So bauen wir Elektromotoren


Eine neue Ära bei Audi Hungaria: 2018 ging die Produktion der E-Motoren in Serie. In einer 8.500 Quadratmeter großen Halle fertigen über 180 Mitarbeiter die elektrischen Antriebe in drei Schichten und in modularer Produktion. Das Ergebnis kann sich heute schon sehen lassen: bis zu 400 Elektromotoren pro Tag. Ein Blick hinter die Kulissen.

Die Produktionshalle für E-Motoren liegt etwas abseits von den übrigen Gebäuden der Audi Hungaria. In der fußballplatzgroßen Halle fertigen Spezialisten und Roboter die Aggregate der Zukunft – im fein abgestimmten Takt der smarten Produktionssteuerung. Beim Betreten der Halle ist sofort zu spüren, dass hier etwas ganz Besonderes und Einzigartiges entsteht – etwas, auf das alle stolz sind. Egal, an wen ich mich in dieser freundlichen, fast familiären Arbeitsatmosphäre mit meinen Fragen wende, überall bekomme ich Auskunft, schließlich kennen die Mitarbeiter der E-Motorenfertigung ihren Job bis ins kleinste Detail. Während wir herumgehen, fallen mir besonders die Handarbeitsplätze auf. An neun von 13 Stationen sind nur Frauen beschäftigt – sie führen ihre Tätigkeiten mit besonderer Konzentration und feinmotorisch höchst präzise aus.

E-Motor von Audi ist weltweit Spitze

Die Technologie, etwa für die Produktion des Stators, ist eine Innovation und wurde weltweit bisher noch nicht angewandt. Kern dieser Technologie: Der Strom wird in die Wickelköpfe geleitet und damit das Blechpaket erhitzt. Dieses wird in ein Gefäß mit 25 Grad Celsius warmem Harz getaucht, sodass das flüssige Harz in alle Schichten des Stators gelangt. Überflüssiges Harz wird in einer eigens entwickelten Zelle per Laser weggeblasen. Erst danach kommt der Stator in den Ofen. So erfolgt die Produktion schneller, effizienter und weitaus präziser.
Eine weitere Győrer Besonderheit: Der aktive Bereich des E-Motors wird von innen gekühlt, da in der Achse des Rotors ein Kühlkreislauf fließt. Auch diese Lösung ist bisher einmalig.

Vom Prototyp zur Serienfertigung

Um zu verstehen, welch großes Projekt in Győr tatsächlich umgesetzt wurde, schauen wir auf den Weg, der hierher geführt hat: Begonnen hat alles 2013 mit einer Wissensbasis, ähnlich einem geheimen Laboratorium, von dem 2014 die Versuchsproduktion des ersten Elektromotors ausging – in erster Linie mit dem Ziel, die Entwicklung zu unterstützen. Die Strategie von Audi sah vor, im Laufe der Kleinserienproduktion alle Besonderheiten der E-Motorenproduktion zu bestimmen, um die Erfahrungen dann in die Serie einfließen zu lassen. Nachdem die Kleinserienproduktion in Győr überzeugende Ergebnisse brachte, konnte der E-Motor in die nächste Phase gehen, die Serienproduktion.

Am 24. Juli 2018 startete in Győr offiziell die Serienproduktion von Elektroantrieben. Im Rahmen des symbolischen Akts nahmen Péter Szijjártó, Minister für Außenwirtschaft und Auswärtiges, Peter Kössler, Vorstand Produktion und Logistik der AUDI AG, und Achim Heinfling, Vorsitzender des Vorstands der AUDI HUNGARIA Zrt., gemeinsam die Fertigungsanlagen in Betrieb.

