Mit Draht, Rat und Tat

Im wahrsten Sinn auf Draht waren die 32 Teilnehmer des Wickelseminars von Aumann im Oktober 2015: Die 12 Referenten diskutierten im direkten Dialog mit den Zuhörern aus der Antriebsbranche, Elektro- und Automobilindustrie Themen wie Drahtwickeltechnik und Elektromotorauslegung, Füge- und Kontakttechniken sowie Entwicklungspotenziale wickeltechnischer Prozesse.

11. Dezember 2015

Wer energieeffiziente Spulen oder E-Motoren wickelt, steht vor der Qual der Wahl und sehr vielen Fragen. Ein kleiner Auszug aus dem typischen Fragekatalog: Welchen Drahtwerkstoff verwendet er, welche Fügetechniken kommen infrage, was muss der Anwender bei der Schneid-Klemm-Kontakttechnik beachten? Dazu gilt es die Grundlagen der Wickeltechnik genau zu kennen. „Generell spielen beim Wickeln die Anforderungen an die elektrische Spule eine besondere Rolle“, meinte einleitend Jürgen Hagedorn, Leiter für Prozessentwicklung bei der Aumann GmbH im ostwestfälischen Espelkamp. Der Experte verwies auf die Vielzahl an Einflussfaktoren, die von der elektrischen Leitfähigkeit, der Festigkeit, dem Füllfaktor, der chemischen Beständigkeit bis hin zur Verarbeitbarkeit reichen. Das Wickelergebnis hänge außerdem entscheidend von Werkstoff und von Parametern wie Wickelgeschwindigkeit, Drahtzug oder der Wicklungsträgergeometrie ab.

Die Qualität der späteren Wicklung steht und fällt aber mit einer wichtigen Antwort auf eine Frage: Soll der Anwender auf wildes oder orthozyklisches Wickeln setzen? Bei der wilden Wicklung wird der Draht unkontrolliert abgelegt. Bewährt habe sich dabei, den Draht mit einem Vorschub vom 1,5 bis 3,0-Fachen des Drahtdurchmessers (Steigung) abzulegen. Für die wilde Wicklung sprechen laut Hagedorn die sich beim Wickeln entstehenden „Kreuzungen“, die für Wickelfestigkeit sorgen. Mit einer einfachen Formel lässt sich die Wicklungshöhe berechnen und so kontrollieren, ob die maximal gewünschte Anzahl an Wicklungen überhaupt in den Spulenkörper hinein passt. Alternativ bietet sich beim wilden Wickeln als elegantere Methode der Gegencheck per 3D-CAD-Modell an.

Der Trend geht wegen der Zunahme der Elektrifizierung im PKW (rund 300 E-Motoren und elektromagnetische Komponenten befinden sich in einem typischen Mittelklassefahrzeug) allerdings zu hoher Leistungsdichte. Wenn außerdem ein etwas geringer Kupferverbrauch, bessere magnetische Eigenschaften, optimierte Wärmeabfuhr zu geringeren Kosten gefragt sind, kommt das orthozyklische Wickeln ins Spiel: Bei ihm liegen die Drähte der jeweiligen Oberwicklung in den Tälern der Unterwicklung und „schmiegen“ sich daher eng aneinander: Auf diese elegante, orthozyklische Art und Weise bildet sich bei der Lagewicklung ein deutlich kompakterer Wickelkörper. Doch trotz dieser Vorteile kann der Experte keine generellen Tipps dazu geben, ab welchem Drahtdurchmesser sich das orthozyklische Winkeln anbietet. Hagedorn: „Die Entscheidung hängt in erster Linie vom Drahtdurchmesser und dann von der Geometrie des Bauteils ab. Das Verhältnis Drahtdurchmesser zu Innendurchmesser der Spule sollte aufeinander abgestimmt sein.“ Aber das Verfahren eignet sich auch für kritische Aufgabenstellungen: So sei es Aumann auch schon mal gelungen,  einen 63 µm-Draht über acht Lagen auf mehreren Spindeln gleichzeitig orthozyklisch zu wickeln. 

