DE102018200035A1

DE102018200035A1 - A method for electrically connecting hairpin ends in the manufacture of a rotor or stator with hairpin winding

Info

Publication number: DE102018200035A1
Application number: DE102018200035.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Göbel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-01-03
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Hairpin-Enden (110) bei der Herstellung eines Rotors oder Stators mit Hairpin-Wicklung, wobei das Verbinden mithilfe eines 3D-Druckverfahrens erfolgt, derart, dass die zu verbindenden Hairpin-Enden (110) durch Aufdrucken metallischer Verbindungselemente (130) elektrisch leitend verbunden werden.Die Erfindung betrifft ferner einen erfindungsgemäß hergestellten Rotor oder Stator für eine elektrische Maschine.The invention relates to a method for electrically connecting hairpin ends (110) in the manufacture of a rotor or stator with hairpin winding, wherein the connecting takes place by means of a 3D printing method, such that the hairpin ends to be connected (110) The invention also relates to a rotor or stator for an electric machine produced according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Hairpin-Enden bei der Herstellung bzw. Fertigung eines Rotors oder Stators mit sogenannter Hairpin-Wicklung.The invention relates to a method for electrically connecting hairpin ends in the manufacture or manufacture of a rotor or stator with a so-called hairpin winding.

Die Erfindung betrifft ferner einen Rotor und einen Stator für eine elektrische Maschine, die eine erfindungsgemäß hergestellte Rotor- bzw. Statorwicklung aufweisen.The invention further relates to a rotor and a stator for an electric machine, which have a rotor or stator winding produced according to the invention.

Rotor- und auch Statorwicklungen für elektrische Maschinen können mit der sogenannten Hairpin-Wickeltechnologie hergestellt bzw. gefertigt werden. Hairpin-Wicklungen weisen viele Vorteile auf. Beim Hairpin-Wickeln werden die einzeln aus Leiterdraht, insbesondere isoliertem Kupferdraht, z. B. U- oder V-förmig vorgeformten Hairpins (oder auch Hair-Pins) in die Rotor- bzw. Statornuten eingeführt und dann die an einer Stirnseite hervorstehenden Hairpin-Enden elektrisch verbunden. Die Hairpin-Enden können bspw. verschweißt werden. Das Verschweißen ist allerdings nicht unproblematisch. In der US 2014 /0077636 A1 wird daher die Verwendung von Verbindungskappen, die in einer ringförmigen Abdeckung angeordnet und damit auf die zu verbindenden Hairpin-Enden aufgesteckt werden, vorgeschlagen.Rotor and stator windings for electrical machines can be manufactured or manufactured with the so-called hairpin winding technology. Hairpin windings have many advantages. When Hairpin-winding individually from conductor wire, in particular insulated copper wire, z. B. U- or V-shaped preformed hairpins (or hair pins) inserted into the rotor or stator and then electrically connected to one end protruding hairpin ends. The hairpin ends can, for example, be welded. However, welding is not without its problems. In the US 2014/0077636 A1 Therefore, the use of connecting caps, which are arranged in an annular cover and thus attached to the hairpin ends to be connected, proposed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Hairpin-Enden bei der Rotor- bzw. Statorfertigung anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweist.The invention has for its object to provide a method for electrically connecting hairpin ends in the rotor or stator manufacturing, which does not have at least one associated with the prior art disadvantage or at least only reduced.

Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit zwei nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf einen Rotor und einen Stator, die eine erfindungsgemäß hergestellte Rotor- bzw. Statorwicklung aufweisen. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und auch aus den Figuren.The object is achieved by the method according to the invention with the features of claim 1. With two independent claims, the invention also extends to a rotor and a stator having a rotor or stator winding produced according to the invention. Further developments and embodiments of the invention will become apparent for all subject invention from the dependent claims, the following description of the invention and also from the figures.

Die Erfindung sieht vor, dass das Verbinden der Hairpin-Enden mithilfe eines 3D-Druckverfahrens bzw. mithilfe eines 3D-Druckers erfolgt, derart, dass die zu verbindenden Hairpin-Enden durch Aufdrucken metallischer Verbindungselemente elektrisch leitend verbunden werden.The invention provides that the hairpin ends are connected by means of a 3D printing method or by means of a 3D printer, such that the hairpin ends to be connected are connected in an electrically conductive manner by printing metallic connecting elements.