Der Aufbau eines Elektromotors scheint auf den ersten Blick einfacher als der eines Verbrennungsmotors: Ersterer besteht aus weniger Teilen und braucht auch keine komplizierte Schaltung, da er mit einem einzigen Gang funktioniert. Trotz des einfachen Aufbaus stand das Unternehmen bei der Entwicklung vor einer ganzen Reihe neuer Aufgaben. Dabei war eine der größten Herausforderungen, dass keiner der bisher bekannten Elektromotoren die erforderliche Leistung für den Antrieb eines Autos – noch dazu eines Premiumfahrzeugs – brachte. Um das Problem zu lösen, entschied sich Audi nach gründlichen Berechnungen für asynchrone Elektromaschinen und damit für eine einfache, zuverlässige und robuste Konstruktion.

Die zweite bedeutende Herausforderung bestand darin, dass neben der hohen Leistung auch Gewicht und Größe entsprechend waren – nicht gerade von Vorteil für den wirtschaftlichen Betrieb eines Autos. Die Entwickler arbeiteten daher an einer kleineren und leichteren Lösung, die dennoch langlebig und leistungsstark sein sollte, wie man es von einem Audi erwartet.

Kurz erklärt: Was ist ein Stator?

Eine der Kernkomponenten des Elektromotors ist der sogenannte Stator. Er schafft das Magnetfeld, das den Rotor in Bewegung setzt. Weitere Bestandteile sind die Leistungselektronik, die nach einem Softwareabgleich in einem gesonderten Gehäuse Platz findet, das einstufige Getriebe sowie zwei Flansch-wellen, die die Kraft zu den Rädern übertragen. Für den Audi e-tron fertigen Mitarbeiter der Audi Hungaria je zwei verschiedene Achsantriebe, welche die Vorder- und Hinterachse in guter quattro Tradition gleichzeitig antreiben. Der vordere Antrieb mit kürzerem 125-kW-Stator bekam die Bezeichnung APA, die größere Einheit AKA treibt die Hinterachse mit 140 kW an.

Der „Weberknecht“ im E-Motorenwerk sorgt für das Aufwickeln und den Einzug der Kupferdrähte.

Trotz des einfachen Aufbaus des E-Motors stand das Unternehmen bei der Entwicklung vor vielen neuen Herausforderungen.

2015 stellte das Unternehmen für diese Aufgabe ein Fertigungsplanungsteam auf, das als gesonderte Organisationseinheit arbeitete. In der ersten Phase erforschte und testete das Team verschiedene Technologien und Prozesse. Dabei trugen sowohl Ingolstadt als auch Győr ihren Teil zur Entwicklung der Elektromotoren bei. Die deutschen Ingenieure stellten die Konzeption auf und entwickelten die Teile, die unter aktivem Strom stehen, während in Ungarn die passiven Teile, wie beispielsweise Gusselemente, geplant wurden. Anfang 2017 begannen die Umwelttests der Elektroantriebe in Győr, erst danach ging es an die Umsetzung der Pläne. Jetzt füllte sich die leer geräumte und auf ihre neuen Aufgaben vorbereitete Halle mit den modernsten Anlagen, und mit einem Schlag wurde alles Realität, was bisher nur auf dem Planungstisch existiert hatte. Doch wie werden die komplexen Motoren genau gebaut? Hier die harten technischen Fakten.

Schritt für Schritt: So entsteht ein Elektromotor

Unser Gang durch die Halle führt uns an die Produktionslinie, die sich in zwei Bereiche gliedert: eine Linie zur Stator-Produktion und eine Montage. Der spannendste Teil der Montage ist sicherlich das vier Meter hohe Wickel- und Einziehzentrum, das mit seinen riesigen, spinnenförmigen Armen die Kupferdrähte aufwickelt und in das Blechpaket einzieht, das aus 590 Blechen besteht.

