Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Projektskizze: Leistungsdichte elektromagnetische Aktoren durch Wickelkörper aus Al2O3-isolierten Aluminiumfolien (E|AlOxid)

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Forschungsziel

Im Rahmen des Projektes soll die technische Machbarkeit des Ansatzes und der Nutzen der angestrebten Technologie näher untersucht werden. Ziel ist es dabei, die theoretischen Vorteile wie z. B. bessere thermische Anbindung und höhere volumetrische Leistungsdichte durch den Aufbau von Demonstratoren nachzuweisen. Hierzu sind Fertigungstechnologien zu entwickeln um Spulenkörper aus Aluminiumfolien automatisiert herzustellen und prozesssicher elektrisch zu Kontaktieren. Des Weiteren soll der Gesamtnutzen technisch-wirtschaftlich für den Einsatz in der Serie evaluiert werden.

Abbildung: Magnetischer Linearaktuator; Quelle: FAPS, FAU; Hochschule Coburg

Beschreibung

Linearaktuatoren werden in nahezu allen technischen aber auch in nichttechnischen Bereichen eingesetzt. So dienen diese z.B. bei der industriellen Fertigung zum Sortieren von Bauteilen als Auswerfer an Förderbändern. Aber auch zum Positionieren, Anheben, der Druckbeaufschlagung etc. werden besonders leistungsstarke und reaktionsschnelle Linearaktuatoren benötigt. Sollen diese zudem in begrenztem Bauraum eingesetzt werden, wie z. B. zur Schaltung von Gängen in Automatikgetrieben, wird üblicherweise auf Aktuatoren zurückgegriffen, die auf dem Prinzip der Kraftwirkung von statischen Magnetfeldern (Lorentzkraft) beruhen.

Im Rahmen des vorgestellten Projektes sollen Verfahren entwickelt werden, mit denen die auftretende Verlustleistung im Betrieb besser abgeführt werden kann. Dazu soll im ersten Schritt der Kupferlackdraht durch eine eloxierte Aluminiumfolie ersetzt werden. Im zweiten Schritt wird die thermische Anbindung des Wicklungskörpers am Gehäuse mithilfe einer wärmeleitfähigen Isolationsfolie verbessert. Dadurch können bei dem Produkt die Kraftwirkung gesteigert bzw. die Baugröße reduziert und dabei gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt werden. Eine verbesserte Abfuhr der Verlustleistung ermöglicht es den Wicklungskörper mit einem höheren Strom zu belasten und somit die Kraftwirkung zu erhöhen. Soll die Kraftwirkung beibehalten werden, kann durch den höheren Strom die Windungszahl und somit Material und Bauraum reduziert werden. Ein Wicklungskörper aus Aluminiumfolie hat im Vergleich zu Kupferlackdraht das Potential für eine signifikant bessere Wärmeabfuhr, sodass hier mit höheren Strömen gearbeitet werden kann. Allerdings erhöhen sich bei gleichem Bauraum aufgrund der schlechteren elektrischen Leitfähigkeit die auftretenden Verluste. Neben den technischen Vorteilen bringt der Wicklungskörper aus Aluminiumfolie auch wirtschaftliche Vorteile mit sich. So liegt der Rohstoffpreis von Aluminium um etwa den Faktor 3,5 unterhalb dem von Kupferfolie. Darüber hinaus kann auch das Gewicht des Aktuators durch den Einsatz von Aluminium deutlich reduziert werden.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Die beteiligten KMU werden in die Lage versetzt, innovative Technologien für den Markt der elektromagnetischen Energiewandler zu entwickeln und ihr Produkt- und Leistungsportfolio zu verbreitern. Die derzeitige Lage der mittelständischen Automobilzulieferindustrie stellt eine Herausforderung insbesondere für kleinere Betriebe dar, die den Wandel hin zu einem höheren Elektrifizierungsgrad der Fahrzeuge bewältigen müssen. Die in dem Projekt entwickelten Verfahren bieten den KMU ein großes Potential für den Einsatz bei anderen Arten von  elektromagnetischen Wandlern, wie z. B. Elektromotoren oder Induktivitäten, die, im Kontext der Elektromobilität, sinkende Absatzzahlen bei klassischen Technologien des Verbrennungsmotors kompensieren können.

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