Bevorzugt werden die metallischen Verbindungselemente direkt auf die Hairpin-Enden aufgedruckt, wozu der vorbereitete Rotor- oder Statorkern, insbesondere mit nach oben weisenden Hairpin-Enden, in einen 3D-Drucker oder dergleichen eingelegt wird. Der Druckvorgang kann dann, gegebenenfalls auch erst nach dem Ausrichten oder Einmessen des Rotor- oder Statorkerns, automatisiert erfolgen.The metallic connecting elements are preferably printed directly on the hairpin ends, for which purpose the prepared rotor or stator core, in particular with hairpin ends pointing upwards, is inserted into a 3D printer or the like. The printing process can then take place automatically, if appropriate also only after aligning or calibrating the rotor or stator core.

Die 3D-Drucktechnologie ermöglicht die Erzeugung komplizierter Geometrien auf kleinstem Raum. Die Verbindungselemente können also sehr präzise hergestellt werden. Insbesondere können Überstände und daraus resultierende Fehlkontakte verhindert werden (der Abstand zwischen den Hairpin-Enden benachbarter Rotor- bzw. Statornuten beträgt mitunter weniger als 5 mm). Auch Schweißspritzer, die sich beim Verschweißen kaum verhindern lassen, können nicht mehr auftreten. Ferner wird im Vergleich zum Schweißprozess die Wärmeeinbringung erheblich reduziert. Durch das erfindungsgemäße 3D-Drucken metallischer Verbindungselemente wird außerdem der Nachbearbeitungsaufwand verringert. Ferner kann die Wickelkopfhöhe reduziert werden.3D printing technology enables the creation of complex geometries in the smallest of spaces. The fasteners can therefore be made very precise. In particular, projections and resulting mismatches can be prevented (the distance between the hairpin ends of adjacent rotor or stator slots is sometimes less than 5 mm). Even spatter, which can hardly be prevented during welding, can no longer occur. Furthermore, the heat input is significantly reduced compared to the welding process. The inventive 3D printing metallic fasteners also post-processing costs is reduced. Furthermore, the winding head height can be reduced.

Bevorzugt sind die Hairpins aus Kupfer, d. h. aus einer geeigneten kupferhaltigen Legierung, gebildet und die metallischen Verbindungselemente werden ebenfalls aus Kupfer, d. h. aus derselben oder einer anderen kupferhaltigen Legierung, erzeugt bzw. gebildet. D. h., beim 3D-Drucken werden Kupfer-Kupfer-Verbindungen erzeugt, die besonders haltbar sind.Preferably, the hairpins are made of copper, d. H. made of a suitable copper-containing alloy, and the metallic connecting elements are also made of copper, d. H. made of the same or another copper-containing alloy. That is, 3D printing produces copper-copper bonds that are particularly durable.

Zur Ausführung der Erfindung eignen sich verschiedene 3D-Druckverfahren. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die metallischen Verbindungselemente durch sogenannten Laserauftrag erzeugt werden. Hierbei wird ein Metallpulver, insbesondere ein kupferhaltiges Pulver, aufgetragen und gleichzeitig mittels Laserstrahl, gegebenenfalls unter kontrollierter Atmosphäre, aufgeschmolzen, sodass Schicht für Schicht ein kontrollierter und definierter Materialauftrag auf den zu verbindenden Hairpin-Enden erfolgt. Solche Laserauftragsverfahren werden auch als DLD-Verfahren (Direct Laser Deposition), LDT-Verfahren (Laser Deposition Technology) oder LMD-Verfahren (Laser Metal Deposition) bezeichnet.Various 3D printing methods are suitable for carrying out the invention. It is preferably provided that the metallic connecting elements are produced by so-called laser application. In this case, a metal powder, in particular a copper-containing powder, is applied and simultaneously melted by means of a laser beam, if appropriate under a controlled atmosphere, so that layer by layer a controlled and defined application of material takes place on the hairpin ends to be connected. Such laser application methods are also referred to as DLD (Direct Laser Deposition), LDT (Laser Deposition Technology) or LMD (Laser Metal Deposition) methods.

