Benutzer:LJuris/Hairpintechnologie

Die Hairpin-Technologie (deutsch: Haarnadel-Technologie) wird in den Statoren von Elektromotoren eingesetzt, hierbei werden massive Kupferdrähte (in der Regel Kupferflachdrähte) in die Statornuten des Blechpakets eingebracht und nicht, wie bei herkömmlichen Elektromotoren gewickelte Runddrähte. Dadurch ist es möglich, einen höheren Nutfüllfaktor zu erreichen, wodurch man die Leistung erhöhen und den Bauraum verkleinern kann. Das Wirkungsprinzip des Stators bleibt erhalten, in dem durch Strom ein sich rotierendes Magnetfeld aufgebaut wird, welches einen Rotor im Inneren antreibt.

Hairpin-Technologie

Das Blechpaket besteht –analog zu herkömmlichen Statoren– aus einer Vielzahl gegeneinander isolierter Elektroblechlagen (Blechdicke: 0,1 –1,0 mm). Die U-förmig gebogenen Hairpins ersetzen damit die klassischen Wickelverfahren wie das Nadelwickeln, das Flyerwickeln und die Einzieh-Technik. Im Gegensatz zu den klassischen Verfahren handelt es sich bei der Hairpin-Technologie somit um ein umformbasiertes Montageverfahren.^[1] Die Hairpin-Technologie ist in Generatoren bereits weit verbreitet und zeigt derzeit einen starken Trend in Richtung dieses Designs als Traktionsmotor in der Automobilindustrie, da die Hairpin-Technologie sich sowohl für die Statorwicklung von Synchron-als auch von Asynchronmotoren mit verteilter Wicklung eignet. Außerdem liegt der elektrische Nutfüllfaktor von Hairpin-Statoren aufgrund des rechteckigen Querschnitts sowie der geringen Anzahl an Windungen bei ca. 73 % und ist damit wesentlich höher als bei den klassischen Wickelverfahren (45-50 %, abhängig von der Isolationsdicke).^[2]

Herstellungsprozess eines Hairpinstators

Kupferdraht richten

Durch das Aufwickeln des Kupferdrahtes auf die Haspel entstehen Verkrümmungen in der Drahtstruktur, die für die weiteren Prozessschritte korrigiert werden müssen. Bei dem mehrstufigen Richten wird der Draht in mehreren Schritten durch Richtwerkzeuge (in zwei Achsenrichtungen) gerichtet, um die Restkrümmung weit möglichst zu entfernen. Das exakte Richten des rechteckigen Kupferdrahtes führt zu einer Erhöhung der Positioniergenauigkeit beim Schränken und Schweißen der Hairpins in den nachgelagerten Prozessschritten. Die Transportrollen befördern den gerichteten Kupferdraht anschließend zum nächsten Prozessschritt. Da der Richtprozess sehr sensitiv gegenüber Schwankungen der Eingangsparameter ist, müssen der vorgelagerte Abhaspel Prozess, der Drahttransport sowie die Drahteigenschaften kontrolliert werden. Zu dem hier beschriebenen Richtprozess gibt es zwei weitere Alternativen: das Streckrichten und das Streckbiegerichten.

Richtanlage

Kupferdraht abisolieren

Für das nachgelagerte Kontaktieren der Kupferenden sind diese selektiv von ihrer Isolierschicht zu befreien. Der abzuisolierende Bereich wird mehrfach vom Laser (oder von mehreren Lasern mit unterschiedlicher Wellenlänge) im gepulsten Modus angefahren. Zunächst „brennt“ die Isolierung mit einer sichtbaren Flamme, da der Leiter und das Isoliermaterial durch den Laser erwärmt werden. Nach Entfernung des größten Teils der Isolation wird die Laserstrahlung vom Basismaterial absorbiert. Durch eine abrupte thermische Erwärmung des Leiters werden verbleibende Isolations- und Verbrennungsrückstände „abgesprengt“.^[3] Anschließend müssen die Kupferenden gereinigt werden, um beim Kontaktieren keine Unreinheiten ins Material einzuarbeiten. Zum Lasern gibt es weitere Alternativen, die zum Teil mechanisch (Schleifen, (Ultraschall)Schaben, Fräsen, Bürsten), als auch chemisch (N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), N-Ethyl-2-pyrrolidon (NEP), γ-Butyrolacton(GBL)) die Isolation der Hairpins entfernen.

