Noteringar från konferens EDPC 2013

Idag får ni Johan Hellsings sammanfattning av konferensen EDPC 2013.
EPDC 2013 står för 3rd International Electric Drives Production Conference and Exhibition 2013 och är en stor tysk konferens.

Noteringar från konferens EDPC 2013
skrivet av Johan Hellsing
Årets konferens rörande produktionsteknik för elektriska motorer, EDPC, var en lyckad tillställning i år igen. Kanske upplevde jag inte lika mycket nyheter, men det är väl naturligt då jag besökte konferensen för tredje året i rad. Liksom tidigare är det tysk dominans (75% av deltagarna) och industriell dominans (78% av deltagarna). Det är också en majoritet (70%) som inte presenterar resultat utan ”bara” lyssnar.
Liksom förra året fanns en parallell konferens om överföring av elenergi till fordon (ETEV 2013). Jag lyssnade till ett fåtal föredrag från den.
Nytt för i år var den parallella konferensen ESPC 2013 som handlade om produktionsteknik för energilager, fr.a. elektriska energilager. Jag följde den inte alls.
EDPC hade i år inlett ett samarbete med E-MOTIVE, som man kallar den delen av VDMA som kopplar till Electromobility. E-MOTIVE låg som en parallell session första dagen. Tyska VDMA (står för Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) är ett av europas största industriförbund med över 3000 anslutna företag inom alla möjliga branscher men med tonvikt på maskinteknik. Medlemsavgiften i VDMA varierar med företagets storlek, så att även mindre företag har råd att vara med. De ordnar konferenser, påverkar politiker, påverkar utbildningen av maskiningenjörer, stöttar sina medlemsföretag, bedriver forskning, formar standarder och en hel del annat. Jag förstod det som att VDMA finansierar drygt 200 forskningsprojekt, varav 24 ligger inom Electromobility och denna del kallar man E-MOTIVE. Några av dessa 24 projekten fick presentera sig på EDPC. Man kallar projekten för JIR, Joint Industrial Research. De har en industridriven agenda och resultaten delas av alla medlemmar i VDMA. Att mekanistförbundet VDMA har tagit ett så tydligt ställningstagande för teknikområdet Electromobility tycker jag säger en hel del. VDMA driver även Green Factory Bavaria – en rad projekt som syftar till energieffektiv produktionsteknik.
Först tre huvudtalare innan själva konferensen inleds
Konferensen inleddes med att konferensordförande prof Jörgen Franke tittar i kristallkulan och kommer fram till att framtidens utmaningar handlar om att elektriska maskiner använder väldigt mycket råmaterial och att vi kommer att behöva föra över elektrisk energi till rörliga objekt. Han pratade därefter om tekniken ”Dielectric Elastomer Actuators”, som är en relativt ny metod att åstadkomma styrbara linjära rörelser med hjälp av elektricitet. Enligt professor Franke kan detta vara en potentiellt mycket viktig teknik för framtidens medicinteknik och robotteknik, dvs artificiella muskler. Liksom piezotekniken kan den användas både som linjär aktuator och som linjär givare.
Dr Arbogast Grunau, forskningschef på Schaeffler och styrelseledamot i VDMA, slår fast att vi har en trend mot mekatronik och mot integrering av funktioner. Vi är på väg bort från pneumatik och hydraulik och på väg mot elektromekanik. Jag reagerar när han nämner att det bedrivs forskning på fr.a. tre ställen i Tyskland: Universiteten, Max Planck-instituten och Fraunhofer-instituten. Det är en annan situation än i Sverige.
Siemens chef för elektriska drivlinor, Ralph Franke, ser som sina viktigaste utmaningar; 1. Individualiserad massproduktion, 2. Komplexare produkter, 3. Kortare tid från innovation till produktion 4. Energi- och resurseffektiva produkter. Därefter pratar han om den kommande 4:e industriella revolutionen. Detta var lite nytt för mig. Han menar att den 1:a industriella revolutionen var Mekanisk serieproduktion i slutet av 1700-talet. Den 2:a industriella revolutionen ägde rum i slutet av 1800-talet och baserades på Elektrisk serieproduktion. I slutet av 1900-talet kommer sedan Automatisk produktion med IT-system, och idag börjar vi skönja starten på den 4:e industriella revolutionen nämligen de Cyber-fysiska systemen. Det verkar handla om att integrera utveckling och produktion, att ha gemensamma databaser och att varje producerad enhet sedan bär all sin information med sig.
EDPC 2013
Det är svårt att komma ifrån att BMWs presentation kändes lite som huvudnumret på konferensen. Bayerns stora fordonstillverkare har ju nyligen lanserat sin första elbil med den elektriska drivlinan utvecklad och producerad av BMW själva.
