DE102019103668A1 - Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator - Google Patents

Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator Download PDF

Info

Publication number
DE102019103668A1
DE102019103668A1 DE102019103668.2A DE102019103668A DE102019103668A1 DE 102019103668 A1 DE102019103668 A1 DE 102019103668A1 DE 102019103668 A DE102019103668 A DE 102019103668A DE 102019103668 A1 DE102019103668 A1 DE 102019103668A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
hairpins
copper
joined
intensity
processing beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019103668.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Oliver Bocksrocker
Tim Hesse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority to DE102019103668.2A priority Critical patent/DE102019103668A1/de
Priority to PCT/EP2020/053427 priority patent/WO2020165142A1/de
Priority to US17/430,831 priority patent/US20220166296A1/en
Priority to CN202080014506.1A priority patent/CN113453836A/zh
Publication of DE102019103668A1 publication Critical patent/DE102019103668A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073Shaping the laser spot
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/04Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings, prior to mounting into machines
    • H02K15/0414Windings consisting of separate elements, e.g. bars, hairpins, segments, half coils
    • H02K15/0421Windings consisting of separate elements, e.g. bars, hairpins, segments, half coils consisting of single conductors, e.g. hairpins
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626Energy control of the laser beam
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073Shaping the laser spot
    • B23K26/0732Shaping the laser spot into a rectangular shape
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/21Bonding by welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/32Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/322Bonding taking account of the properties of the material involved involving coated metal parts
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0056Manufacturing winding connections
    • H02K15/0068Connecting winding sections; Forming leads; Connecting leads to terminals
    • H02K15/0081Connecting winding sections; Forming leads; Connecting leads to terminals for form-wound windings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36Electric or electronic devices
    • B23K2101/38Conductors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12Copper or alloys thereof

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins (10, 12), umfassend das Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu fügenden Enden der Kupfer-Hairpins (10, 12), und das Fügen der zu fügenden Kupfer-Hairpins (10, 12) durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl (2) mit einer Wellenlänge kleiner als 1000 nm.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins, insbesondere zum Fügen von Kupfer-Hairpins, welche zur Ausbildung einer Statorwicklung eines Stators für einen Elektromotor vorgesehen sind.
  • Stand der Technik
  • Zur Ausbildung von Statoren in Elektromotoren ist es bekannt, einen aus einem isolierenden Material ausgebildeten Statorkäfig bereitzustellen, in welchen sogenannte Hairpins aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt Kupfer, eingeschoben, eingesteckt oder beispielsweise mittels Druckluft eingeschossen werden. Die Hairpins können beispielsweise klammerförmig oder linear ausgebildet sein und liegen nach ihrem Einbringen in den Statorkäfig parallel zueinander und im Wesentlichen in Axialrichtung des Stators beziehungsweise des Elektromotors in dem Statorkäfig vor. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Hairpins nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
  • Um den Umfang des Statorkäfigs herum wird eine Vielzahl solcher Hairpins in den Statorkäfig eingebracht, die während der Montage beziehungsweise Fertigung zunächst keine mechanische und elektrische Verbindung zueinander aufweisen.
  • Die jeweiligen freien Enden der Hairpins werden nach deren Einbringen in den Statorkäfig und nach einer eventuellen Umformung und/oder Kürzung und einer eventuellen Vorbehandlung, beispielsweise einer Entlackung, dann zur Ausbildung einer vollständigen Statorwicklung dann bevorzugt paarweise miteinander gefügt, beispielsweise durch Verschweißen oder Löten. Durch das Fügen wird sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Enden der jeweiligen Paare Hairpins der hergestellt, so dass die zunächst nach dem Einbringen einzeln vorliegenden Hairpins nun verbunden sind. Es können aber auch mehr als zwei Hairpins mit einem Bearbeitungsprozess miteinander gefügt werden. Durch das Fügen der Hairpins kann eine mechanisch und elektrisch miteinander verbundene, durchgehende Statorwicklung ausgebildet werden.
  • Die Verwendung von Hairpins anstelle einer durchgängigen Drahtwicklung kann beispielsweise Vorteile bei der Herstellung des jeweiligen Stators bieten, da die Hairpins einfach linear in den Statorkäfig eingeschossen oder eingeschoben werden können. Es können auch mehrere oder alle Hairpins gleichzeitig eingebracht werden, so dass damit ein langwieriger Wicklungsvorgang entfällt.
  • Die verwendeten Hairpins weisen weiterhin üblicherweise einen im Wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, sodass bei einer entsprechend eng nebeneinanderliegenden Anordnung der Hairpins im Statorkäfig der Füllfaktor mit dem leitenden Material der Hairpins, beispielsweise dem Kupfer, gegenüber einer Ausbildung durch eine herkömmliche Statorwicklung mit einem einen runden Querschnitt aufweisenden Draht erheblich verbessert werden kann. Entsprechend kann der Wirkungsgrad eines Elektromotors aufgrund des erhöhten Füllfaktors verbessert werden und/oder der Materialverbrauch für die Ausbildung einer Statorwicklung reduziert werden.
