Algemeen
Trumpf laserlassen
Trumpf heeft met de lasertechnologie de gereedschappen om de segmenten eerst gedeeltelijk te ontlakken en daarna aan elkaar te lassen. In elke elektromotor gaat het om 200 tot 300 verbindingen (foto: Trumpf)

Het wikkelen van elektromotoren is voor de automobielindustrie een te langzaam productieproces. Hairpin technologie biedt uitkomst. Deze elektromotoren zijn bovendien efficiënter en bieden een hogere energiedichtheid. De productie ervan vergt echter heel andere technologie dan de klassieke productietechnologie van elektromotoren. Leidt dit ertoe dat het speelveld opnieuw verdeeld wordt?

Laat op een verjaardagsfeestje de term elektrisch autorijden vallen, en je hebt al snel twee groepen die het hartgrondig oneens zijn met elkaar. De tegenstanders, die roepen dat de actieradius van een elektrisch aangedreven auto te klein is. Dat we nooit genoeg grondstoffen hebben voor de miljoenen accu’s. Om nog maar te zwijgen over hoe we al die elektrische wagens ’s avonds om zes uur, als de doorsnee Nederlander aanschuift voor aardappelen met jus, gaan opladen?

Je hebt ook de voorstanders, die wel geloven in de doorbraak van elektrisch rijden. De elektrische auto komt er, ongeacht de bezwaren die er nog aan kleven. En elektromobiliteit komt misschien wel sneller dan tegenstanders denken. Qitao Lue, CEO van de Chinese laserproducent Han’s Laser, wilde het enkele jaren geleden ook niet geloven toen het stadsbestuur van Shenzhen aankondigde binnen twee jaar het volledige openbaar vervoer te elektrificeren. “Alle 16.359 stadsbussen en 30.000 taxi’s in de stad rijden nu puur elektrisch”, zegt hij. Dat is het resultaat als de overheid de macht heeft om veranderingen door te drukken.

Build Your Dreams

Shenzhen is toevallig de Chinese thuishaven voor BYD, een van de grootste autoproducenten. Build Your Dreams, daar staat de naam in het buitenland voor. Het busbedrijf van BYD is in enkele jaren tijd volledig overgestapt van verbrandingsmotoren naar elektrisch aangedreven versies, die onder andere in Nederland op Schiphol rijden. Maar ook in de VS heeft het Chinese concern met deze e-stadsbussen voet aan de grond gekregen, net als enkele Europese landen.

China zelf eist dat in 2019 10% van de nieuwe auto’s die verkocht worden, elektrisch wordt aangedreven. “Voor deze landen betekent e-mobility dat ze een grote sprong vooruit kunnen maken; hun industrieën kunnen daarmee een concurrentie voorsprong opbouwen”, zegt Christian Schmitz, in de raad van bestuur van Trumpf verantwoordelijk voor de laserdivisie.

Hij is één van de believers als het om elektrisch rijden gaat. “We staan aan de vooravond van het elektrificeren van aandrijvingen. Transportbedrijven, logistieke dienstverleners, ze stappen allemaal in e-mobility”, zegt hij. In Nederland presenteerden dit voorjaar DAF Trucks en VDL hun elektrisch aangedreven vrachtwagen voor de last mile in de distributie in de binnensteden.

De top van Trumpf hanteert een toekomstscenario, gebaseerd op een interne studie van de VDMA, de branchevereniging voor Duitse machinebouwers. Hierin staat dat tegen 2025 78% van de nieuwe auto’s in 2025 (deels) elektrisch aangedreven zal zijn. 22% puur elektrisch, de rest hybride. “Daar plannen wij momenteel onze business op. Het klinkt nog ver weg, maar het is nu tijd om te beginnen”, aldus Christian Schmitz. De stap van BYD heeft hem bewust gemaakt hoe snel de verandering kan gaan. De markt wordt nu verdeeld.

Hairpin wikkelen

e-Mobility biedt nieuwe kansen omdat de elektrische aandrijflijn om andere productietechnieken vraagt dan een verbrandingsmotor. De kaarten worden opnieuw geschud. Lasertechnologie krijgt hierin een grote rol, bevestigt niet alleen Trumpf, maar ook andere laserfabrikanten, net als robotfabrikant Kuka.

Een van de nieuwe kansen ontstaat doordat de massaproductie van elektromotoren om een ander productieproces vraagt dan de huidige. Het klassieke wikkelen duurt te lang en is te kostbaar. Daarom is de verwachting dat fabrikanten van elektromotoren overstappen op de zogenaamde hairpin technologie. Hierbij worden het wikkelen met ronde draad vervangen door individuele segmenten die opgebouwd zijn uit dikkere platte draadelementen, vergelijkbaar met uit de kluiten gewassen haarspeldjes. Deze pennen worden in de groeven van de stator gestoken.

Hairpin technologie

Hairpin technologie leent zich beter voor massaproductie van elektromotoren. Daarnaast is de energiedichtheid hoger (foto: Frank Coenen).

“Met hairpin technologie kan de stator voor een elektrische motor geproduceerd worden in cyclustijden die overeenkomen met die van de productie van een verbrandingsmotor”, zegt professor Jürgen Fleischer van het Institute for Production Science van het KIT in Karlsruhe. Hier loopt momenteel een groot onderzoeksproject om deze productietechnologie verder door te ontwikkelen én naar het midden- en kleinbedrijf te brengen. De aantrekkelijkheid vanuit productieoogpunt zit volgens hem in het feit dat deze technologie volledig geautomatiseerd kan worden.

