Elektrische Traktionsmotoren sind unerlässlich für hybride sowie vollelektrische Fahrzeuge und müssen in höchster Qualität und Leistungsdichte produziert werden. Im Vorhaben AgiloDrive2 entwickeln Forschende agile Fertigungs- und Montageprozesse, die eine wirtschaftliche Produktion von E-Motoren am Standort Deutschland ermöglichen sollen.
Juni 2022 – Vor dem Hintergrund der weltweiten Anstrengungen gegen den Klimawandel ist im Verlauf des aktuellen Jahrzehnts von einer grundlegenden Transformation der automobilen Wertschöpfungsketten hin zur Entwicklung und Produktion elektrischer Mobilitätslösungen auszugehen. Der elektrische Traktionsmotor nimmt unabhängig von der Art des Energiespeichersystems eine leistungs- und effizienzbestimmende Rolle in hybriden sowie vollelektrischen Antriebssträngen ein und muss daher bei geringen Kosten in höchster Qualität und Leistungsdichte produziert werden. Die Topologie und funktionellen Eigenschaften der eingesetzten Elektromotoren unterscheiden sich dabei je nach Art des Antriebsstrangs sehr, etwa bezüglich der Wicklungsart, des Bauraums und des Betriebsverhaltens. Volatile Märkte, sich verändernde wirtschaftliche und rechtliche Rahmenbedingungen sowie technische Weiterentwicklungen führen zudem zu einer großen Unsicherheit hinsichtlich der zu erwartenden Stückzahlen und eingesetzten Technologien. Das Investitionsrisiko in starre Produktionssysteme ist daher als vergleichsweise hoch einzustufen.
Bild 1: Flexible Formgebung von Hairpin-Steckspulen am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT | Quelle: wbk Karlsruhe, Bramsiepe
Modularer Baukasten für Traktionsmotoren
Das wbk Institut für Produktionstechnik des KIT – ein Institut der WGP (Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik) –, hat sich aus diesem Grund gemeinsam mit dem Institut für Produktentwicklung (IPEK) und dem Elektrotechnischen Institut (ETI), ebenfalls am Karlsruher Institut für Technologie, zum Ziel gesetzt, ein agiles Produktionssystem und einen zukunftsrobusten Produktbaukasten für elektrische Traktionsmotoren zu entwickeln. Mit im Boot sind außerdem der Automobilzulieferer Schaeffler sowie 16 weitere Forschungspartner. Die Forschenden wollen es Automobilzulieferern und -herstellern ermöglichen, Produktionssysteme in bedarfsgerechten Betriebspunkten zu betreiben und kostensenkende Skaleneffekte durch Software-basierte Prozessanpassung über verschiedene Produktbaureihen und Technologien hinweg zu nutzen. Hierfür wird das Forschungsvorhaben AgiloDrive2 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) in der Förderrichtlinie „Digitalisierung der Fahrzeughersteller und Zulieferindustrie“ bei einem Gesamtvolumen von 33,7 Mio. Euro über drei Jahre mit rund 16,4 Mio. Euro gefördert. Um die Projektziele zu erreichen, wird unter der wissenschaftlichen Leitung des WGP-Professors Jürgen Fleischer erforscht, wie elektrische Traktionsmotoren – auf Grundlage möglichst Software-basierter Fertigungstechnologien, wandlungsfähiger Prozessketten und intelligenter Steuerungsarchitekturen – flexibel und nachhaltig gefertigt werden können. Durch den durchgängigen Einsatz modularer Funktionsstrukturen von der Topologie- bis zur Prozessebene kann das Produktionssystem bedarfsgerecht skaliert, konfiguriert und verkettet werden. Vor diesem Hintergrund werden durch die Forschungspartner standardisierte Hard- und Softwareschnittstellen sowie herstellerübergreifende Kommunikationsstandards erarbeitet und implementiert. Da das Produktionssystem sowohl seitens Hardware als auch seitens Software modular aufgebaut ist, kann dessen zunehmende Komplexität beherrscht werden. Zudem kann die Produktionsausrüstung wiederverwendet werden – ganz im Sinne von Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit.
Bild 3: Stator mit Hairpin-Wicklung am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT | Quelle: wbk Karlsruhe, Breig
Digitale Zwillinge steigern Fertigungsqualität
Der Einsatz digitaler Zwillinge von den frühen Phasen der Produktentwicklung über die Produktionsplanung bis hin zur Inbetriebnahme der Fertigungs- und Montageprozesse verkürzt die Time-to-Market – einem wichtigen Faktor zum Erhalt der internationalen Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie – signifikant. Eine durchgängige Datenerfassung entlang der Prozessketten zur Stator- und Rotorproduktion ermöglicht darüber hinaus den Einsatz datenbasierter Optimierungsalgorithmen, die die Fertigungsqualität steigern. Die im Forschungsvorhaben betrachteten Produktionstechnologien umfassen dabei klassische Handhabungs- und Fügeprozesse, aber auch hochkomplexe Sonderprozesse der E-Motoren-Produktion, wie die Formgebung und das Twisten von Hairpin-Steckspulen aus isoliertem Kupferflachdraht.
Beitragsbild: Versuchsumgebung der Ausbildungsfabrik Statorfertigung in der Karlsruher Forschungsfabrik | Quelle: wbk Karlsruhe, Bramsiepe
Weitere Informationen
Pressemeldung:
https://www.kit.edu/kit/pi_2021_107_forschung-fur-die-agile-e-motoren-produktion.php
Projekthomepage:
https://www.wbk.kit.edu/wbkintern/Forschung/Projekte/AgiloDrive2/index.php
Förderer
Förderträger: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger: VDI Technologiezentrum GmbH
Ansprechpartner
wbk Institut für Produktionstechnik
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Prof. Jürgen Fleischer
Tel.: +49 721 608 44009
E-Mail: juergen.fleischer@kit.edu.de
Felix Wirth
Gruppenleiter Elektrische Antriebe
Tel.: +49 1523 9502630
E-Mail: felix.wirth@kit.edu.de
Downloads:
Versuchsumgebung der Ausbildungsfabrik Statorfertigung in der Karlsruher Forschungsfabrik | Quelle: wbk Karlsruhe, Bramsiepe
Flexible Formgebung von Hairpin-Steckspulen am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT | Quelle: wbk Karlsruhe, Bramsiepe
Stator mit Hairpin-Wicklung am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT | Quelle: wbk Karlsruhe, Breig
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