Zahlen und Fakten

Die Serienproduktion der E-Motoren begann offiziell am 24. Juli 2018. Seitdem werden Elektromotoren mit 125 kW und 247 Nm Drehmoment bzw. 140 kW und 314 Nm Drehmoment für den Audi e-tron produziert, der ausschließlich in Brüssel gebaut wird. Der Stator eines E-Motors wird in rund sieben Stunden gefertigt, die Montage der Achse erfordert weitere neun bis zehn Stunden. In der Betriebseinheit sind aktuell 156 Mitarbeiter und 28 Ingenieure in drei Schichten beschäftigt.

Wir gehen weiter und vermissen die Prozesse, die wir aus der Produktion von Verbrennungsmotoren gewohnt sind. Beim E-Motor wird zuerst die Schaltseite aufgebaut, auf der die Phasenabgänge und Sternpunkte in eine definierte Position gebracht und die Phasen mit Isolierschläuchen versehen werden. Ein Automat portioniert die 20 unterschiedlichen und verschiedenfarbigen Schläuche – immer in der Farbe, Länge und Menge, die für den jeweiligen Stator erforderlich sind. Bei der Kontaktierung werden die phasenweise verflochtenen Kupferdrähte vorsichtig getrennt, von Hand isoliert und gecrimpt. Danach bekommt der Stator einen Temperaturmelder. Beim Bandagieren vernähen zwei Roboternähmaschinen die Wickelköpfe und befestigen sie. Darauf folgt ein elektrischer Test, bei dem das halbfertige Produkt auf 36 verschiedene elektrische Eigenschaften wie zum Beispiel Widerstand, Induktivität und Kriechstrom geprüft wird.

Der letzte wichtige und wiederum einzigartige Schritt ist die Imprägnierung, bei der der fertige Stator in Epoxidharz getaucht und bei hoher Temperatur befestigt wird. Jeder einzelne Stator kann rund ein halbes Kilogramm Harz aufnehmen, das infolge der Hitze in die Schichten des Blechpakets eindringt. Anschließend wird das Harz auf dem Stator in einem 165 Grad heißen Ofen ausgehärtet und die Einheit danach auf unter 35 Grad abgekühlt. Dem folgt eine Győrer Innovation: die Laserreinigung, die überflüssiges Harz vom Stator entfernt. Zum Schluss durchläuft der Stator mehrmals einen gründlichen elektrischen Test, bei dem über 40 Parameter geprüft werden.

Von hier geht der Stator auf den Weg in die Montage, wo gemeinsam mit den übrigen Kaufteilen die komplette Antriebsachse entsteht. Der fertiggestellte Stator wird dort in einen Kühlmantel eingefügt, mit Presstechnik verbunden und danach ins Gehäuse eingepasst. Ähnlich wie in der Automontage gibt es auch in der Elektromotorenmontage eine Hochzeit, wenn der Motor mit dem Getriebe verbunden wird. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass hier ein Automat den Schritt ausführt. Am Ende der Montage werden bei jeder einzelnen Achse dreieinhalb Minuten lang in einer Testkabine akustische Parameter, Dichtigkeit bzw. erneut die elektrischen Eigenschaften und Wirkungsgrade gemessen.

Intelligente FTF bringen die Arbeitsstücke von einer Produktionsinsel zur anderen – völlig selbstständig.

Eine Besonderheit der Montage: Die Produktion läuft nicht mehr am Band, sondern an modularen Produktionsinseln.

Neue Verbrenner

Neben der E-Motorenfertigung brachte das Jahr 2018 auch zwei „traditionelle“ Motorneuheiten. Schließlich geht die Entwicklung von Verbrennungsmotoren im Werk kontinuierlich weiter.

