Fertigungstechnologie Neuer Wickelprozess soll Axialflussmotoren wirtschaftlich machen

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Ein neuer Wickelprozess könnte den Durchbruch für Axialflussmotoren bringen: Das Projekt Reformat der RWTH Aachen University setzt auf direkt gewickelte, profilierte Litzendrähte, um Verluste zu reduzieren, die Effizienz zu steigern und die Serienfertigung deutlich wirtschaftlicher zu machen.

Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen University hat gemeinsam mit Röscher das Forschungsprojekt „Reformat“ gestartet. Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Vorhabens ist es, die Fertigung von Axialflussmotoren grundlegend weiterzuentwickeln – mit einem klaren Fokus auf Effizienzsteigerung und Kostenreduktion. Im Zentrum steht ein neuartiger Wickelprozess, bei dem profilierte Litzendrähte direkt auf die Statorkerne aufgebracht werden.

Effizienzvorteile mit Einschränkungen

Axialflussmotoren gelten aufgrund ihrer kompakten Bauweise, des modularen Aufbaus und ihrer hohen Effizienz als vielversprechende Alternative zu klassischen Radialflussmaschinen. Insbesondere in Anwendungen mit begrenztem Bauraum oder hohen Leistungsanforderungen bieten sie konstruktive Vorteile.

Allerdings zeigen sich bei höheren Eck- und maximalen Rotordrehzahlen weiterhin physikalische Grenzen: Die Effizienz sinkt unter anderem durch ausgeprägte Wirbelstromverluste in den Statorwicklungen. Diese Verluste entstehen durch zeitlich veränderliche Magnetfelder und führen zu zusätzlicher Erwärmung sowie Energieverlusten im Leiter.

Ein etablierter Ansatz zur Reduzierung dieser Effekte ist der Einsatz von Litzendrähten. Durch ihre feindrähtige Struktur verringern sie die Stromverdrängungseffekte im Leiterquerschnitt. Profilierte Litzendrähte gehen noch einen Schritt weiter, da sie sich besser an die Geometrie der Wicklungen anpassen lassen und somit eine höhere Packungsdichte ermöglichen. Genau hier setzt das Projekt Reformat an.

Wickelprozess als Schlüssel zur Industrialisierung

Trotz ihrer elektrischen Vorteile werden profilierte Litzendrähte bislang nur eingeschränkt eingesetzt. Der Grund liegt weniger im Material selbst als vielmehr in den Herausforderungen bei der Verarbeitung. Konventionelle Wickelverfahren sind nicht darauf ausgelegt, die spezifischen mechanischen und geometrischen Eigenschaften dieser Leiter optimal zu nutzen.

Das Forschungsprojekt verfolgt daher einen klaren Ansatz: die Entwicklung eines Wickelverfahrens, das genau diese Eigenschaften berücksichtigt. Durch das direkte Bewickeln der Statorkerne soll nicht nur die Qualität der Wicklungen verbessert werden, sondern auch der gesamte Fertigungsprozess vereinfacht werden.

Ein zentrales Ziel besteht darin, den Anlagenaufwand zu reduzieren. Klassische Prozessketten zur Spulenherstellung sind häufig komplex und investitionsintensiv. Eine direkte Integration des Wickelprozesses in die Statorfertigung verspricht hier deutliche Einsparpotenziale.

Geringer Reifegrad als zentrale Hürde

Ein wesentliches Hemmnis für die breite industrielle Nutzung von Axialflussmotoren ist ihr aktuell noch niedriger Technologiereifegrad. Viele Konzepte befinden sich noch im Entwicklungsstadium oder sind nur in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich realisierbar. Entsprechend hoch sind die Kosten in der Fertigung.

Reformat adressiert genau diesen Punkt, indem der Produktionsprozess systematisch analysiert und weiterentwickelt wird. Ziel ist es, die Herstellbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die Prozesskosten zu senken. Damit rückt die Überführung von Axialflussmaschinen in die Serienproduktion in greifbare Nähe.

Flexible Integration in bestehende Produktionslinien

Neben der eigentlichen Wickeltechnologie steht auch die Systemintegration im Fokus des Projekts. Die geplante Prozessstation soll so ausgelegt werden, dass sie sich flexibel an unterschiedliche Spulengeometrien und verschiedene Litzendraht-Topologien anpassen lässt. Auch unterschiedliche Isolationssysteme sollen berücksichtigt werden.

Ein entscheidender Aspekt ist dabei die Anschlussfähigkeit an bestehende Fertigungslinien. Nur wenn sich neue Technologien ohne grundlegende Umstrukturierungen in vorhandene Produktionsumgebungen integrieren lassen, können sie sich in der Industrie durchsetzen. Genau hier liegt ein weiterer Hebel des Projekts: Die Entwicklung einer Lösung, die nicht isoliert funktioniert, sondern als Teil einer skalierbaren Prozesskette gedacht ist.

Fertigungstechnologie als Hebel für die nächste Motorengeneration

Das Projekt Reformat zeigt exemplarisch, dass die Weiterentwicklung elektrischer Maschinen zunehmend von Fortschritten in der Fertigungstechnologie abhängt. Während viele grundlegende Designkonzepte bereits ausgereizt sind, liegt erhebliches Potenzial in der Optimierung der Produktionsprozesse.

Mit der Kombination aus materialgerechtem Wickelverfahren, reduzierten Investitionskosten und verbesserter Integrationsfähigkeit adressiert das Projekt zentrale Herausforderungen der Elektromobilität. Sollte es gelingen, die angestrebten Ziele zu erreichen, könnten Axialflussmotoren künftig nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich eine ernsthafte Alternative zu etablierten Maschinenkonzepten darstellen. (mr)

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