Kupferdraht ablängen

Der gerichtete Kupferdraht wird entsprechend der erforderlichen Hairpin-Geometrie abgelängt. Dafür wird das Scherschneiden verwendet, welches aus den folgenden vier Phasen besteht:

Kupferdraht ablängen

· Elastische Verformung

· Plastische Verformung

· Plastische Strömung

· Rissbildung

Der Schneidprozess ist so einzustellen, dass eine Deformation des Drahtquerschnittes und eine Gratbildung vermieden werden.^[4] Optional müssen die Kupferenden händisch nachbearbeitet werden, um den Grat zu entfernen und die Nutisolation bei der Montage nicht zu beschädigen. Zum Scherschneideverfahren gibt es weitere potenzielle Trennverfahren wie zum Beispiel das Messerschneiden, das Beißschneiden, das Reißen und das Einreißen. Dabei muss bei allen Trennverfahren darauf geachtet werden, dass der Drahtquerschnitt nicht deformiert, die Positionierung des Schnittes nicht verändert und die Isolationsschicht nicht beschädigt wird.

Kupferdraht biegen

Im Rahmen des Biegeprozesses wird zwischen dem 2D-und dem 3D-Biegen differenziert. Die Kupferdrähte müssen dreidimensional gebogen werden, um im Stator verschiedene Lagen (Reihen der Statornuten) untereinander verbinden zu können.^[5] Der gesamte Formgebungsprozess der Kupferdrähte kann dabei ein- oder mehrstufig erfolgen (integrierte bzw. spezialisierte Anlagen).

CNC-Biegen:

Das CNC-Biegen ist eine rechnergestützte Steuerung der Biegemaschinen, in denen das 2D-und 3D-Biegen integriert ist. Dabei wird der Kupferdraht durch ein einzelnes oder durch mehrere Biegewerkzeuge direkt in die gewünschte Endkontur gebracht, was dieses Verfahren hochflexibel macht, um mehrere Hairpin-Geometrien auf einer Maschine fertigen zu können.

Schwenkbiegen:

Das Werkstück wird zwischen Ober- und Unterwange des Biegewerkzeugs eingespannt und erhält durch die Pressung seine 2D-Form. Der Nachteil dieser Biegemethode ist, dass für jede neue Geometrie der Hairpins neue Werkzeuge hergestellt werden und gewechselt werden müssen.

Gesenkbiegen:

Das durch das Schwenkbiegen 2D-gebogene Werkstück wird auf eine Matrize mit V-förmiger Öffnung gelegt und durch die Abwärtsbewegung des Stempels in die 3D-Kontur gepresst.

Freies Biegen/Auseinanderziehen:

Die zu erzeugte Form wird nur über die Bewegung des Werkzeugs gesteuert. Ein Hairpinleg wird eingespannt und das Andere wird von dem Greifer der Maschine in Form gezogen. Dieses Verfahren kann in Kombination mit dem Schwenkbiegen verwendet werden.