Den Trend zur Mehrschichtlackierung beschrieb Jane Jovanoski, Leiter der Anwendungstechnik bei der Essex Germany GmbH in Bramsche. Lackdrähte zeichnen sich durch einen Lackaufbau nach dem Zwiebelschalen-Prinzip aus. „Die Zeit der Einlagen-Lackierung ist vorbei, heute geht der Trend hin zu zwei bis vier Lagen, die unterschiedliche Eigenschaften erfüllen“, erklärte der Fachmann. In der Regel bestehe die Beschichtung aus den drei Lagen Basecoat (unter anderem Polyurethan, Polyamid, Polyesterimid), Middlecoat (Polyamidimid) und Bondcoat (u.a. Polyamide), die bis zu 25 einzelne Schichten besitzen. Wichtig sei beim Lackaufbau, dass die spezifischen Eigenschaften zum jeweiligen Anwendungsfall passen. Bei den Isolierlacksystemen komme bei sehr warmen Einsätzen etwa im Motorraum eine Polyimid-Beschichtung infrage, deren Temperaturindex  mit 240 doppelt so hoch wie  etwa der gleiche Index von Polyvinylacetal ausfällt.

Mit Lackierung beschäftigt sich die Strunk Connect automated solutions GmbH & Co. KG aus Kirchen-Freusburg aus anderen Gründen, denn sie ist u.a. spezialisiert auf das Widerstandsschweißen von Litzendraht.  Geschäftsführer Olaf Strunk „Gegen das mechanische, chemische oder etwa thermische Entfernen des Lackes vor dem Schweißen spricht, dass diese vorgelagerten Prozesse Zeit kosten.“ Alternativ dazu bietet sich das Widerstandsschweißen an, das die Fügepartner in Millisekunden in den Schmelzbereich versetzt und sie verbindet. „Bisher ist mir dabei kein lackiertes Kabel, auch keines mit Hochtemperaturlack untergekommen, der sich nicht ohne vorheriges Abisolieren Widerstandsschweißen ließe“, sagt Struck. „Wir können sogar Glasfaserlitzen schweißen.“  Dazu kombiniert Struck das Widerstandsschweißen mit dem Heißcrimpen,  um beispielsweise Kupfer-Lackdrähte ohne vorherige Entfernung der Isolierung stoffschlüssig und prozesssicher zu verbinden.

In die Geheimnisse der E-Motorenauslegung führte Andreas Neubauer, Inhaber von Neubauer Engineering aus Weissach im Tal, die Seminarteilnehmer ein. In dem Vortrag verglich Herr Neubauer die verteilte Wicklung und die Zahnspulenwicklung. Verteilte Wicklungen eignen sich nur für dünne Drähte: Sie entstehen per Einziehverfahren mit guten Füllgraden und teilweise auch per Nadelwicklung. Für diese Wicklungsart sprechen die geringen Eisenverluste, dagegen der große Wickelkopf mit hohen elektrischen Verlusten (hohe Koppelinduktivität) und die aufwändige, meist manuelle Kontaktierung.

Vollständig automatisierbar sei dagegen die Zahnspulenwicklung, die sich für unterschiedliche Wickelverfahren und auch für dicke Drähte eignet. Diese Wicklungsart zeichnet sich durch geringe Kupferverluste und geringe Koppelinduktivität aus, allerdings entstehen höhere Verluste im Eisen und Magneten. Neubauer: „Früher hat man gedacht, dass die Zahnspulenwicklung aufgrund der Eisenverluste nicht funktioniert.“ Untersuchungen ergaben, dass Wicklungsharmonische für die erhöhten Eisenverluste und Wirbelstromverluste sorgen. Mit entsprechend ausgelegten Wicklungen lassen sich die Oberwellen reduzieren und so der Wirkungsgrad der Zahnspulenwicklung erhöhen, die sich dank Optimierung dann im Prinzip für alle E-Motoren eignet. Seiner Ansicht komme die verteilte Wicklung dagegen für E-Motoren mit hoher Drehzahl infrage.

Quasi ein Verpackungskünstler für Elektromotoren ist die Kienle & Spiess GmbH aus Sachsenheim, die das Klebepaketierverfahren glulock zum Verbinden von losen Rotor- und Statorblechen bereits während des Stanzens entwickelt hat. Diese werkzeugintegrierte Paketiermethode kommt laut Hersteller im  Unterschied  zum  konventionellen  Stanzpaketieren  komplett  ohne  elektrisch störende Verbindungselemente aus. Eine Klebestation,  die  dem  Stanzwerkzeug  vorgeschaltet ist oder sich direkt in ihm befindet, setzt dabei pro Minute sehr genau bis zu 1000 Klebepunkte. Lars Trittel, Vertriebsleiter Automotive: „Vor allem für den Einsatz in der Automobilindustrie ist unser Klebepaketierverfahren glulock HT gedacht, bei dem wir die Temperaturfestigkeit im Vergleich zu glulock von 80°C auf nun 180°C  erhöht haben.“ Kienle & Spiess hat außerdem die Chemiebeständigkeit und die Zugscherfestigkeit (von rund 12 auf 20 N/mm² pro Klebepunkt) erhöht. Erste Langzeittests (bis zu 1000 h) verliefen nach Firmenangaben erfolgreich.