Der neue 2.0 TDI-Dieselmotor mit Mildhybridtechnologie ist leichter als seine Vorgängervariante, da er statt eines Motorblocks aus Guss ein Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium aufweist. Neu entwickelt wurden auch die Kolbenringe, die Kurbelwelle und der Zylinderkopf. Die Kühlung besteht aus drei Kreisläufen: Zwei kühlen den Zylinderkopf, einer den Motorblock – damit wird der optimale Einsatz der Kühlflüssigkeit in jeder Fahrsituation gewährleistet. Im neu entwickelten Turbolader steuert ein schneller Elektromotor die variable Schaufelgeometrie. Das ebenfalls neue Common-Rail-Einspritzsystem leitet den Kraftstoff mit 2.200 bar in den Brennraum, daneben sorgen ein 12-Volt-Startgenerator und ein Lithium-Ionen-Akkumulator für einen deutlich niedrigeren Schadstoffausstoß.

Az 1.0 literes háromhengeres Otto-motor 63 és 85 kW-os változataival újabb hatékony és nagy teljesítményű erőforrásokat gyárt Győr, amelyek tömege mindössze 92 kg. A háromhengeres motort a Volkswagen Konszern különböző modelljeibe építik be, többek között az Audi A3, a Volkswagen Golf, a Seat Leon és a Seat Ateca modellekbe. A háromhengeres motor gyártásához az Audi Hungaria átépítette a mechanikus megmunkálás területét és a gyártósort is.

Künstliche Intelligenz

Als weitere Besonderheit der Montage läuft die Produktion nicht mehr am Band, sondern an modularen Produktionsinseln. Die Aufgabe der Bänder, Arbeitsstücke weiterzuleiten, haben nun Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) übernommen. Solche Fahrzeuge sind bei Audi Hungaria an mehreren Orten im Einsatz, so viele komplexe Aufgaben wie hier haben sie jedoch nirgends: Die FTF fahren in einem dynamischen System, ihre Bewegungen bestimmt ein smarter Algorithmus. Die Fahrzeuge kommunizieren mit den Anlagen, fragen ab, ob diese arbeiten oder frei sind, und bringen anhand der Rückmeldungen Arbeitsstücke zu den Stationen, die gerade aufnahmefähig sind.

Selbst wir Menschen können die intelligenten Fahrzeuge nicht aus der Ruhe bringen: Kreuzen wir ihren Weg, bleiben sie brav stehen und bitten, den Weg freizugeben, da sie wichtige Dinge zu erledigen und wenig Zeit für Pausen haben. Die modulare Produktion auf Grundlage künstlicher Intelligenz hat den großen Vorteil, dass Anlagen, die im Produktionsprozess häufig wiederkehrende Schritte wie Messungen oder Verschraubungen ausführen, nicht so oft eingerichtet werden müssen, wie der jeweilige Arbeitsprozess erfordert. Fahrerlose Transportfahrzeuge können Arbeitsstücke nämlich mehrmals zur gleichen Arbeitsstation zurückbringen.

Wenn beispielsweise dreimal Dichtmaterial auf einen Motor aufgetragen werden muss, dann fährt das FTF dreimal dorthin zurück. In der Halle sind aktuell 23 solcher Fahrzeuge unterwegs, die bei einer täglichen Produktionskapazität von 400 Elektromotoren 20.000 Wege in 24 Stunden zurücklegen. Sie docken selbstständig an, laden sich auf und kommunizieren ständig mit dem Steuerungsserver, der kontrolliert, welchen Befehl sie gerade ausführen. Auch ein besonderes Detail lässt sich nicht übersehen: Beim Abbiegen benutzen sie die gleichen dynamischen Blinker wie die neuen Audi…

Nach dem Imprägnieren wird wird das überschüssige Harz entfernt.

Außergewöhnliche Lösungen

Bei der E-Motorenfertigung kommt dem IT-Bereich eine entscheidende Rolle zu, schließlich wird die modulare Produktion komplett von dieser Abteilung betrieben. Ein Grund, um stolz zu sein, denn: Das Know-how und die komplexen Lösungen, die bei Audi Hungaria zum Einsatz kommen, sind beispiellos am Markt. Hightechsoftware, virtuelle Layouts und Algorithmen arbeiten zusammen, für die Routenplanung der Fahrerlosen Transportfahrzeuge wurden Techniken aus der mathematischen Graphentheorie verwendet. Daneben bekam auch die Logistik eine neue Prozesssteuerung, die an das SAP-Unternehmenssteuerungssystem anknüpft. Im Bereich der Linienbedienung entsteht so eine sehr enge Zusammenarbeit mit der Fertigungsplanung und der Produktion.