CNC-Biegen
Schwenkbiegen
Gesenkbiegen
Freies Biegen

Statornut isolieren

Die abisolierten Hairpins werden durch die Verwendung von Nutisolationspapier vom Erdpotenzial des Blechpakets getrennt. Manuelles oder voll automatisiertes Schneiden und Falzen (Nutgrund- und Nutöffungsfalzen) des Isolationspapiers sind möglich. Stetige Synchronisation des Materialvorschubs, der Taktung, des Einlegens bzw. Einschießens, der Auskleidung der Nuten ist erforderlich, wozu ein sensorbasiertes Kontrollsystem verwendet werden muss. Optional kann das Nutpapier vor dem Einstecken trichterförmig aufgeweitet werden, um die Montage zu vereinfachen. Das Nutpapier muss manuell oder automatisch auf Beschädigungen sowie Riss- und Faltenfreiheiten vor dem Einstecken geprüft werden. Wenn die Nutisolation beschädigt ist, kann es zu Kurzschlüssen oder Leistungsverlust kommen. Es gibt zwei Alternativen für das Einschießen des Nutpapiers, zum einen die Pulverisolation, die die Nuten mit einem spritzgussähnlichen Verfahren isoliert. Zum anderen gibt es den 3D-Druck, der hochviskose Pasten schichtweise extrudiert und das Bauteil anschließend sintert.

Hairpins vormontieren

Hinterschnitte und Überdeckungen der Wickelkopfgeometrie limitieren die sequenzielle Direktmontage der Hairpins in das Blechpaket und erfordern die statorexterne Vormontage. Dazu werden die Hairpins außerhalb des Blechpaketes zu einem oder mehreren Hairpin-Körben vormontiert. Die Korbzusammenstellung erfolgt in einem Werkstückträger oder einer Übergabevorrichtung. Es werden Vormontagestrategien wie Eindrehen, radiales Zustellen und Umsetzen eingesetzt, um die Hairpins möglichst ohne Deformierung oder Beschädigung der Isolation, sowohl am Hairpin selbst, als auch an der Nutisolation zu montieren. Bei der Vormontage ist auf die richtige Sortierung der Hairpins zu achten (ca. 3 –16 Typen je Stator), da unterschiedliche Typen unterschiedlich lang und gebogen sind und nur für eine bestimmte Lage im Stator vorgesehen sind. Die hohe Abhängigkeit der Vormontage vom Wickelschema und der Hairpingeometrie erfordert komplexen Sondermaschinenbau und schränkt die Variantenflexibilität ein. Eine Alternative ist die Direktmontage, welche viele Wickelschema zulässt, aber mit enormen Zeitaufwand und hohem Ausschuss auf Grund von Deformierung verbunden ist. Des Weiteren könnten Verfahren wie die kontinuierliche Hairpin-Wicklung oder die Integration von Biegeoperationen in die Vormontageoperation verwendet werden.

Hairpins fügen

Die Hairpin-Körbe werden aus der Vormontagestation durch Vielfachgreifsysteme umgesetzt und axial in das Blechpaket eingesteckt, wobei der Fügespalt in der Regel < 0,1 mm ist. Die Anforderungen an die Maschine sind sehr hoch, da trotz der geringen Toleranzen die Hairpinkörbe ohne plastische Verformung der Hairpins und ohne Beschädigung oder Dislokation der Nutisolation in den Stator eingesetzt werden müssen. Die Endausrichtung der Hairpins erfolgt im Greifsystem bzw. durch zusätzliche Montagehilfen. Beim Montageprozess ist die Nutisolation gegen Beschädigung und axiales Verrutschen zu sichern. Formschrägen an den Hairpins und/oder Vorrichtungen erleichtern das Einführen in die Statornuten. Gegebenenfalls können Sonderhairpins einzeln in das Statorblechpaket eingesteckt werden, um den Verschaltungsaufwand in den nachfolgenden Prozessschritten zu reduzieren. Abschließend werden die Hairpins in axialer Endposition ausgerichtet z.B. durch die Nutzung einer Nachdrückplatte.

Kupferenden freistellen

Das radiales Freistellen und Vereinzeln der Kupferenden ist für die axiale Zugänglichkeit des Schränkwerkzeuges notwendig. Ein Abstützen der Kupferenden oberhalb der Nutisolation ist erforderlich, um auf der Schränkseite einen definierten Umformprozess zu gewährleisten. Die Kupferenden werden durch ein Formwerkzeug radial umgeformt, um eine ausreichende Freistellung voneinander zu erzeugen. Der Prozess kann nutweise, lagenweise oder in einem Schritt erfolgen, was einen Einfluss auf die erreichbare Taktzeit und Variantenflexibilität hat. Die Alternative zum radialen ist das axiale Freistellen, welches mehrere Hairpins auf einmal freistellen kann.