Alternativ können die metallischen Verbindungselemente auch durch selektives Laserschmelzen erzeugt werden. Hierbei wird ein Metallpulver, insbesondere ein kupferhaltiges Pulver, in einer dünnen Schicht aufgebracht und anschließend stellenweise (selektiv) mittels Laserstrahl aufgeschmolzen, sodass nach der Erstarrung feste Materialstellen entstehen. Anschließend wird das Werkstück um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Metallpulver aufgebracht. Solche Verfahren werden auch als SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) bezeichnet.Alternatively, the metallic connecting elements can also be produced by selective laser melting. In this case, a metal powder, in particular a copper-containing powder, applied in a thin layer and then partially (selectively) melted by laser beam, so that solid material sites arise after solidification. Subsequently, the workpiece is lowered by the amount of a layer thickness and applied metal powder again. Such methods are also referred to as SLM (Selective Laser Melting) methods.

Die Hairpin-Enden können beim Bedrucken mithilfe einer Schablone, die bspw. aufgesetzt oder aufgesteckt wird, ausgerichtet und fixiert werden, wobei die Schablone auch eine Schutzwirkung haben kann. Die Schablone kann nach dem Druckvorgang wieder entfernt werden und fungiert somit nur als Fertigungshilfsmittel und ist vorzugsweise als wiederverwendbares Fertigungshilfsmittel ausgebildet. Die Schablone kann aber auch als Komponente dauerhaft am Rotor oder Stator verbleiben. The hairpin ends can be aligned and fixed during printing using a template that is, for example, put on or attached, the template can also have a protective effect. The stencil can be removed again after the printing process and thus acts only as a production aid and is preferably designed as a reusable production aid. The template can also remain permanently as a component on the rotor or stator.

Bevorzugt werden die Hairpin-Enden paarweise verbunden, derart, dass jeweils zwei nebeneinanderliegende Hairpin-Enden mit einem auf deren endseitigen Stirnflächen (Drahschnittflächen) aufgedruckten metallischen Verbindungselement elektrisch leitend verbunden werden.Preferably, the hairpin ends are connected in pairs, such that in each case two adjacent hairpin ends are electrically conductively connected to a metallic connecting element printed on their end faces (wire cut surfaces).

Die Hairpins können aus einem isolierten Draht, insbesondere einem isolierten Kupferdraht, gebildet sein. Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass die Hairpin-Enden vor dem Bedrucken bzw. vor dem Aufdrucken der metallischen Verbindungselemente mittels Laserstrahl abisoliert werden, wobei die Isolierung über eine definierte axiale Länge (z. B. 5 bis 10 mm) abgetragen wird und auch an den endseitigen Stirnflächen Isolierungsreste entfernt werden. Dieser Vorgang kann auch als Entlackung bezeichnet werden. Als Laser kann ein CO2-Laser oder YAG-Laser verwendet werden. In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung, dass die abisolierten Bereiche möglichst klein gehalten werden können.The hairpins may be formed from an insulated wire, in particular an insulated copper wire. It is then preferably provided that the hairpin ends are stripped off before printing or before the printing of the metallic connecting elements by means of a laser beam, wherein the insulation is removed over a defined axial length (eg 5 to 10 mm) and also to the end faces insulation residues are removed. This process can also be referred to as paint stripping. As a laser, a CO2 laser or YAG laser can be used. Advantageously, the invention enables the stripped areas can be kept as small as possible.

Eine erfindungsgemäß hergestellte Rotor- bzw. Statorwicklung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die an einer Stirnseite vom Rotor- bzw. Statorkern vorstehenden Hairpin-Enden durch, insbesondere direkt, aufgedruckte, d. h. mittels eines 3D-Druckverfahrens bzw. mittels 3D-Drucker generativ erzeugte, metallische Verbindungselemente elektrisch leitend verbunden sind.A rotor or stator winding produced according to the invention is characterized in particular by the hairpin ends projecting from an end face of the rotor or stator core through, in particular directly, printed on, d. H. by means of a 3D printing process or by means of 3D printer generatively generated, metallic connecting elements are electrically connected.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 zeigt schematisch das elektrische Verbinden von Hairpin-Enden an einem Rotor oder Stator durch direktes Aufdrucken metallischer Verbindungselemente mithilfe eines 3D-Druckers.
2 zeigt zwei erfindungsgemäß verbundene Hairpin-Enden einer Rotor- oder Statorwicklung.

The invention will now be described by way of example and not by way of limitation with reference to the figures. The features shown in the figures and / or explained below may, even independently of specific combinations of features, be general features of the invention and further develop the invention accordingly.

1 schematically shows the electrical connection of hairpin ends to a rotor or stator by directly printing metallic fasteners using a 3D printer.
2 shows two inventively connected hairpin ends of a rotor or stator winding.

Die zu verbindenden Hairpin-Enden 110 ragen von einem nicht gezeigten Rotor- oder Statorkern ab (der Überstand beträgt z. B. 50 mm) und sind paarweise zusammengefasst. Die vorzugsweise aus Kupferdraht gebildeten Hairpins 100 und deren Enden 110 weisen bevorzugt einen Rechteckquerschnitt auf, wie bspw. in der US 2014 /0077636 A1 gezeigt (die Seitenlängen der Querschnittsfläche liegen bspw. in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm). Das Bezugszeichen 300 zeigt auf eine Schablone, mit der die Hairpin-Enden 110 der Hairpins 100 ausgerichtet und fixiert sind. Die Hairpins 100 sind mit einem Isolierlack 120 versehen, der im oberen Bereich abgetragen bzw. entfernt ist.The hairpin ends to be connected 110 protrude from a not shown rotor or stator core (the supernatant is eg 50 mm) and are combined in pairs. The hairpins, preferably made of copper wire 100 and their ends 110 preferably have a rectangular cross-section, such as in the US 2014/0077636 A1 shown (the side lengths of the cross-sectional area are, for example, in a range of 1 mm to 10 mm). The reference number 300 points to a template with which the hairpin ends 110 the hairpins 100 aligned and fixed. The hairpins 100 are with an insulating varnish 120 provided, which is removed in the upper area or removed.

Die Hairpin-Enden 110 werden paarweise verbunden, indem mittels 3D-Druck direkt auf deren endseitige Stirnflächen metallische Verbindungselemente 130 aufgedruckt werden. Hierzu wird der vorbereitete Rotor- oder Statorkern in einem nicht näher gezeigten 3D-Drucker positioniert, der wenigstens einen Bearbeitungskopf 200 aufweist. Der Bearbeitungskopf 200 umfasst ein Pulver-Auftragsmodul 210 mit einer Pulver-Auftragsdüse 220 und ein Lasermodul 230. Durch die Pulver-Auftragsdüse 220 wird ein Metallpulver M, insbesondere ein kupferhaltiges Pulver, auf die zu verbindenden Hairpin-Enden 110 aufgetragen und gleichzeitig durch den Laserstrahl L aufgeschmolzen, um auf jedem der zu verbindenden Leiterenden-Paare 110/110 durch kontrollierten Materialauftrag schicht- bzw. lagenweise ein Verbindungselement 130 mit vordefinierter Form zu erzeugen. Dieses Verfahren wird auch als Laserauftrag bzw. als Laserauftragsverfahren bezeichnet, wie oben bereits erläutert. Alternativ können die metallischen Verbindungselemente 130 bspw. auch durch selektives Laserschmelzen erzeugt werden, wie oben erläutert.The hairpin ends 110 are connected in pairs by means of 3D printing directly on their end faces metallic fasteners 130 be printed. For this purpose, the prepared rotor or stator core is positioned in a 3D printer not shown in detail, the at least one machining head 200 having. The machining head 200 includes a powder application module 210 with a powder application nozzle 220 and a laser module 230 , Through the powder application nozzle 220 becomes a metal powder M , in particular a copper-containing powder, on the hairpin ends to be connected 110 applied and simultaneously by the laser beam L melted on each of the conductor end pairs to be joined 110 / 110 by controlled material application layers or layers of a connecting element 130 to create with a predefined shape. This method is also referred to as a laser application or as a laser application method, as already explained above. Alternatively, the metallic fasteners 130 For example, be generated by selective laser melting, as explained above.