BMW kunde därför nu presentera lite mer detaljer om sin elmotor till elbilen BMW i3. Bilen har en tydligt avgränsad bottenplatta som innehåller hjulupphängning, krockstruktur, batteri, elektrisk drivlina. Komplett bil väger endast 1200 kg. Elmaskinen väger 50 kg (65 kg komplett inkl kraftelektronik och hus) och ger 125 kW (167 hk) i toppeffekt. Huset är dubbelväggigt för vattenkylning av motorn. Elmotorn kopplas sedan till en enkel reduktionsväxel utan växelsteg. Att inte ha flera olika växelsteg har helt klart påverkat motorkonstruktionen, eftersom ett stort konstanteffektområde krävs. BMW har av det skälet valt en hybrid mellan PM-motor och reluktansmotor (60/40 magnetiskt-/reluktansmoment) och den ger närapå konstant effekt över 4500-11500 rpm. Statorn görs i 0,2 mm lågförluststål och segmenteras. Rotorn görs i mer standardmaterial. Man väljer distribuerad statorlindning för lägre förluster. Överlag tycks BMW ha haft hög verkningsgrad som ledstjärna. Man når också upp till 97% verkningsgrad i bästa punkten vid normal arbetstemperatur 120 grader. Det är mycket bra, men motorn blir nog inte billig. Rotorgivaren är en resolver med samma poltal som statorn, dvs 12. Mycket intressant var att BMW hävdar att magnetisering av magneterna i färdigbyggd rotor blir precis lika bra som att bygga en rotor med färdigmagnetiserade magneter. Och monteringen blir ju väsentligt enklare med icke-magnetiserade magneter. Mängden magneter framgår inte i absoluta tal, men det nämns att man inte sparat in på magnetmängden jämfört med om man hade gjort en mer traditionell IPM-maskin.
ZF berättar om sin produktion av elmaskiner som nu kommit upp i 50.000 producerade elmotorer sedan starten 2008. Man har en produktionslina för elmotorer 250-550 mm diameter, 20-100 kg. Man nämner att deras produktionslina kostat dem ca 10 M€, men jag vet också att de köper in relativt mycket ”halvfabrikat”, t.ex. helt färdiga plåtpaket. Intressant är att de mycket specifikt nämner de fyra ”core competence” som ZF behöver besitta med sin nuvarande produktionsteknik: Silverlödning Cu-Cu, Tät inkapsling av strömskenor och lödställen, Limning av de färdigmagnetiserade magneterna, Impregnering av statorspolarna.
Siemens har byggt sig en egen elbil som ett internt forskningsprojekt. Man har hjulmotorer på bakhjulen, och behåller friktionsbromsar bara på framhjulen. En hjulmotor ger 1250 Nm/120 kW i peak (500 Nm/65 kW i kontinuitet) och väger 50 kg inklusive hus. Motorn driver hjulet direkt utan reduktionsväxel och man har vattenkyld stator, koncentrerade statorlindningar och PM innerrotor. Batterispänningen ligger på 600 V. Då hjulmotorerna är så pass kraftiga anser man sig kunna klara alla inbromsningar (friktionsbromsar fram, elmotorer bak) utan att få problem med stabiliteten. Siemens hävdar att bilen uppfyller tyska lagkrav, men jag undrar om det verkligen kan stämma?
Företaget Bühler presenterar sin produktionsfärdiga segmenterade stator. Alla segmenten sitter ihop ute vid ytterdiametern, och rullas ihop och pressas in i ett rör som bibehåller den runda formen. Genom att linda varje statortand med en koncentrerad lindning innan statorn rullas ihop, har man ökat fyllfaktorn med 50% (typ från 40% till 60% fyllfaktor). Med bibehållen prestanda har man då minskat ytterdiametern från 60 mm till 50 mm. Även rotordiametern minskar, med bättre dynamik som följd. Att linda en fristående statortand på det här sättet ger en bättre kontroll på trådföringen, dvs att koppartråden hamnar precis där man vill ha den, men framför allt en mycket kortare lindningstid. Viktiga saker, eftersom denna motor nu produceras i en takt av 2 miljoner/år. Men visst finns det nackdelar med segmentering också: Man ser högre järnförluster i övergången mellan statorsegmenten och det är en del extra arbete för att få till ihoprullningen av statorn på ett bra sätt.
Två föredrag handlar om att även vindkraftindustrin börjat titta på massproduktionstänk för sina nya direktdrivna generatorer. Att gå mot segmenterad stator med koncentrerade lindningar, gör att man kommer ner i storlekar och kommer upp i antal producerade enheter och kan så smått börja använda automatiserad produktion. Automation är nödvändigt för att kunna konkurrera med asiatiska tillverkare. Segmenterad stator är faktiskt också ett sätt att lättare klara transporten av dessa gigantiska elmaskiner som kan vara upp till 10 m ytterdiameter. Detta händer dock inte över en natt då konstruktion av stora maskiner typiskt är väldigt konservativt, där man gärna håller sig till beprövad teknik.
