten Modellgruppe wurden einzelne Segmente des mit den Kupferwicklungen und Isolationsfolien ausgestatteten Statorkerns modelliert, um deren Umformverhalten im Detail zu beschreiben. Insbesondere die Einflüsse der Wicklungseigenschaften auf das Biegeverhalten der gesamten Baugruppe erwiesen sich als relevant, um alle Biegestufen in der Prozessfolge der Produktionsanlage realistisch beschreiben zu können. Im Hinblick auf eine höhere Effizienz weiterer Simulationen konnten die Einflüsse der Wicklungen in Ersatzmodelle basierend auf Stabelementen überführt werden. Das dritte Berechnungsmodell, das Prozessmodell, fasst vier aufeinanderfolgende Biegestufen in einer einzigen Simulation zusammen, die jeweils aus einem Biege- und Rückfederungsvorgang bestehen. Dabei enthält die modellierte Baugruppe das verifizierte Statorkernmodell und die Stabelemente mit fiktiven Materialmodellen, die das komplexe Umformverhalten der Wicklung ersetzen. Auf Grundlage dieses Prozessmodells konnten alle vier Biegestufen einschließlich des abschließenden Kalibrier- und Fügevorgangs numerisch vollständig beschrieben werden. Damit war es möglich, Abhängigkeiten der kreisförmigen Statorgeometrie von den Werkstück- und Prozesseigenschaften zu ermitteln. Die elastisch-plastischen Eigenschaften der Flachpaketbaugruppe und die Vorspannkraft zwischen Biegekern und Werkstück zählen zu den wichtigsten Eigenschaften, die in dieser Arbeit untersucht wurden. Bevor die gewonnenen Erkenntnisse aus den Simulationsmodellen genutzt werden konnten, wurden die FE-basierten Ergebnisse an den vier Biegemaschinen im Serienbetrieb experimentell validiert. In diesem Zusammenhang wurde eine Methodik entwickelt, um mittels 3D-Scan erzeugte Flächenmodelle des Flachpakets nach einzelnen Biegeoperationen ausrichten und mit den Vorhersagen aus den Finite-Elemente-Modellen vergleichen zu können. Darüber hinaus wurden geschlossene Statoren, die den vollständigen Biegeprozess auf der Produktionslinie bei der SEG durchlaufen hatten, mit bereits etablierten Messabläufen mittels eines Koordinatenmessgeräts digitalisiert. Diese digitalen Messwerte erlauben die Analyse der Rundheit der kreisförmigen Muster und eine Validierung der Ergebnisse des FE-basierten Prozessmodells, welches den gesamten Flachpaketbiegeprozess beschreibt. Zwei Aufgabenfelder weisen einen hohen Stellenwert für die Prozessentwicklung auf: • Das systematische Einhalten festgelegter Toleranzwerten bei konstruktiven Neuerungen des Statordesigns und chargenbedingten Schwankungen. • Die Veränderung des Prozessablaufs, mit dem Ziel, engere Toleranzwerte zu erreichen. Bezüglich beider Aufgabenfelder wurde festgestellt, dass sich die tangentiale Vorspannkraft zwischen Biegekern und Werkstück als einstellbarer Parameter eignet, da sich dieser flexibel an den jeweiligen Biegemaschinen verändern lässt. Deshalb wurden FE-basierte und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Sensitivitäten geometrischer Ergebnisse der vier Biegeoperationen bezogen auf Veränderungen der Vorspannkraft zu quantifizieren. Basierend auf diesen Analysen wurde das mehrstufige Prozessmodell hinsichtlich der Vorspannkraft validiert. In der letzten Phase dieser Untersuchungen wurden die gewonnenen Erkenntnisse auf die lachpaketbiegevorgänge im realen Fertigungsprozess übertragen. Die Sensitivitäten der Statorgeometrie bezüglich der Vorspannkräfte jedes einzelnen Biegevorgangs wurden in ein mathematisches Optimierungsproblem überführt, wobei minimale Rundheitsabweichungen das Optimierungsziel bildeten. Die Vorspannkräfte der vier Biegevorgänge stellen die Variablen dieser Optimierungsfunktion dar. Die mit diesem systematischen Optimierungsansatz berechneten Parameter prognostizierten eine Reduktion der Rundheitsabweichungen um mehr als 24 %. Diese Reduktion konnte für zwei verschiedene Statortypen experimentell bestätigt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen bieten systematische Ansätze, um anhand der Entwicklung, Verifizierung und Validierung von FE-Modellen, Erkenntnisse über einen komplexen Umformprozess der vormontierten Flachpaketbaugruppe, bestehend aus Stahllamellen, Kupferwicklung und Isolationsfolien, zu gewinnen. Die ermittelten Maschineneinstellungen resultierend aus der oben genannten Methodik zur Rundheitsoptimierung konnten erfolgreich auf die aktuelle Serienfertigung von Flachpaketstatoren übertragen werden. Die derzeit in den Biegestationen verwendbaren Bereiche der Vorspannkraft liegen zwischen 0 und 13 kN. Höhere Vorspannkräfte führten zu einer unerwünschten Verformung der Statorzähne vor dem Biegen. Darüber hinaus beschränken die Geometrien der vorhandenen Werkzeuge für jede der vier Biegemaschinen das aktuelle Biegeverfahren, d. h. die minimalen und maximalen Biegewinkel, die während eines Biegevorgangs verwendet werden können. Sowohl der Vorspannbereich als auch die Geometrie der Biegewerkzeuge begrenzen die Statorrundheit, die derzeit mit der vorgestellten Methode erreicht werden kann.