Daarnaast leveren deze motoren een hogere energiedichtheid en daardoor betere efficiency. Dit komt door de hogere vulfactor van de koperen pinnen. Daarnaast wegen deze motoren minder. En, zo zegt het Duitse Elmotec Statomat, dat al de eerste machines hiervoor heeft gebouwd, het materiaalverbruik is geringer. Ook dat is een wezenlijke factor als de automobielindustrie massaal overstapt naar elektromobiliteit. Deze hairpin technologie kan zowel toegepast worden voor de productie van statoren van dynamo’s als hybridemotoren.

Lasertechnologie

De pennen moeten wel nog op de goede manier én betrouwbaar met elkaar verbonden worden. Hierin wil Trumpf een rol spelen met de lasertechnologie. Op basis van een bestaande laserlasinstallatie heeft Trumpf een cel ontwikkeld voor het lassen van deze elektromotoren.

Trumph laser voor hairpinVoor Trumpf en haar lasertechnologie is elektromobiliteit een van toekomstige groeimarkten. De machinebouwer wil profiteren van het feit voor de productie van de elektrische aandrijflijn in auto’s momenteel nieuwe supply chains worden opgebouwd (bron: Trumpf, bewerking Ron de Haer/Aandrijftechniek).

Voordat de pennen gelast kunnen worden, moeten ze eerst worden ontlakt want elke hairpin is voorzien van een laklaag als isolatie. Trumpf doet dit met nanosecondelaser. Het laserreinigen is effectiever en sneller dan het mechanisch verwijderen van de laklaag. Het lassen zelf gebeurt met een typische cw schijflaser. De Duitse machinebouwer denkt hiermee een betere oplossing te bieden dan het klassieke lichtbooglassen, een andere optie om de massaproductie te automatiseren. Lichtbooglassen haalt niet de hoge productiviteit die de laser haalt.

En dat is nodig. Een typische elektromotor voor een auto telt namelijk 200 tot 300 punten die aan elkaar gelast moeten worden. Elke tiende van een seconde is dan belangrijk, want dat scheelt in het totale proces al gauw een halve minuut per motor. De cw schijflaser leent zich het beste hiervoor vanwege het hogere vermogen. Tijdens de huisshow Intech in Ditzingen demonstreerde Trump het lassen van hairpin motoren inclusief de kwaliteitscontrole. Want dat is een vereiste in de automobielindustrie.

Een vrij recente ontwikkeling die ook verband houdt met e-mobility is een gepulste groene laser. Hiermee last men koper en aluminium vrijwel spatvrij. De derde toepassing van de laser in een elektromotor is van een andere orde. De benodigde statorbladen snijdt Trumpf met de laser.

eCanter e-truck
De Fuso eCanter is een lichte vrachtwagen waarvan er al enkele duizenden dagelijks worden ingezet voor de fijnmazige distributie in steden (foto: Daimler Trucks).

BorgWarner e-motor

Een van de Tier 1 toeleveranciers aan de automobielindustrie die deze hairpin technologie al inzet, is BorgWarner. Begin dit jaar heeft het concern een elektromotor in combinatie met de eGearDrive transmissie voor de Fuso eCanter vrachtwagen gepresenteerd. Mitsubishi Fuso Truck and Bus Company is de Aziatische bedrijfswagendochter van Mercedes-Benz.

De eCanter (7,5 tonner) is de derde generatie volledig elektrisch aangedreven vrachtwagen, dit keer met een permanente synchroonmotor met 185 kW vermogen en een koppel van 380 Nm. Deze motor werd tot vorig jaar nog klassiek gewikkeld.

Borg-Warner hairpin motor
BorgWarner heeft voor de Fuso eCanter HVH250 elektromotor ontwikkeld, waarin voor het eerst hairpin technologie wordt toegepast. De combinatie met de eGearDrive transmissie meer koppel bij een beter rendement (foto: BorgWarner).

Het is de eerste seriegebouwde elektrische vrachtwagen. Het model dat verleden jaar op de IAA werd getoond heeft dankzij de 70 kW sterke watergekoelde lithium-ion batterij een actieradius van 100 km met een laadvermogen van 4,6 ton. BorgWarner ontwikkelde recent voor de eCanter een nieuwe elektromotor, de HVH250, gebaseerd op de hairpin technologie. Deze levert liefst 300 kW vermogen en een koppel van 425 Nm (bij 700 V). De efficiency van deze motor bedraagt 95%. De eGearDrive transmissie laat inkomende toerentallen tot 14.000 min-1 toe. Dankzij de tandwielkast slaagt de motorenfabrikant erin om bij 80 kW continu vermogen continu 1450 Nm koppel aan de wielen te brengen. Het koppel kan pieken tot 2500 Nm. Wereldwijd heeft de Mercedes-dochter al 200 van deze vrachtwagens getest in stedelijke omgevingen. Vanaf 2019 wil het concern deze grootschalig in de markt gaan zetten.

Dieper in de aandrijflijn

Trumpf wil zich nog verder in de productie van de aandrijflijn nestelen. Hoewel een elektrische aandrijflijn veel minder componenten bevat dan die van een verbrandingsmotor, blijven tandwielen onmisbaar. Bij elektrisch rijden telt gewicht echter meer dan ooit. Daarom passen autofabrikanten in het differentieel combinaties toe van gietijzer en gehard staal. Dit levert een lichter eindproduct, dat echter met klassieke technieken moeilijk te lassen is. Daarom zet Trumpf hiervoor in op het laserlassen, in combinatie met sensortechnologie voor de kwaliteitsbewaking. Daarnaast wil de machinebouwer fors groeien in het laserlassen in de productie van de batterijcellen- en packs voor de elektrisch aangedreven auto’s.

Dit artikel is geschreven voor Aandrijftechniek en geplaatst in de oktober-editie.

Auteur: Franc Coenen

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven