Umformtechnisch unterlagerte Prozessmodellierung des Linearspulenwickelprozesses

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer; Professor Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273536303

Die Wicklung des Elektromotors ist eine leistungsbestimmende Komponente, die im Produktionsprozess besonderen Anforderungen gerecht werden muss. Für Motoren in Hybridfahrzeugen hat sich die Zahnspulentechnik etabliert. Diese bestehen aus einem unrunden Spulenkörper, der in der Produktion mit einem Kupferlackdraht kontinuierlich bewickelt wird. Hauptanforderung für eine effiziente Wicklung ist ein lagenweiser Aufbau nach definiertem Wickelbild mit einem hohen Kupferfüllfaktor und einem bündigen Anliegen des Drahtes am Spulenkörper. Für die Funktionsfähigkeit der Spule muss ein Verjüngen des Drahtes und damit eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes sowie die Beschädigung der Isolationsschicht vermieden werden. Die Linearwickeltechnik, als direktbewickelndes Verfahren, ermöglicht eine drahtschonende und sehr produktive Verarbeitung. Für die Auslegung des Wickelprozesses als auch für die Bestimmung der erreichbaren Qualitätsparameter der Spule werden derzeit rein empirische, versuchsbasierte Vorgehensweisen angewendet. Der Grund dafür liegt in der bisher unbekannten Wechselwirkung der Halbzeuge bzw. deren Eigenschaften mit dem Prozess. Insbesondere der Einfluss des Drahtes und seiner umformtechnischen Eigenschaften und Effekte, wie ein Verjüngen aufgrund einer zu starken Dehnung, Kaltverfestigung und die Rückfederung des Drahtes beim Ablegen, auf den Linear-Spulenwickelprozess ist derzeit unbekannt, was sowohl zu einer Verringerung der Produktivität als auch zu schlechteren Wickelergebnissen führt. Das daraus abgeleitete wissenschaftliche Ziel ist ein umformtechnisches Prozessmodell, welches die verschiedenen Effekte während des Spulenwickelprozesses miteinander verknüpft, um die resultierenden Spannungs- und Dehnungszustände des Drahtes während des Wickelns, aber auch in der produzierten Spule zu bestimmen. Dieses neue Prozessverständnis kann zum einen als Eingangsparameter für die zu entwickelnde Drahtschwingungsregelung und zum anderen als Grundlage für die Nutzung von umformtechnischen Effekten für ein verbessertes Wickelergebnis dienen. Die einzelnen umformtechnischen Effekte werden anhand von verschiedenen Experimenten abgebildet und anschließend in einem Materialmodell für den lackisolierten Kupferdraht vereint. Die Verknüpfung dieser erfassten Effekte während des Wickelprozesses wird an ausgewählten lokalen Stellen über eine Finite-Elemente-Simulation für eine Demonstratorspule abgebildet. Von besonderem Interesse sind kritische Drahtbelastungen im Prozess, wie die Umlage des Drahtes an der Spulenkörperkante und das Verhalten des Drahtes durch prozessbedingte Schwankung des Drahtzuges. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit einer Messung der Drahtlasten wird eine Mehrkörpersimulation entwickelt, die die Lastprofile des Drahtes im Wickelprozess bestimmt. Die gekoppelte MK-Simulation berücksichtigt dabei die Umformprozesse des Spulenwickelprozesses erstmalig durch die Abhängigkeit des Biegemomentes von den umformtechnischen Randbedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen