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Erkenntnisse aus der Biegesimulation von Flachdraht

Januar 2018 — Dank einer simultanen Entwicklung aus struktur-mechanischer FE-Simulation und Versuchserkenntnissen lassen sich Formspulen von Traktionsmotoren kosten- und zeiteffizienter gestalten und innerhalb eines definierten Prozessfensters fertigen.

Aufgrund des Anforderungsprofils eines Automobilantriebs hinsichtlich leistungstechnischer und finanzieller Faktoren eröffnen sich neue Wege und Chancen für applikationsspezifische, innovative Wicklungsformen elektrischer Maschinen und deren Übertragung in adaptive und skalierbare Produktionseinrichtungen. Dies erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Herstellung von Elektromotoren, insbesondere beim Fertigungsschritt der Wicklungserzeugung und -einbringung.

Die Auslegung der Primärisolation von Kupfer-Flachleitern erfolgt über einen iterativen, kontinuierlichen Verbesserungsprozess. Die Prüfung der elektrischen Eigenschaften des umgeformten Leiters wird nicht isoliert geprüft sondern nach der Montage der Spulen in das Blechpaket im Rahmen des Statortests. Dieser Prozess ist sowohl kosten-, als auch zeitintensiv. Mithilfe eines neuen Ansatzes soll die Auslegung der Halbformspulen unter Mitbetrachtung der fertigungstechnischen Effekte unter Anwendung einer struktur-mechanischen FE- Simulation erfolgen, um eine definierte Einstellung des Prozessfensters zu ermöglichen und somit eine Unter- oder Überdimensionierung der Primärisolation zu verhindern. Abbildung 1 zeigt die konventionelle iterative Entwicklung gegenüber der simultanen Prozessauslegung, bei der gleichzeitig Erkenntnisse aus Simulation und Prüftechnik zur Hairpin-Gestaltung einfließen. 

Die Umformung von Drahthalbzeugen zu Hairpins soll in Zukunft hochautomatisiert erfolgen, um über bestehende Grenzen der genutzten Fertigungsverfahren hinauszugehen und Kostenvorteile zu schaffen. Dabei können zunächst die Grundbelastungen auf einen kombinierten Drei-Punktbiege- und Gesenkbiege-Zustand abgeleitet werden, der in entsprechende Aufbauten zu DIN EN ISO 7438 abstrahiert wurde, wie in Abbildung 2 gezeigt. Es können die prozessspezifischen Effekte klar identifiziert werden sowie kritische Zielgrößen genau ermittelt werden wie Änderungen der Isolationsschichtdicke oder Kupferquerschnittsflächen. 

Daher werden im Folgenden die Drei-Punkt- und Gesenkbiege-Umformung mit Flachdrähten simuliert, die Auswirkungen quantifiziert, sowie in einem weiteren Schritt identisch umgeformte Proben mittels vorhandener Prüftechniken auf deren Eignung qualifiziert. Als Simulationsumgebung wird die FEM-Software „Ansys LS-Dyna“ gewählt, um eine Berechnung mit definierten Kontaktparametern zwischen Kupferleiter und Isolation zu ermöglichen.

Erkenntnisse aus den Simulationen 

Mittels Praxisversuchen validierte Simulationsergebnisse zeigen, dass bei beiden Modellen die gleichen Effekte auftreten, sich diese jedoch im Grad der Signifikanz unterscheiden. So sind die Effektursachen grundlegend identisch, bilden sich aber beim Gesenkumformen präsenter aus. Während der Umformung kommt es zu einer zunehmenden Schwankung der Querschnittsflächen-Verteilung in der Primärisolation, die sich kohärent mit der Isolationsdicke verhält. Dabei induziert die Biegung eine Dehnung der Isolationsschicht an der Außenseite des Biegeradius, die eine Dickenreduzierung mit sich führt. Durch die Biegung des Drahts an der Stempel-Innenseite kommt es zu einer Druckspannung sowie einem Materialstau und einer Quetschung der Isolationsschicht, die zu einer Verdickung selbiger führt. Beachtenswert ist jedoch, dass ein Stofffluss aus der Umformzone in axialer Richtung stattfindet, so dass sich die maximale Isolationsdicke am Beginn der Rundung des Flachdrahts in der Druckzone befindet, wie Abbildung 3 zeigt.