  • Unabhängig von der eigentlichen Querschnittsgeometrie weisen Hairpins üblicher Weise zumindest eine wesentlich größere Querschnittsfläche auf, als ein zum Wickeln ausgebildeter Draht. Dadurch wird ein gegenüber einem Draht erhöhter Stromfluss ermöglicht. Die damit erreichbare Steigerung der Leistungsfähigkeit von Elektromotoren ist insbesondere bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge vorteilhaft, da diese sehr hohen Leistungsanforderungen gerecht werden müssen.
  • Die Ausbildung einer herkömmlichen Wicklung mit einem eine größere Querschnittsfläche aufweisenden und beispielsweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisenden Kupfer-Hairpin ist wegen der dimensions- und geometriebedingt auftretenden Spannungen jedoch nicht möglich, so dass die Kupfer-Hairpins nur in der genannten, quasi linearen Ausbildung in den Statorkäfig eingebracht werden können.
  • Vor dem Fügen der Enden der Hairpins zur Herstellung einer durchgehenden Statorwicklung wird üblicher Weise eine auf die Hairpins aufgebrachte Beschichtung in dem Bereich der Enden, an welchen das Fügen stattfinden soll, entfernt. Dieses Entfernen der Beschichtung kann beispielsweise mechanisch, chemisch oder physikalisch, beispielsweise mittels eines Lasers, durchgeführt werden.
  • Vor dem Fügen der Hairpins können diese auch für das Fügen geometrisch eingerichtet und ausgerichtet werden, beispielsweise gekürzt, umgeformt und paarweise zusammengefasst werden, wobei das Zusammenfassen beispielsweise durch ein mechanisches Klammern der zu fügenden Enden der Hairpins erreicht werden kann.
  • Nach Abschluss der Vorbereitungen werden die jeweiligen miteinander zu fügenden Enden der Hairpins dann tatsächlich miteinander gefügt, beispielsweise durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl im nahen Infrarot (NIR), beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Das bekannte Laserstrahlschweißen der Hairpins findet als Tiefschweißen unter Ausbildung einer Dampfkapillare statt.
  • Beim Verschweißen von Kupfer-Hairpins mit bekannten Verfahren unter Verwendung von Bearbeitungsstrahlen bei Wellenlängen von 1030nm kann die Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls in dem Material des Hairpins aufgrund wechselnder Oberflächeneigenschaften von Hairpin zu Hairpin unregelmäßig sein, sodass entsprechend die eingebrachte Energie sowie das aufgeschmolzene Materialvolumen schwanken können. Entsprechend kann es zu einem unregelmäßigen Fügeergebnis bei aufeinanderfolgenden Fügeprozessen mehrerer Hairpin-Paarungen kommen. Mit anderen Worten kann es sich um einen instabilen Prozess handeln.
  • Darüber hinaus ist die Energieabsorption bei Wellenlängen um 1030nm im Kupfer verhältnismäßig schlecht, da Kupfer für diese Wellenlängen hoch reflektiv ist. Das Tiefschweißen mit Dampfkapillare ist damit notwendig, da durch die Dampfkapillare die Energieabsorption signifikant gesteigert werden kann, obwohl das Laserstrahlschweißen von Kupfer mit Dampfkapillare von Nachteilen begleitet ist, wie beispielsweise der Ausbildung von Spritzern und Auswürfen sowie von der Ausbildung von Prozessporen in der erstarrten Schmelze.
  • Darstellung der Erfindung
  • Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins anzugeben, welches zu einem gleichmäßigeren Fügeergebnis führt.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
  • Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins vorgeschlagen, umfassend das Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu fügenden Enden von Kupfer-Hairpins, und das Fügen der zu fügenden Kupfer-Hairpins durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl mit einer Wellenlänge kleiner als 1000 nm.
  • Durch die Verwendung eines Bearbeitungsstrahles mit einer Wellenlänge, die kleiner als 1000 nm ist, steigt der Absorptionsgrad des Bearbeitungsstrahls in dem Kupfermaterial der Hairpins gegenüber den bisher verwendeten Bearbeitungsstrahlen deutlich an. Damit kann der Energieeintrag in die miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins verbessert werden, sodass entsprechend auch geringere Schwankungen der Absorption aufgrund unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheiten erreicht werden.
  • Damit kann eine gleichmäßigere Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls in den Kupfer-Hairpins erreicht werden. Auf diese Weise kann der Fügeprozess zum Fügen der Kupfer-Hairpins verbessert und stabiler gemacht werden, so dass schließlich ein gleichmäßigeres Fügeergebnis erreicht werden kann.
  • Bevorzugt wird zum Laserstrahlschweißen der zu fügenden Kupfer-Hairpins ein grüner Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 550 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 510 nm bis 520 nm, oder ein blauer Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 425 nm bis 475 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 440 nm bis 450 nm, verwendet.
  • Aufgrund der in diesen Wellenlängenbereichen im Kupfermaterial verbesserten Absorption kann der Fügevorgang entsprechend kontrollierter durchgeführt werden, so dass ein gleichmäßigeres Fügeergebnis erreicht werden kann.
