Alexander Kühl

Innovative processes and systems for the automated manufacture, assembly and test of magnetic components for electric motors

Recent developments regarding the design of electric motors have set new requirements on the corresponding production processes. On the one hand, the manufacture of complex new bobbin geometries requires innovative winding technologies. On the other hand, the increasing number of permanent excited motors has to be taken into account through the development of highly efficient automation processes for magnet assembly. This paper presents alternative approaches for the automation of difficult assembly processes regarding these issues developed at the Institute for Manufacturing Automation and Production Systems (FAPS) at the University of Erlangen-Nuremberg.

Innovative developments for automated magnet handling and bonding of rare earth magnets

The market for electric motors in general machine applications and especially in electric driven vehicles has changed tremendously over the last years, as new materials and innovative electronics enable manufacturers to develop electric motors with highest energy densities in applications ranging from miniature up to large industrial motors. Within this development, considerations towards manufacturing and assembly technologies have become a topic of interest, especially the handling of high coercive neodymium iron boron (NdFeB) or samarium cobalt (SmCo) magnet materials for State of the Art permanent magnet excited machines (PM machines). Processes such as positioning and gluing of magnets or the integration of magnetizers into assembly are challenging current methods. Flexible production processes for rapid ramp up and small batch sizes are needed for economic manufacturing. In this paper innovative handling and assembly solutions for magnetized high coercive permanent magnets, developed at the Institute for Manufacturing Automation and Production Systems (FAPS), are presented.

Evaluation of economic and ecologic potential of induction heating in the context of insulation systems within electric drives

Resin applications have always been found within the production of electric drives. Replacing natural materials like tar and rubber, industrial produced polymers quickly spread amongst all major components and manufacturing steps of electric machines. Today, thermosetting resins are mainly used within the disciplines of insulation and fixation of materials, manifesting in wire enamels, impregnation varnishes, potting resins and thermally curing adhesives. Numerous variations in topology create various challenges around these products. Thermal curing generally uses an excessive amount of energy when being conducted by oven heating or infrared radiation. Alternative and particularly energy-efficient technologies are available, but have yet to be investigated from a scientific perspective. Within the research project E|Solation, the E|Drive-Center at the institute FAPS of the Friedrich-Alexander-University of Erlangen-Nuernberg has aimed to investigate induction heating technology as an energy-saving method for thermosetting resin and powder coat curing to create insulating layers within an automated and flexible production of electric drives. Saving potential in the context of electrical sheet laminations has shown to be as high as up to 95% of electrical energy. In order to determine the value of this technology, simulative as well as empiric investigations have to be made to create a better understanding of how induction heating of sheet lamination works and to determine feasibility and integration into current production processes. The paper will present the latest outcomes of energy-focused value stream methods in order to determine applicable scenarios and production thresholds, in which induction heating can be a viable alternative to current heating technologies. In parallel, a simulative approach is under development to determine temperature distribution during heating process of laminated cores. The project aims for an extensive and fundamental knowledge of the process itself in order to determine optimal heating times and maximum efficiency.

Robot-based assembly of stators

Temporarily there are no solutions for a flexible, automated manufacturing system for electric drives. Small and medium-sized enterprises, concentrated on small series or user-specific production, often have to decide between a cost-intensive automated and a flexible, time-consuming manual production system. This paper presents processes and technologies, developed at the E|Drive-Center at the University of Erlangen-Nuremberg, to assembly stators with standard industrial robots. Merged in a demonstrative production line, the manufacturing of stators will be more efficient and of higher quality.

Implementation of the needle winding technique for diamond coils

For the flexible production of increased efficient electric traction drives, a new winding method in terms of the indirect needle winding has been developed. It is the aim to show the full potential of the new winding technique by the manufacturing of an improved motor winding, which consists of diamond coils with twisted litz wire. Adapted devices, in particular a winding template and a needle winding tool, are investigated in several concepts and the evaluated favorites are implemented. A complete winding cell is equipped with all necessary components to demonstrate the feasibility of the modified process technology.

Quo vehis, Elektromobilität?

Kurzfassung Die Verbreitung der Elektromobilität in Deutschland liegt nach wie vor hinter den Zielen und Erwartungen von Politik und Gesellschaft zurück. Bisherige Hemmnisse der Mobilitätswende sind vor allem die relativ hohen Anschaffungskosten von Elektroautos, die politisch sanktionierten Strompreise, die begrenzten Reichweiten sowie der noch wenig komfortable Ladevorgang. Dem stehen wiederum zahlreiche Treiber wie der überlegene Wirkungsgrad, das emissionsfreie Fahren, die Schonung fossiler Ressourcen sowie der beeindruckende Fahrspaß gegenüber. Der vorliegende Beitrag fasst die aktuellen Treiber und Hindernisse der Mobilitätswende aus ökologischer, ökonomischer und sozialer Perspektive zusammen und leitet daraus Herausforderungen an die Technologieentwicklung und Produktionstechnik ab.

Robotergestützte Montage von Elektromotorstatoren

Kurzfassung Die Anzahl der automatisierten Prozesse in der Produktion elektrischer Antriebe nimmt stetig zu. Bisher bestehen flexible Ansätze in der Montage, der Prüfung und der Fixierung von Magneten oder auch spezielle direkte Wicklungsmethoden. Der vorliegende Beitrag präsentiert Forschungsansätze für die roboterbasierte Montage von Elektromotorstatoren. Ausgehend von einem nutgrundisolierten Stator werden die Prozessschritte Wicklungs- und Deckschiebermontage konzeptioniert und umgesetzt.

Produktionsprozesse für kontaktlose Ladeinfrastrukturen

Kurzfassung Einer umfassenden Markteinführung elektrisch angetriebener Fahrzeugsysteme stehen noch hohe Einführungsbarrieren entgegen. Kontaktlose Ladelösungen sind manipulations-sowie vandalismussicher und bieten zudem einen erhöhten Ladekomfort. Sie haben so die Chance, sich zum wesentlichen Markttreiber für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Darüber hinaus können Fahrzeuge in der Bewegung kontaktlos mit Energie versorgt werden und so mit einem minimalen Energiespeicher das Problem einer batteriebedingten Reichweitenbeschränkung beseitigen. Dies kann bei einer insgesamt günstigeren emissionsfreien Mobilität und einer reduzierten Abhängigkeit von Batteriesystemen einer flächendeckenden Einführung von Elektrofahrzeugen zum Durchbruch verhelfen. Für die erfolgreiche Einführung kontaktloser Energieübertragungssysteme sind jedoch die Fahrzeug- und Infrastrukturkosten kontinuierlich weiter zu reduzieren. Ziel dieses Beitrags ist daher die Vorstellung von Ansätzen zur kosteneffizienten Produktion von Fahrzeug- und Infrastrukturkomponenten zum kontaktlosen Laden von Elektrofahrzeugen im Stand und in der Bewegung.

Simulationsunterstützte Parametrierung von Reflowlötprozessen

Kurzfassung Die fortwährende technologische Änderung in Zusammenhang mit neuen regelnden Bedingungen für die Verbesserung der Klimasicherheit führt zu neuen Herausforderungen innerhalb der Elektronikproduktion. Um mit diesen Umständen fertig zu werden, sind innovative und leistungsfähige Methoden für Produkt- und Prozessplanung erforderlich. Dieser Artikel beschreibt, dass der Gebrauch von Simulationstechnologien ein bemerkenswertes Potenzial anbietet, Planungsprozesse zu beschleunigen.