Des Weiteren kann gezeigt werden, dass sich aufgrund der überlagerten Zug- und Druckspannungsverteilung eine charakteristische Deformation des Kupferleiters ausbildet, die sich mit der Länge der Auflagefläche des Drahts auf dem Stempel verstärkt. Durch den Materialfluss in axialer Richtung aus der Umformzone heraus und die, durch die Biegung induzierte Dehnung, wird ein radiales Fließen des Kupfers zur unter Zugbelastung stehenden Rundung erwirkt. Dadurch kommt es zu einer lokalen Materialaufdickung, die eine Beugung der Draht-Unterseite zur Folge hat. Im Bereich der Pressflächen von Stempel und Matrize liegt eine planare Oberfläche des Drahts vor. Außerdem kann mittels der multivariaten Analyse der Stempelrundung festgestellt werden, dass ein spitzer Stempel zwar eine höhere maximale Isolationsdicke bedingt, jedoch gleichzeitig eine stärkere Dehnung an der Draht-Unterseite bewirkt und sich dadurch eine stärkere Ausdünnung der Isolation ableiten lässt, wie Abbildung 4 zeigt. 

Dabei entspricht 100 % der Umformung dem Zustand, bei dem beide Werkzeughälften einen respektiven Abstand in Höhe des Drahts haben. Anhand der verbleibenden Isolationsdicke aus den Simulationsergebnissen können mittels der Formeln 1 und 2 die Systemgrenzen der Halbformspulen errechnet werden. Dabei stellt d die Isolationsdicke dar, p den atmosphärischen Normaldruck unter Normbedingungen, T die Temperatur und ε r die Permittivitätszahl. Jedoch ist hierbei zu beachten, dass bei Schichtdicken ≤1 mm weitere Effekte den formulierten Zusammenhang stärker beeinflussen und damit verfälschen. Durch die Kombination der berechneten minimalen Isolationsschichtstärke und den analytischen Zusammenhängen zwischen dieser und den elektrischen Eigenschaften der sich ergebenden Biegeprobe ist es möglich, Vorhersagen bezüglich der elektrischen Eigenschaften auf Basis der Simulation zu treffen. 

Zusammenfassung 

Zum bisherigen Stand der Untersuchungen können bereits umfassende Grundlagen zur Umformung offener Halbformspulen von Flachdrähten präsentiert werden. Ein stabiles explizites FE-Simulationsmodell in Ansys LS-Dyna lässt unter Anwendung der ermittelten Werkstoffkenndaten und Kontaktbedingungen eine ganzeinheitliche Betrachtung und Analyse der Umformprozesse zu. Nur eine kombinierte Betrachtung aus den Erkenntnissen der Versuchsabstraktionen ermöglicht die Definition eines Prozessfensters für Biegeumformungen. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) gefördert im Rahmen des Förderprogramms Elektro Power II, FKZ 01MX150111F. Verwaltet wird es vom Projektträger DLR. 

Michael Weigelt, Christian Fröschl, Michael Masuch, Andreas Riedel und Jörg Franke, alle Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik. Den redaktionell unbearbeiteten Beitrag der Autoren können Sie mit Erscheinen der Printausgabe DRAHT 1/2018 abrufen unter www.umformtechnik.net/whitepaper/

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und
Produktionssystematik (FAPS)
Fürther Straße 246b
90429 Nürnberg
Ansprechpartner ist Michael Weigelt
Tel.: +49 911 5302-9062
michael.weigelt@faps.fau.de
www.faps.fau.de

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