2 zeigt zwei Hairpin-Enden 110 (Hairpin-Enden-Paar), die durch ein einzelnes aufgedrucktes metallisches Verbindungselement 130 verbunden sind. Das metallische Verbindungselement 130 weist keinen Überstand auf und kann auch kleiner ausgebildet sein, sodass die endseitigen Stirnflächen der Hairpin-Enden 110 nur teilweise abgedeckt sind. Bevorzugt entspricht die Anbindungs- bzw. Überdeckungsfläche wenigstens dem 1,2-Fachen des Drahtquerschnitts. 2 shows two hairpin ends 110 (Hairpin-end-pair) through a single printed metallic fastener 130 are connected. The metallic connecting element 130 has no protrusion and can also be made smaller, so that the end faces of the hairpin ends 110 are only partially covered. The connection or covering area preferably corresponds to at least 1.2 times the wire cross section.

Durch das Verbindungselement 130 sind die beiden Hairpin-Enden 110 mittelbar elektrisch leitend verbunden, wie durch den Pfeil i1 angedeutet. Ferner bildet das Verbindungselement 130 auch eine stoffschlüssige Verbindung, welche die beiden Hairpin-Enden 110 zusammenhält und einen flächigen Berührungskontakt zwischen den Hairpin-Enden 110 gewährleistet, sodass als optionale Maßnahme im unisolierten Bereich auch eine direkte elektrisch leitende Verbindung zwischen den Hairpin-Enden 110 geschaffen werden kann, wie durch den Pfeil i2 angedeutet.Through the connecting element 130 are the two hairpin ends 110 indirectly electrically connected, as indicated by the arrow i1. Furthermore, the connecting element forms 130 also a cohesive connection, which the two hairpin ends 110 holds together and a surface contact between the hairpin ends 110 ensures, as an optional measure in the uninsulated area also a direct electrically conductive connection between the hairpin ends 110 can be created, as indicated by the arrow i2.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: Hairpinhairpin
110110: Hairpin-EndenHairpin ends
120120: Isolierlackinsulating
130130: metallisches Verbindungselementmetallic connecting element
200200: Bearbeitungskopfprocessing head
210210: Auftragsmodulapplication module
220220: Auftragsdüseapplicator
230230: Lasermodullaser module
300300: Schablonetemplate
LL: Laserstrahllaser beam
MM: Metallpulvermetal powder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2014/0077636 A1 [0003, 0017]

Claims

A method for electrically connecting hairpin ends (110) in the manufacture of a rotor or stator with hairpin winding, characterized in that the joining takes place by means of a 3D printing method, such that the hairpin ends (110) to be joined by printing metallic connecting elements (130) are electrically conductively connected.

Method according to Claim 1 , characterized in that the metallic connecting elements (130) are produced by laser application.

Method according to Claim 1 , characterized in that the metallic connecting elements (130) are produced by selective laser melting.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hairpin ends (110) are aligned and fixed by means of a template (300).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hairpins (100) are formed from copper and the metallic connecting elements (130) are also formed from copper.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hairpin ends (110) are connected in pairs, such that in each case two adjacent hairpin ends (110) are electrically conductively connected to a metallic connecting element (130) printed on the end faces ,

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hairpins (100) have a rectangular cross-section.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hairpins (100) are formed from an insulated wire, in particular an insulated copper wire, and that the hairpin ends (110) are stripped by laser before the metallic connecting elements (130) are printed ,

Rotor for an electric machine, having a hairpin winding whose hairpin ends (110) are electrically conductively connected by printed metallic connecting elements (130).

Stator for an electric machine, with a hairpin winding whose hairpin ends (110) are electrically conductively connected by printed metallic connecting elements (130).