Kupferenden schränken

Die hervorstehenden Kupferenden werden lagenweise tangential umgeformt und in ihre endgültige Form gebracht. Die Kupferenden werden durch eine rotatorische Werkzeugbewegung umgeformt (das Werkzeug ist dabei translatorisch nachzuführen). Ziel ist es, die zu kontaktierenden Kupferenden parallel zueinander auszurichten, was eine S-förmige Schränkgeometrie bedingt. Freie Drahtenden werden beim Schränkprozess im Biegeradius abgestützt. Gegebenenfalls werden Stützelemente am gegenüberliegenden Wickelkopf verwendet, um der axialen Hubkraft des Biegevorgangs entgegenzuwirken. Je nach Wickelschema müssen die Lagen unterschiedlich weit umgeformt werden, um durch das Wickelschema einen dreiphasigen Wechselstrom fließen zu lassen und ein sich drehendes Magnetfeld zu erzeugen. Eine weitere Methode die gewünschte Verschaltung zu erreichen wäre ein vorgefertigter Verschaltring, welcher das Schränken ersetzt, dennoch mit den Kupferenden kontaktiert werden muss.

Kupferenden ablängen

Zum Ausgleich der Höhenunterschiede von miteinander zu kontaktierenden Kupferenden werden diese mithilfe einer Schneidvorrichtung (Scherschneiden) angeglichen. Zur Fixierung und zum Schutz der Kupferenden wird während des Prozesses ein Positionierungselement verwendet, das teilweise zum Repositionieren genutzt wird. Es ist darauf zu achten, dass keine Kupferabschnitte im Wickelkopf verbleiben, da eine erhöhte Kurzschlussgefahr herrscht oder die Abschnitte im späteren Betrieb in den Motor hereinfallen und diesen beschädigen könnten. Der Prozess kann einzeln, nutweise oder im Vollschnitt erfolgen, was einen Einfluss auf die erreichbare Taktzeit und Variantenflexibilität hat. Bei prozesssicherer Toleranzführung der vorausgegangenen Schritte kann der Schneidprozess entfallen. Es gibt einige Alternativen zum Scherschneiden wie zum Beispiel die Spanende Bearbeitung oder das mechanische Schleifen, welche beide von einer Reinigung gefolgt, durchgeführt werden können. Ebenfalls dürfen keine Form und Lagetoleranzen verändert werden, da die nachfolgenden Prozessschritte einen gleichmäßig aufgebauten Stator benötigen.

Kupferenden kontaktieren

Gemäß des festgelegten Wickelschemas werden die Kupferenden stoffschlüssig elektrisch miteinander kontaktiert. Vor dem Schweißprozess sollte zusätzlich ein kamerabasiertes Sensorsystem mit integrierter Regelung verwendet werden, welches die Position der Kupferenden erkennt und den Schweißprozess automatisch adaptiert. Benachbarte Kupferenden werden mittels einer Spannvorrichtung fixiert. Durch Absorption der Laserleistung werden die Oberflächen der Kupferenden aufgeschmolzen und sind nach dem anschließenden Abkühlprozess stoffbündig miteinander verbunden. Je nach Wickelkopfgeometrie kann eine nachträgliche galvanische Trennung benachbarter Schweißverbindungen erforderlich sein, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern. Eine Alternative zum Laserschweißen ist das Mikroplasmaschweißen/MIG-Schweißen oder das Widerstandshartlöten, auch diese Verfahren müssen, wenn sie computergesteuert sind, über ein Sensorsystem überwacht werden.

