In samenwerking met Lloyd Dynamowerke in Bremen heeft het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) een aluminium wikkeling voor grote motoren volgens het ‘verloren schuim’ (lost foam) gietproces ontwikkeld. De aluminiumspoelen werden geproduceerd voor gebruik in een trein, daarna aangepast en nu met succes getest. Hiermee is een technisch betere toepassing voor de oorspronkelijk gebruikte koperen spoelen gerealiseerd.
Door de vrijheid van vormgeving in de giettechniek konden de vulfactor en de koelcapaciteit worden verbeterd. Het gebruik van aluminium spoelen zorgt bovendien voor een daling van de grondstofkosten en het gewicht.
De eisen, die worden gesteld aan de wikkelingen van elektrische machines zijn gevarieerd. Behalve een hoge vulfactor voor een minimale geleiderweerstand moeten ook voldoende koeling en een vermindering van frequentieafhankelijke verliezen worden gewaarborgd. Bovendien moet het productieproces zo flexibel en goedkoop mogelijk zijn.
Fraunhofer-IFAM ontwikkelde daarom een proces voor het gieten van spoelen, waarmee belangrijke voordelen kunnen worden bereikt ten opzichte van bekende wikkeltechnieken. Bij conventioneel gewikkelde spoelen wordt gemiddeld een groefvulfactor gehaald van 50%. De grotendeels vrije vormgeving van de geleidergeometrie in die techniek maakt de realisering van vulfactoren boven de 90% mogelijk.
Gieten in plaats van wikkelen
Voor het gieten wordt het fijngietproces (lost foam proces) gebruikt. Voor het aanbrengen van het malvormmateriaal wordt de gewenste geleidergeometrie gestrekt en voorzien van een invoer gietopening.
Hierdoor is het mogelijk om daarna een isolatielaag aan te brengen waarbij afhankelijk van de eisen met betrekking tot materiaalspanning, laagdikte en temperatuurbestendigheid verschillende processen worden toegepast. Geleiderdoorsnedes van circa 4 mm² tot meerdere 100 mm² zijn hierdoor haalbaar. De in conventionele wikkeltechniek vereiste buigradius vervalt.
Aluminium versus koper
Door het gebruik van aluminium konden de kosten van de grondstoffen ten opzichte van koperen spoelen met 85% dalen. Ondanks het lagere specifieke geleidingsvermogen is de elektrische weerstand van de aluminiumspoel door de veel hogere vulfactor niet hoger dan bij een koperen spoel.
De geproduceerde poolschoenspoelen van de (in dit geval) 330 kW gelijkstroommachine zijn door de mogelijkheden van het productieproces geometrisch zodanig bemeten, dat behalve de maximale geleideroppervlakte ook de warmteafvoer ten opzichte van de voorheen gebruikte gewikkelde koperen spoelen wordt verbeterd.
Tijdens de beproeving op de testbank werden de temperaturen in de aluminium poolschoenspoel tijdens continubedrijf vergeleken met die van de koperen basisspoel. Door de betere koeling vermindert de temperatuurstijging van 75 K tot 45 K. Het lagere temperatuurniveau zorgt ook voor een kleine vermindering van de totale verliezen in de machine.
Gegoten spoelen (links) in vergelijking met conventionele gewikkelde spoelen (foto’s: Fraunhofer-IFAM).
Perspectieven
Het gieten maakt het mogelijk om de koperen spoel te vervangen door een elektrisch equivalente aluminiumwikkeling terwijl wordt bespaard op grondstoffen, gewicht en inwendige verliezen. De door de giettechniek bereikte verbeteringen van de koelcapaciteit heeft de verwachtingen van de onderzoekers overtroffen. Ze zien in deze technologie met zijn vrije vormgeving potentie om bij gebruik in de toekomst het rendement en de vermogensdichtheid van elektrische machines te verhogen.