In der modular laufenden Montage ersetzen die fahrerlosen Systeme nicht nur die Produktionsbänder und transportieren Arbeitsstücke von einer Produktionsinsel zur anderen – zu ihren Aufgaben zählt auch ein Teil der logistischen Prozesse. Die intelligenten Fahrzeuge transportieren die halbfertigen Achsen auf Motorpaletten. Bevor sie jedoch zur nächsten Arbeitsstation gelangen, passieren sie den Logistikbereich, wo sie bei Bedarf Teile aufnehmen, die für den nächsten Schritt erforderlich sind. So kommt die Achse bereits mit allen zu montierenden Elementen beim Mitarbeiter oder Roboter an, der den nächsten Arbeitsgang vornimmt. Damit ist die logistische Sammelzone praktisch zu einer wichtigen Station des Produktionsprozesses geworden.

Einzigartig in Europa

Für Audi Hungaria brachte die E-Motorenfertigung ganz spezielle Erfahrungen, und dies in mehrfacher Hinsicht. Die größte Herausforderung war, nach 25 Jahren Fertigung von Verbrennungsmotoren das Neuland der Elektromotorenproduktion zu betreten. Während sich bei den Verbrennungsmotoren die Handarbeitsprozesse mit einer objektiven Überprüfung leicht kontrollieren lassen, ist das bei den Elektromotoren, beispielsweise beim Stator, nicht möglich. Gleichzeitig mussten sich die Ingenieure darauf einstellen, dass sich Fehler beim E-Motor nicht wie beim Verbrennungsmotor sofort zeigen, sondern irgendwann eine kürzere Lebensdauer des Antriebs verursachen. Die E-Prüfstände der Technischen Entwicklung sind hier eine Lösung, da sie Langzeitbelastungstests für Elektromotoren ermöglichen.

Die Aufgaben waren also bekannt, und so taten die Mitarbeiter alles für ein perfektes Endergebnis. Dabei entwickelten sie ein großes Know-how, das weltweit nur schwer zu finden ist. Eine E-Motorenfertigung mit der Kapazität von Győr existiert in Europa sonst nicht. Der hohe Grad der Automatisierung, die Technologie und die Fertigungszahlen weisen in die richtige Richtung. Das Unternehmen verfügt über die entscheidenden Kompetenzen, die E-Motoren für seine Autos der Zukunft selbst zu bauen. Und schließlich schlug bisher immer ein Győrer Herz in den Audi Modellen – warum sollte sich dies mit dem Technologiesprung ändern?

„Wir haben Audi Hungaria elektrifiziert! Damit haben wir die Weichen in Richtung Zukunft gestellt. Unsere Motorenproduktion hat in den letzten 25 Jahren ein fundiertes Fachwissen aufgebaut und mit dem Erfahrungsschatz unserer Mitarbeiter aus den über 35 Millionen Motoren haben wir es geschafft, auch Elektroantriebe bei Audi Hungaria zu produzieren. Daneben entwickeln wir konsequent auch unsere Verbrennungsmotoren. Ein Beweis dafür war der Start der Serienproduktion des neu entwickelten Vierzylinder-Dieselmotors mit Mildhybridtechnologie. Mit unserem breiten Produktportfolio, zu dem neben Verbrennungsmotoren auch CNG-Motoren sowie unsere Neuheit, die Elektromotoren, zählen, beliefern wir mehr als 30 Produktionsstandorte des Volkswagen Konzerns.“

Thoralf Hanschel Vorstand
Produktion Motoren
Thoralf Hanschel