Vergleich von Synchronmaschinen für Hybrid-Leichtflugzeuge mit herkömmlichen und additiven Wicklungstechnologien
Elektromotoren sind Schlüsselkomponenten für die Elektrifizierung der Luftfahrt. Diese ist für die Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung.
In Flugzeugen werden Elektromotoren bereits heute für primäre und sekundäre Oberflächensteuerungen, für das Fahrwerk und für andere Betätigungen wie z. B. Hochauftriebssysteme eingesetzt. Zukünftige Flugzeuge und Drohnen werden leistungsstarke Elektromotoren für den Antrieb benötigen.
Die Motoren stellen aufgrund der erforderlichen hohen Leistungsdichte eine große Herausforderung dar. Der hybrid-elektrische Antrieb ist eines der wichtigsten Themen in der Luftfahrtindustrie und bietet die Chance, den Wandel zur Elektrifizierung vor allem im Segment der Leichtflugzeuge voranzutreiben.
Gemeinsam mit der Umbra Group haben wir in einem Entwicklungsprojekt Permanentmagnet-Synchronmotoren für den Antrieb von Hybrid-Leichtflugzeugen mit traditionellen und additiven Wicklungstechnologien verglichen.
Das Design der Elektromotoren wurde in Bezug auf das elektromagnetische Design und die Wicklung angepasst. Ausgehend vom ursprünglichen Design wurden die aktiven Materialien und die Motortypologie (d.h. permanent erregter Synchronmotor) beibehalten, die eine der am häufigsten verwendeten für Antriebsanwendungen ist. Zusätzlich wurden verschiedene thermische Simulationen durchgeführt und Verbesserungen an den Kühlkreisläufen vorgenommen.
Im Rahmen des Projekts wurden zwei Elektromotorkonstruktionen mit unterschiedlichen Wicklungstechnologien verglichen, um die Technologie der additiven Fertigung und des 3D-Drucks bei der Wicklungsherstellung zu untersuchen. Beide Konstruktionen haben einige Gemeinsamkeiten, die dem Design-to-Cost-Ansatz entsprechen (z.B. Statorblech, Gehäuse, Rotor, Magnete). Die Optimierung der 3D gedruckten Wicklungen bezog sich hauptsächlich auf die Form und die Anordnung der Leiter in der Nut, um die Wechselstromverluste zu minimieren.
Einer der Hauptvorteile der Flachleiterwicklung gegenüber der Runddrahtwicklung ist der höhere Kupferfüllfaktor. Wilde Wicklungen, wie sie bei Runddrähten üblich sind, haben einen maximalen Füllfaktor von ca. 45%, während Flachleiter einen maximalen Nutfüllfaktor von ca. 80% erreichen.
Ein höherer Füllfaktor bedeutet natürlich einen größeren Kupferquerschnitt in der gleichen Nut, was zu einer geringeren Stromdichte, einem geringeren Gleichstromwiderstand und somit zu geringeren Verlustleistungen und einem höheren Wirkungsgrad führt.
Der 3D-Druck konnte in diesem Projekt mehrere Stärken ausspielen:
- keine Designbeschränkungen
- Integration der Busbar in die Wicklung – kein zusätzliches Schweißen erforderlich
- geringere Beanspruchung der Kupferleiter und der Isolation, da kein Biegen erforderlich ist
Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung ist die enorme Kostenersparnis bei der Entwicklung von Prototypen, da im Gegensatz zu konventionellen Verfahren keine Werkzeuge und keine Einrichtung der Produktionsanlage erforderlich sind.
Giovanni Di Domenico – Umbra : ”One advantage of the stator with additive manufacturing is the compactness of the end winding on connection side in comparison to the one with traditional winding technology. This aspect is very important and ensure to reach an higher power density and lower envelopes with a redesign.”
