EPDC 2014

Creative commons license

Idag får ni Johan Hellsings bevakning av konferensen EPDC 2014.
Det var väldigt roligt att det svenska bidraget “Heat transfer analysis of traction machine with directly cooled laminated winding” vann ”best paper award”. Avo Reinap och teamet på IEA på LTH stod bakom arbetet.
Tack Johan för din fina bevakning.

Besök på EDPC 2014

Av Johan Hellsing (CEVT)
4th Electric Drives Production Conference, Nürnberg 2014-09-30 – 2014-10-01
I likhet med tidigare konferenser, lyckas professor Franke på avdelningen FAPS vid universitetet I Erlangen-Nürnberg, att skapa en bra balans mellan akademisk nivå och relevans för produktutveckling. I år var både deltagarna och utställarna 20-30% fler, ca 350 resp 38 st. Men det är fortfarande en behändig konferens som möjliggör många tillfällen till samtal. Även om det fortfarande är en total dominans av manliga deltagare noterade jag klart fler kvinnliga deltagare än tidigare. I år modiga 4%.
Konferensen fick en kick-start i och med att Lars Thomsen, grundare av framtidsspanarkonsulterna Future matters höll ett anförande om sin syn på Electromobility. Han menade att elektrifiering av fordon inte kommer att ska så linjärt som de flesta hävdar, utan snarare följa popcorn-effekten (först så kommer inget, sen kommer några poffar, sen kommer allting väldigt snabbt). Han menade att det finns goda skäl att tro att TCO (total cost of ownership) kommer att vara lägre för elbilar än konventionella bilar inom 2-4 år. Och när TCO väl är lägre är ”the tipping point” nära förestående. Han avgav sitt löfte till auditoriet att det kommer att finnas mycket jobb runt att utveckla elektriska drivlinor de närmaste 3 åren.
Efter detta uppfriskande anförande fick Mr Grotendorst från Siemens eCar Powertrain Systems (huvudsponsor av konferensen) berätta om Siemens satsningar inom området. Huvudbudskapet var att man organiserar om sig och delar upp Siemens i tre huvudbranscher: Elektrifiering, Automatisering och Digitalisering. Det märktes tydligt att Volvo XC90 PHEV är ett viktigt avstamp för Siemens satsning på elektrifiering av vägfordon.
När sedan den faktiska konferensen drog igång med många parallella sessioner fick jag prioritera. Sessionerna från ”Green Factory Bavaria” fick inget besök av mig alls, men det var tydligt att Bayern har en rätt stor satsning på energi- och resurssnål produktionsteknik. Överlag var det många av presentationerna på EDPC 2014 som gärna berörde just energieffektiv produktion. Jag fick en känsla av en sorts beslutsamhet att reducera energianvändning, snarare än att gnälla på beslutet att avveckla landets kärnkraft. Jag lade heller ingen möda på att hinna med sessionerna om energiöverföring (fr.a. trådlös laddning). Några jag talade med i en paus ansåg inte det kom fram så mycket nytt i år. Nedan skriver jag om några fina axplock från det jag hann med att lyssna av.
Just innan konferensen avslutade presenterades ”best paper award” och det var väldigt roligt att det gick till det svenska bidraget “Heat transfer analysis of traction machine with directly cooled laminated winding”, ett arbete som utförs inom FFI-projekten ExSAM och SuperCool och stöttas av AB Volvo. Grattis till Avo Reinap och teamet på IEA på LTH!
Projektet EMiLE
Ett EU-projekt med många partner som ska ta fram ett fullt ut integrerat elektriskt drivsystem (omriktare, motor, växellåda). Man arbetar med moduler som består av 1/12:dels stator med koncentrerad lindning, en H-brygga med IGBT:er, elektronik för gatedrivningen samt strömmätning. När dessa moduler sammanfogats, läggs DC-bus-kondensatorn, processorkortet och rotorgivaren in på ett mycket kompakt sätt i kvarvarande utrymme innanför elektroniken i de 12 modulerna. Maskinen kommer att drivas som en 6-fasig maskin för att undvika mmf-undervågor som annars kan inträffa med trefasiga maskiner med koncentrerade lindningar. Avslutningsvis en fast nerväxling samt differential. En komplett prototyp ska byggas under våren 2015. Mycket spännande.
Lindningsmetoder
En klar majoritet av elmotorer för EV/HEV använder distribuerad lindning. En distribuerad lindning måste först lindas vid sidan av, och sedan läggas in i statorspåren för hand eller dras in med avancerade maskiner. För att förbereda för kommande högvolymproduktion jobbar man hårt på att reducera manuella moment, men helt automatiserat kommer man aldrig att kunna få produktionen av distribuerade lindningar (möjligen undantaget hair-pin-teknologin) enligt bolaget Otto Rist.
Det finns klara fördelar för högvolymproduktion att gå över till koncentrerade lindningar som kan utföras mer komplett automatiserat, och detta har också gjorts av en del tillverkare av mindre motorer, t.ex. elstyrservo. Koncentrerade lindningar kan antingen lindas in i statorspåren av s.k. needle-winding maskiner, eller så kan man gå mot separata tänder och använda väldigt enkla och snabba lindningsmetoder.