Auf Temperaturbeständigkeit kommt es auch beim Kleben von Magneten an: Zum Einsatz kommen hier Produkte der Delo Industrie Klebstoffe GmbH & Co KGaA aus Windach, wobei der Anwender die gewünschten Eigenschaften sehr genau kennen muss, um beispielsweise den richtigen Einkomponenten-Klebstoff aus der Delomonopox-Gruppe auszuwählen. Diese warmhärtenden Klebstoffe eignen sich laut Herstellerangaben wegen der hohen Schlagfestigkeit und Medienbeständigkeit, der guten Spaltüberbrückung und der hohen Temperaturbeständigkeit bis +220 °C für die Wellen- und Magnetverklebung. Der Anwender müsse außerdem – so Vertriebsingenieur Heiko Gellert – entscheiden, ob er im Ofen oder bei Raumtemperatur die Klebung aushärten will. Auch die Bauart spiele eine wichtige Rolle, ob es sich also entweder um Oberflächen- oder Taschenmagneten handelt. Wenn es beispielsweise um das Kleben von Taschenmagneten für den Hochtemperaturbereich (+220°C) mit hoher Schlagzähigkeit geht, empfiehlt sich der Einsatz des Delomonopox HT282, der schnell im Induktionsofen aushärtet (40 min. bei 150°C).

Eine andere Form der Fügetechnik stellte Helmut Bitsch, Field Engineer der TE Connectivity Germany GmbH aus Darmstadt vor. Die Rede ist von Magnet Wire Termination Systems, einer Schneid-Klemm-Kontakttechnik, die das Abisolieren und Löten überflüssig machen soll. Die Magnetdrahtsteckhülsen sorgen für schnelle, direkte Verbindungen, ohne dass ein separater Litzenleiter-Klemmenanschluss notwendig ist. Die Steckhülsen eignen sich für Magnetdraht aus Kupfer und Aluminium und sorgen laut Hersteller „für eine hervorragende Metall-auf-Metall-Druckquetschverbindung mit ausgezeichneter Zugfestigkeit“. Dabei habe sich das System unter dem Produktname SIAMEZE auch als Motorklemme bei harten Einsätzen im Motorbereich (Stromstärke: bis 30 A) bewährt. Interessant ist hier auch die Abisoliertechnik. Bitch: „Dieses einschneidiges Produkt schält den Lack nicht ab, sondern kratzt ihn ab.“

In weiteren Vorträgen ging es um Löttechnik (Manfred Fehrenbach, Eutect), Wicklungsprüfung (Jan-Philipp Lahrmann, Schleich), Vergusstechnik (Hanno Steinzen, Hübers) und die Magnetisierung von Permanentmagneten (Hartmut Pagel, Magsys). Den ganzheitlich wissenschaftlichen Blick auf die Wicklungstechnologie machte abschließend Florian Sell-Le Blanc vom Karlsruhe Institut für Technologie  (KIT). Resummee des Wissenschaftlers: „Die Wickeltechnik für Motorspulen ist  eine Disziplin, die stark auf Erfahrungswissen basiert und bisher wenig erforscht wurde.“ Florian Sell-Le Blanc empfahl daher die ganzheitliche Beschreibung  der Disziplin in  einem  Prozessmodell – inklusive Messungen zur Charakterisierung von Prozessgrößen, der Simulation von nicht messbaren Größen und der Modellierung von grundlegenden Zusammenhängen. Außerdem gab der Wissenschaftler einen vorläufigen Einblick in das zum Ende des Jahres im Springer-Verlag erscheinende Fachbuch über Wickeltechnik. Gemeinsam mit Aumann entsteht hier ein umfangreiches Werk über die notwendigen Prozesse und Technologien, die ein Unternehmen zum Fertigen elektromotorischer Baugruppen benötigt.

Autor: Dipl.-Ing. Nikolaus Fecht, Gelsenkirchen