Algemeen
koper-aluminium verbinding
Een betrouwbare verbinding tussen aluminium spoelen en koperen geleider is cruciaal voor een lange levensduur van de elektromotor (foto's: Fraunhofer IFAM).

Het Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) heeft een gietmethode ontwikkeld om krachtige spoelen voor elektromotoren te kunnen produceren. Een combinatie van een hoge vulfactor, goede thermische prestaties en lage stroomverliezen kan op verschillende manieren worden gebruikt in het ontwerp van de machine. De uitdaging tot nu toe was de functioneel betrouwbare onderlinge verbinding van aluminium spoelen met koperen geleiders. In het onderzoek is deze stap geoptimaliseerd en gekwalificeerd.

De met het gietproces te produceren spoelgeometrie met vlakke geleiderrangschikking biedt voordelen ten opzichte van conventioneel geproduceerde gewikkelde spoelen. Door de nieuwe techniek is een specifieke en individuele aanpassing van de geleiderdiameter bereikt, waardoor de beschikbare ruimte in elektromotoren maximaal kan worden gebruikt. Op deze manier kunnen vulfactoren van meer dan 80% worden bereikt.

Door koper in het actieve deel te vervangen door aluminium, is met bijna hetzelfde rendement een gewichtsvermindering tot 50% mogelijk.
Bovendien maken door de vlakke constructie nieuwe koelconcepten een extra toename van de stroomdichtheid mogelijk. De haalbaarheid en technologische voordelen van gegoten spoelen zijn al in verschillende toepassingen aangetoond.

Aluminium spoelen met koperen geleiders

De combinatie van hoge vulfactor, uitstekend thermisch gedrag en lage stroomverplaatsingsverliezen kan op vele manieren worden gebruikt in het motorontwerp. Als koper wordt vervangen door aluminium, moet de doorsnede van de aluminium geleider door de lagere elektrische geleidbaarheid van aluminium worden vergroot.

Dit leidt echter tot een groter volume, een grotere elektromotor en een verlaging van de vermogensdichtheid. Dit nadeel wordt gecompenseerd door het gebruik van koper als verbindingsring. Hierdoor kan de geleider voor de verbinding kleiner worden gemaakt en worden de noodzakelijke afstands- en isolatieafstanden gehandhaafd.

Spoel voor elektromotoren
Gegoten aluminium spoel voor een luchtgekoelde naafmotor.

Deelproces bepaalt succesvolle verbinding

Tot nu toe was de uitdaging om het contact tussen de gegoten aluminium spoelen en de koperen geleiders functioneel betrouwbaar te maken. Een slechte verbinding leidt tot opwarming van het contactpunt, dus vermogensverlies, en mogelijk tot beschadiging tot uiteindelijk uitvallen van de aandrijving. Het elektrische contact tussen het aluminium en koper en de toepassing van deze verbinding als elektrische geleider wordt mede bepaald door veroudering (interdiffusie, wrijvingscorrosie, chemische corrosie, elektromigratie) en is daarom onderwerp van onderzoek aan het IFAM.

De mechanismen in de verbinding kunnen het verouderingsproces al bij de productie in gang zetten. De overgangen tussen aluminium en koper geven een verhoogde elektrische weerstand en leiden tot brosse microcontacten in de verbinding. Door grenslaagdiffusie kan door opwarming toenemen, en de toenemende grenslaag krijgt een isolerend effect, waardoor meer vermogensverspreiding optreedt. Dit resulteert op zijn beurt in een toename van de warmteontwikkeling.

Aan de andere kant kan een zuivere vorm-/krachtgesloten verbinding onder bepaalde omstandigheden tot vormverlies en de vorming van oxidelagen op het oppervlak van beide materialen leiden. Daarom is de selectie van een geschikte verbindingsmethode cruciaal voor het contact maken van de gegoten aluminiumspoelen en de koperen geleiders cruciaal voor het langdurig gebruik van de elektromotor.

Hoge technische eisen

Voor het efficiënte gebruik van koperen geleiders als contactelement hebben de onderzoekers van Fraunhofer IFAM verschillende verbindingsmethodes op geschiktheid. Er zijn verschillende soldeer-, vorm-, lijm- en lasverbindingen met elkaar vergeleken. Het verbindingsproces moest ook aan andere eisen voldoen:

  • veilig en milieuvriendelijk proces
  • minimale inspanning (geen voorbehandeling of tussentijdse processtappen)
  • serieproductie mogelijk
  • verbindingstemperatuur van thermische klasse H (maximaal 180°C)
  • isolatieklasse volgens DIN EN 60085
  • verbinding maken bij ingebouwde toestand (spoelen zijn al op de gelamineerde kern geplaatst).

Ultrasoon lassen

De resultaten van de onderzoeken tonen aan dat verbindingsprocessen in de vaste fase voldoen aan het hoge eisenprofiel. Als de verbindingstemperatuur beneden 300°C wordt gehouden, ontstaan gewoonlijk geen gemengde fasen en heeft de verbinding een lage elektrische weerstand en voldoende sterkte.

Uit verder onderzoek naar de sterkte en de contactweerstand bleek dat verbinding door ultrasoon lassen veelbelovend is. Dit proces voldoet aan de vereisten en biedt een groot potentieel voor verdere technologische optimalisatie. De vlakke configuratie van de gereedschappen maakt een verbinding met goede verbindingseigenschappen mogelijk.

Afhankelijk van de toepassing kan een optimalisatie naar sterkte en vorming van de tussenfasen worden geproduceerd door de procesparameters te variëren, bij vrijwel gelijkblijvende elektrische weerstand.

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