En hel session var vigd åt impregnering av statorlindningen. Företagen som sysslat med detta i många år märker att Electromobility ökar kraven för dem. T.ex. är start med full effekt i minus 30 grader ett krav som de inte haft tidigare. Impregnering fyller ett flertal syften: att limma samman koppartrådarna och ge en mekanisk styrka, att öka miljötålighet, att öka värmeledning, att ge en bättre isolation och även att få ur alla små luftfickor ur statorspåret. Att få bort alla små luftbubblor spelar stor roll för både livslängd (hög fältstyrka kan ge lokala urladdningar som åldrar isolationsmaterialet) och värmeöverföring. Det finns ett flertal metoder för att applicera impregneringen, som alla har sina fördelar och nackdelar vad gäller ovanstående egenskaper. Även materialåtgång och tid för borttagning av överflödigt material är viktiga parametrar för volymproduktion. Sedan finns förstås olika impregneringsmaterial med olika viskositet eller som klarar olika temperaturnivåer samt material med olika tillsatser för att förbättra de värmeledande egenskaperna. I korthet kan man säga att det går fortast att bara doppa ner statorn, men det ger också det sämsta resultatet. Det bästa resultatet fås om man tar vakuum till hjälp under en relativt lång tid för att få ut alla luftbubblor. Ett par mellanting är att applicera impregneringen droppvis på en roterande stator eller att låta statorns utsida rulla i ett bad med ett väl definierat djup. Nu var denna session upplagd mycket i ett undervisande syfte, men jag förstod som att många inom automotive vill undvika vakuumimpregnering pga dess långa processtid.
Ett ungerskt företag, Domel, gjuter samman statorpaketet med plast runt tänderna ”overmoulding” och får samtidigt spårisolering. Tar eventuellt lite mer plats än pappersisolering – de behöver 0,6-0,8 mm tjocklek på plasten. Intressant koncept för automatiserad volymproduktion, och de hävdar förbättrad värmeöverföring.
Av flera hör jag att limning som metod att hålla ihop statorpaketet håller på att bli en etablerad metod även för volymproduktion. Tidigare har man ansett den metoden vara för dyr. Metoden ger de lägsta förlusterna, då man helt undviker galvanisk kontakt mellan statorns stålplåtar vilket reducerar virvelströmsförluster.
ETEV 2013
Av rubrikerna på föredragen att döma, är det på induktiv överföring av el som majoriteten av forskningen görs. Ett enda föredrag berörde överföring med galvanisk kontakt, och det var Siemens E-Highway. Siemens anser dubbla linor i luften ovanför fordonen är rätt metod på grund av låg investeringsnivå och beprövad teknik. Siemens har lagt en del arbete bakom en ny typ av pantograf som är en kombination av teknik från både spårvagn och trådbuss. Siemens planerar inte att dra någon jordledning i luften, utan anser att säkerhetsfrågan vid isolationsfel går att lösa ändå. Man har valt 670 VDC och uppger minst 99% verkningsgrad för själva överföringen. Projektet ihop med Scania kallar man ENUBA2.
Flander’s DRIVE är ett Belgiskt industridrivet forskningsinstitut, som bl.a. testar Bombardiers induktiva teknik på en testbana i Lommel. Man har i en första projektfas testat existerande Primove-teknik med både buss och personbil, både stillastående och rörligt. Man har testat Bombardiers 4-meters segment inlagda i både betong (totalt 125 meter) och asfalt (totalt 30 meter). Resultat för bussen: Mottagardelen är 2 x 1 m stor och man har installerat teknik för att kunna sänka mottagardelen ända ner till marken. Erfarenheten är att luftgapet varierar mellan 15 och 26 cm under körning och mottagardelen rör sig förstås en del även i sidled. Under ideala förhållanden kan man föra över maximalt 55 kW vid en verkningsgrad på 85%. Överförd effekt sjunker dock snabbt vid variationer i sidledes position. Resultaten presenterades inte explicit, men min bedömning av ett visat diagram är att överförd effekt sjunker till 30-40 kW under realistisk körning. Flander’s drive anser att tekniken inte är klar för dynamisk överföring än, utan man går vidare till projektfas 2 med endast stationär induktiv laddning (3 olika demoprojekt med stadsbussar från VanHool, Solaris och Hess). Dessutom kommer man i fas 2 att alltid sänka mottagardelen vid laddning för att de magnetiska läckfälten annars överstiger rekommenderade gränsvärden. Passagerarutrymmet skärmas med hjälp av en 3 mm Aluminiumplåt. När mottagardelen är nersänkt når man 140 kW överförd effekt vid en verkningsgrad på över 90%.