Die Forcierung der Elektromobilität ist zentral, um dem Klimawandel zu begegnen. Laut Umweltbundesamt stieg der Anteil des Verkehrs an den Gesamtemissionen in Deutschland auf fast 20 Prozent im Jahr 2022. Das Ziel der Europäischen Union, bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, unterstreicht sowohl die ökologische als auch die ökonomische Bedeutung und hebt die Relevanz für die Entwicklung und Produktion elektrifizierter Fahrzeuge hervor. Um dem wachsenden Preisdruck aus Asien zu begegnen sind Innovationen notwendig, die insbesondere auch einen hohen Automatisierungsgrad erreichen, um die hohen Lohnkosten in Europa auszugleichen.
Der Elektromotor, als Herzstück des elektrischen Antriebsstranges, ist dabei die zentrale Komponente und stellt die OEMs sowie Zuliefererunternehmen vor große Herausforderungen. Elektrische Antriebe bestehen aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator ist, mit über 35 Prozent Anteil der Gesamtkosten der Elektromotorenfertigung, das teuerste Bauteil.
Hairpin-Technologie als Schlüssel
Während traditionelle Statoren aus einer Vielzahl dünner Drahtwicklungen bestehen, werden bei Hairpin-Statoren solide Steckspulen verwendet. Durch den rechteckigen Querschnitt können die Nuten im Statorpaket besser ausgefüllt werden und es ergeben sich höhere Nutfüllfaktoren. Die große Kontaktfläche führt weiterhin dazu, dass eine bessere Kühlwirkung erzielt wird. Diese beiden Vorteile führen zu hohen Leistungen dieser Antriebe. Durch den Einsatz gut erforschter Herstellungsverfahren, wie Schweißen und Umformung, gelten Hairpin-Statoren als sehr gut automatisierbar und eignen sich daher für die Hochvolumenfertigung.
Die Qualitätssicherung kann mit Robotermesszellen und der Verwendung optischer Messsysteme autonom und zeiteffizient durchgeführt werden. Entsprechende Messzellen umfassen serielle Roboterkinematiken mit einem Streifenprojektionsscanner am Endeffektor. Durch das Abfahren verschiedener Messposen mit dem Roboter kann die 3D-Geometrie des gesamten Stators erfasst werden. Aufgrund der glänzend-reflektierenden metallischen Oberfläche der abisolierten Drähte kann unter bestimmten Messposen eine lokale Verminderung der Rekonstruktionsgüte entstehen. Gegenwärtig wird dies durch Mattierungssprays zur Steigerung der optischen Kooperation adressiert.
Alternativ wird aktuell an der simulationsbasierten Prädiktion optimaler Messposen und -parameter geforscht. Die vollständige dimensionelle Rekonstruktion des Stators und speziell der abisolierten Drähte ist relevant für die Prüfung qualitäts- bzw. leistungsbestimmender Merkmale des Antriebs. Ein solches, sicherheitskritisches Merkmal ist die Kriechstrecke. Diese misst den kürzesten Abstand zweier gegeneinander isolierter Drähte und darf vorgegebene Werte nicht unterschreiten. Im Fall sehr hoher Spannungen, können Ströme sonst über den Isolator durchschlagen. Aktuell wird dieses Merkmal manuell, z.B. unter Nutzung von Lehren und Normalen, bestimmt.
Erfassung sicherheitsrelevanter Produktmerkmale
Um die Kriechstrecke zu quantifizieren, wurde ein Verfahren erprobt, das auf Basis von vernetzten 3D-Punktewolkenscans geometrische Merkmale des Stators extrahiert. Über ein mehrstufiges Verfahren werden zuerst die relevanten Regionen des zu vermessenden Stators isoliert, sodass auch die Drahtenden über ein Clusterverfahren identifiziert werden. Die weitere Betrachtung findet lediglich an benachbarten Drahtpaaren statt und wird anschließend für alle Hairpin-Paare durchgeführt. Im nächsten Schritt werden ausgehend vom Mittelpunkt des Stators die Oberflächennormalen des Drahtpaares rekonstruiert, um zwischen Vorder-, Rück- und Seitenflächen zu unterscheiden. Da sich die Kriechstrecke durch eine Isolierkante im Mikrometer-Bereich auf den Stirnseiten ausprägt, wird die Vorderseite für die weitere Berechnung isoliert.
Anschließend wird die Abisolierkante über eine spezielle Normalenvariationsmetrik in den 3D-Punktewolken segmentiert und algorithmisch weiter aufbereitet. Als Ergebnis können Punkte für jeden Draht extrahiert werden, an denen die Isolierkante vermutet wird. Das Merkmal der Kriechstrecke wird als kürzester Pfad (Geodätische Distanz) zwischen zwei benachbarten Abisolierkantenpunktesets auf der vernetzten Geometrieoberfläche berechnet. Im Rahmen einer ersten Versuchsreihe konnten vielversprechende Ergebnisse dieser Methode erreicht werden. Schwankungen und auch Ausreißer können durch zukünftige messtechnische oder algorithmische Verbesserungen adressiert werden.
Die vorgestellte Methode kann in der Qualitätssicherung eingesetzt werden, um die Konformität des sicherheitskritischen Produktmerkmals automatisiert, effizient und auf Basis präzise rekonstruierter metrischer Größen zu prüfen. Die Identifikation von Abweichungen zu einer vorgegebenen Referenz wird häufig auch als Fehler- oder Anomaliedetektion bezeichnet. Im Fall einer Anomalie kann geschultes Personal detailliertere Auswertungen am Stator durchführen und teure Nacharbeit bei abschließenden Tests verhindern.
Autoren: Niklas Grambow, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Prozessautomatisierung und Robotik, Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) und Dr.-Ing. Lennart Hinz, Gruppenleiter, Industrielle und medizinische Bildverarbeitung, Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR)
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