Verschaltelemente kontaktieren

In diesem Prozessschritt wird unter dem Begriff Verschaltelemente der Kontaktring inklusive Jumper/Steckbrücken, Anschlussklemmen („Terminal Connectors”) und Sternverbinder verstanden. Zunächst werden die Verschaltelemente montiert, um die Kontaktierung zweier nicht benachbarter Kupferenden und damit die Verbindung zwischen Wicklungssätzen zu ermöglichen. Nach der Montage und vor dem Schweißprozess kann ein kamerabasiertes Sensorsystem zur korrekten Positionierung der Verschaltelemente verwendet werden. Durch Absorption der Laserleistung werden die Oberflächen der Kupferenden und der Verschaltelemente aufgeschmolzen und sind nach dem anschließenden Abkühlprozess stoffbündig miteinander verbunden. Die Laserleistung und Wellenlänge müssen sorgfältig gewählt werden, um durch das Verschweißen keine Poren oder Spritzer zu erzeugen, welche die elektrische Leitfähigkeit und damit die Leistung beeinflussen.^[6]

Kupferenden isolieren

Wenn das Harz im Stator ausgehärtet ist, müssen die noch blanken verschweißten Kupferenden beschichtet werden, damit Kurzschlüsse und Kriechströme vermieden werden. Häufig wird das Wirbelsinterverfahren genutzt, bei dem eine Pulverbeschichtung aufgetragen wird. Nach dem Vorwärmen der Kupferenden werden die Kupferenden unter Drehen in das Sinterbecken eingetaucht. Das verwirbelte Pulver schmilzt an der Kupferoberfläche, solange die Oberflächentemperatur über der Schmelztemperatur des Kunststoffes liegt. Die Beschichtungsdicke ist abhängig von der Vorwärmtemperatur und der Eintauchzeit. Nach dem Aufschmelzen erfolgt eine Abkühlung auf einer Auslaufstrecke. Als Alternative zum Wirbelsinterverfahren gibt es das Tauchverfahren, in dem der Stator mit den blanken Kupferenden in ein Harzbad getaucht wird, welches eine isolierende Schicht bildet.

Stator imprägnieren

Der Stator und das Imprägnierharz werden vor der Applikation durch Träufel- oder Tauchverfahren erwärmt. Die Nutdurchdringung und gleichmäßige Harzverteilung entsteht durch Kapillareffekte und axiales Rollen des Stators. Präzise Gelierung, Aushärtung und Abkühlung des Harzes durch Durchlaufen von spezifischen Temperaturprofilen bzw. Anlagenabschnitten. Der Einsatz von Vollvergussverfahren ist nötig, falls produktseitig eine höhere Wärmeableitung erforderlich ist. Das Statorspannkonzept ist entscheidend für die Beschädigungsfreiheit im variablen Prozesstemperaturprofil. Die Kontrolle der Harzaufnahme geschieht entweder durch Kameraüberwachung oder durch Wiegen des Stators vor und nach dem Harzbad. Um die Temperaturprofile in den Stator einzuprägen stehen mehrere Verfahren zur Auswahl: Konvektion, Induktion, Stromwärme (Joule-Effekt), Infrarot oder UV-Strahlung. Die wesentlichen Qualitätsmerkmale sind der Füllfaktor insbesondere im Nutgrund und die hohe Wärmeleitfähigkeit, welche durch Vermeidung von Hohlräumen erzielt werden kann.

Stator testen

Bevor der Stator in weiteren Schritten mit weiteren Komponenten zum Gesamtsystem assembliert wird, wird er in einem Prozessschritt getestet i.d.R. erfolgt dieser Test am Ende der Statorproduktionslinie. Im Rahmen der Statorprüfung wird unter anderem die Isolationsfestigkeit geprüft. Dort wird unterschieden in qualitätsrelevante und sicherheitsrelevante Faktoren. Qualitätsrelevant ist die innere Isolation zwischen Windungen innerhalb einer/unterschiedlicher Phase(n). Sicherheitsrelevant ist die äußere Isolation zwischen dem Leitersystem und dem Blechpaket. Außerdem werden die Ohm’schen Widerstände innerhalb des Leitungssystems geprüft und weitere Prüfungen wie die Polarisationsindexprüfung, Stufenspannungsprüfung und die Drehrichtungsprüfung werden durchgeführt.