Min rekommendation är att man som elmaskinkonstruktör fördjupar sig väl i detta område och tar egna beslut om lindningsmetod innan man vänder sig till en tillverkare av utrustning. Detta eftersom typ av lindningsmetod har en stor påverkan på statorkonstruktion, samt att ingen enskild tillverkare av lindningsutrustning tycks bemästra alla metoder. Alla tillverkare är alltså mer eller mindre subjektiva.
Laminerade statortänder
Med statorsegment bestående av endast en tand, kan alltså lindningen utföras helt automatiskt och kan också ges en mycket god fyllfaktor. Det schweiziska företaget SWD förespråkade kraftfullt laminerade statortänder, fast istället från utgångspunkten högt utnyttjande av råmaterial. Man visade att en konventionellt utstansad stator utnyttjar 19% av materialet. En segmentering av statorn med 60-graders segment utnyttjar 52% och en segmentering av varje tand ger 84% utnyttjande av utgångsmaterialet. Ett tungt vägande argument i mina öron. Jag har alltid haft uppfattningen att materialet kan utnyttjas bättre då man faktiskt kan stansa ut rotorn inuti statorn. Ja, det går. Fast då vi elmaskinkonstruktörer har fått säga vårt så blir det ofta i slutänden en stålkvalitet som prioriterar magnetiska egenskaper i statorn och en stålkvalitet som prioriterar mekaniska egenskaper i rotorn. Därför stämmer nog ovanstående procentsatser, och det känns som ett tungt argument för separata tänder.
För att sammanfoga de enskilda plåtarna i dessa statorsegment väljer man limning av flera skäl: Hög hållfasthet, låg uppsugningsförmåga av vätska (kapilläreffekt) samt lägsta förluster. Andra metoder är svetsning och mekanisk hophäftning med hjälp av små fördjupningar från stansprocessen. Företaget SWD har utvecklat en metod för att göra limning möjligt i högvolymproduktion.
Men det måste också påpekas att separata statortänder kräver, förutom metod att sätta samman en komplett stator av segment också metod att sammanfoga alla lindningsändar.
Stansningens påverkan på järnförluster
Daimler presenterade ett gediget arbete som har undersökt stansningens bidrag till järnförlusterna. De ”tilläggsförluster” man behöver ta till för att få beräkningar och mätningar att stämma överens vad gäller järnförluster är normalt 50-70%. Det är välkänt att stansningen bidrar, men dess bidrag har kanske aldrig förr blivit så här väl beskriven. Som referens använder man trådgnistning, och stansar sedan identiska plåtbitar av olika materialkvaliteter samt med både nya och väl använda stansverktyg. Man använder också en helt ny metod baserat på polariserat ljus för att bestämma järnförlusternas exakta lokalisering. Man ser att stansningen påverkar olika långt från snittet beroende på stanskvalitet och kornstorlek. Man konstaterar också att stansningen står för mellan 1/3 och hälften av de s.k. tilläggsförlusterna.
Simulering av lindningen av en spole
Det var första gången jag såg att man gett sig på att göra en datormodell av processen att linda en spole. Syftet tycks vara att förstå hur man ska variera parametrar som trådhastighet, trådspänning och trådguidens position för att få så låga skador på tråden som möjligt och därmed en kvalitetskontroll. Säkerligen vill man kunna öka hastigheten på lindningsprocessen. Uppenbarligen krävs avancerade modeller eftersom varje varv på spolen tog ca en timme att simulera.
Utvärdering av impregnering av lindningar
Till skillnad mot lindningsmetoderna, så tycks tillverkare av utrustning för lindningsimpregnering vara mindre fixerade vid en viss metod. Så man kan nog gå till någon av de större tillverkarna och diskutera rätt impregneringsmetod för just din maskinkonstruktion/produktion.
Ett projekt vid Münchens universitet har gjort en imponerande studie över detta område. 40 identiska statorer fick genomgå 10 olika impregneringsmetoder med 5 olika impregneringshartser (alla hartser passar inte för alla metoder, så vissa kombinationer behövdes inte). Olika metoder absorberar olika mycket harts, och man ville i första hand undersöka statorns termiska egenskaper men även statorns livslängd i samband med termiska påfrestningar.
De lindningar som impregnerades absorberade mellan 0,2 och 0,9 kg harts beroende på appliceringsmetod. Man hade också med tre statorer som fick ingjutna lindningar. Då åtgick 4,5 kg harts. Man kunde med mätningar slå fast att appliceringsmetoden i sig inte hade något utslag på lindningens termiska egenskaper, utan det var endast ett linjärt beroende mot mängden absorberat harts. Halva livslängdstestet var genomfört vid tiden för konferensen, och man kunde hittills inte se någon skillnad mellan de olika metoderna vad gällde deras påverkan på livslängd. Dock fick två av de tre statorerna med gjutna lindningar problem med sprickbildningar, så de blev snabbt underkända i livslängdstestet. Jag kan dock tillägga att livslängdstestet endast var termisk stress och inte vibration.