Die Symmetrie der Phasenwiderstände und die Isolationsfestigkeit zwischen Wicklung/Wicklung und Wicklung/Gehäuse sind mit der Fehlerfreiheit im Wickelschema die wichtigsten Faktoren der Prüfung.

Einzelnachweise

↑ Jürgen Hagedorn, Florian Sell-Le Blanc, Jürgen Fleischer: Handbuch der Wickeltechnik für hocheffiziente Spulen und Motoren. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-49209-3, doi:10.1007/978-3-662-49210-9 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).
↑ Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel: Herausforderung Hairpintechnologie Technologieschub für OEMs und Anlagenbauer. In: ATZelektronik. Band 13, Nr. 5, Oktober 2018, ISSN 1862-1791, S. 62–67, doi:10.1007/s35658-018-0061-6 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).
↑ Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg,, Institute of Electrical and Electronics Engineers,: 2017 7th International Electric Drives Production Conference (E/DPC) : proceedings : December 5th-6th, 2017, Wuerzburg, Germany. [Piscataway, New Jersey], ISBN 978-1-5386-1069-5.
↑ Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel: Herausforderung Hairpintechnologie Technologieschub für OEMs und Anlagenbauer. In: ATZelektronik. Band 13, Nr. 5, Oktober 2018, ISSN 1862-1791, S. 62–67, doi:10.1007/s35658-018-0061-6 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).
↑ Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel, Maximilian Krebs: Ex-Ante Process-FMEA for Hairpin Stator Production by early Prototypical Production Concepts. Hrsg.: Chair of Production Engineering of E-Mobility Components [PEM] of RWTH Aachen University. Aachen, S. 7.
↑ Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel: Herausforderung Hairpintechnologie Technologieschub für OEMs und Anlagenbauer. In: ATZelektronik. Band 13, Nr. 5, Oktober 2018, ISSN 1862-1791, S. 62–67, doi:10.1007/s35658-018-0061-6 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).

[1] Jürgen Hagedorn, Florian Sell-Le Blanc, Jürgen Fleischer: Handbuch der Wickeltechnik für hocheffiziente Spulen und Motoren. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-49209-3, doi:10.1007/978-3-662-49210-9 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).

[2] Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel: Herausforderung Hairpintechnologie Technologieschub für OEMs und Anlagenbauer. In: ATZelektronik. Band 13, Nr. 5, Oktober 2018, ISSN 1862-1791, S. 62–67, doi:10.1007/s35658-018-0061-6 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).

[3] Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg,, Institute of Electrical and Electronics Engineers,: 2017 7th International Electric Drives Production Conference (E/DPC) : proceedings : December 5th-6th, 2017, Wuerzburg, Germany. [Piscataway, New Jersey], ISBN 978-1-5386-1069-5.

[4] Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel: Herausforderung Hairpintechnologie Technologieschub für OEMs und Anlagenbauer. In: ATZelektronik. Band 13, Nr. 5, Oktober 2018, ISSN 1862-1791, S. 62–67, doi:10.1007/s35658-018-0061-6 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).

[5] Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel, Maximilian Krebs: Ex-Ante Process-FMEA for Hairpin Stator Production by early Prototypical Production Concepts. Hrsg.: Chair of Production Engineering of E-Mobility Components [PEM] of RWTH Aachen University. Aachen, S. 7.

[6] Achim Kampker, Kai D. Kreisköther, Max Kleine Büning, Patrick Treichel: Herausforderung Hairpintechnologie Technologieschub für OEMs und Anlagenbauer. In: ATZelektronik. Band 13, Nr. 5, Oktober 2018, ISSN 1862-1791, S. 62–67, doi:10.1007/s35658-018-0061-6 (springer.com [abgerufen am 16. Dezember 2019]).

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