  • Ob es sich bei einem Schweißprozess um einen Wärmeleitprozess oder um einen Tiefschweißprozess handelt ist maßgeblich abhängig von der Energiedichte beziehungsweise der Intensität des Bearbeitungsstrahls, mittels welchem die miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins beaufschlagt werden. Ein Überschreiten einer sogenannten Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen Tiefschweißprozess übergeht, soll idealerweise vermieden werden.
  • Jedoch ist auch die Verwendung hoher Bearbeitungsenergien denkbar, solange die Bearbeitungsenergie großflächig verteilt wird, beispielsweise bei Hairpins, welche einen überdurchschnittlich großen Durchmesser aufweisen. Die erzielte Energiedichte beziehungsweise Intensität des Bearbeitungsstrahls ist dann wegen der großen Bearbeitungsfläche wieder bevorzugt so einzustellen, dass die Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen Tiefschweißprozess übergeht, nicht überschritten wird.
  • Das Laserschweißen der Kupfer-Hairpins mit dem Bearbeitungsstrahl in den vorgeschlagenen Wellenlängenbereichen wird bevorzugt im Wesentlichen mittels Wärmeleitschweißen durchgeführt.
  • Damit wird der Prozess des Laserschweißens stabiler und kontrollierbarer, da die bei der Ausbildung von Dampfkapillaren auftretenden Schwankungen des Energieeintrags in das aufzuschmelzende Material reduziert oder vermieden werden können.
  • Durch die Verwendung der genannten Wellenlängen für den Bearbeitungsstrahl kann aufgrund der erhöhten Absorption im Kupfermaterial entsprechend ein Schweißverfahren durchgeführt werden, welches vollständig ohne oder mit der Ausbildung nur einer kleinen Dampfkapillare auskommt. Eine sich möglicherweise ausbildende Dampfkapillare weist dann nur ein geringes Aspektverhältnis (Tiefe/Breite) auf. Entsprechend dominiert in dem vorgeschlagenen Schweißprozess die Wärmeleitung und das Wärmeleitschweißen und ein Tiefschweißen mit Dampfkapillare tritt nicht auf oder zumindest nicht als dominanter Schweißprozess.
  • Durch die höhere Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Kupfer-Hairpins ist es auch einfacher, die Leistung des Bearbeitungsstrahls auf einem Niveau zu halten, welches ein Wärmeleitschweißen begünstigt. Mit anderen Worten kann auf hohe Bearbeitungsenergiedichten beziehungsweise Intensitäten des Bearbeitungsstrahls, welche zu einem Tiefschweißen führen würden, verzichtet werden. Damit führen kleine Schwankungen in der mittels des Bearbeitungsstrahls in die zu fügenden Kupfer-Hairpins eingetragenen Energie auch nicht zu einem Zusammenbruch des Schweißvorgangs, so dass das Schweißverfahren insgesamt stabiler abläuft.
  • Damit kann auch auf die Ausbildung einer Dampfkapillare während des Schweißprozesses verzichtet werden beziehungsweise deren Einsatz kann deutlich reduziert werden, da der Absorptionsgrad der Bearbeitungsstrahlen bei den vorgeschlagenen Wellenlängen in dem Kupfermaterial der Kupfer-Hairpins deutlich ansteigt.
  • Bevorzugt wird der Bearbeitungsstrahl dabei auf eine Stirnfläche der zu fügenden Hairpins, also insbesondere in Längsrichtung der miteinander zu fügenden Hairpins, eingebracht. Entsprechend findet eine Wärmeleitung entlang der Längsrichtung beziehungsweise entlang der Erstreckung der jeweiligen Hairpins statt.
  • Der Bearbeitungsstrahl ist bevorzugt an die Geometrie der miteinander zu fügenden Hairpins angepasst. Bevorzugt sind Stirnflächen der miteinander zu fügenden Hairpins vollständig mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt.
  • Damit wird entsprechend die gesamte Stirnfläche der Hairpins mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt, sodass eine Wärmeleitung und damit ein Schmelzen nur noch in der verbleibenden Dimension, nämlich in der Längsrichtung der Kupfer-Hairpins, stattfinden kann.
  • In einer bevorzugten Alternative können die Stirnflächen der miteinander zu fügenden Hairpins auch nur teilweise mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden. Dabei kann beispielsweise die in einem mittleren Bereich überhaupt nicht vom Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden, so dass die Intensität des Bearbeitungsstrahls in dem mittleren Bereich gleich 0 ist. Der mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagte Bereich der Stirnfläche ist entsprechend beispielsweise rahmenförmig oder ringförmig ausgebildet.
  • In einer weiteren bevorzugten Alternative können die Stirnflächen auch mit einem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden, welcher in einem ersten Bereich eine erste Intensität aufweist und in einem zweiten Bereich eine zweite Intensität. In dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich kann auch alternativ oder zusätzlich eine Beaufschlagung der Stirnflächen mit unterschiedlichen Wellenlängen des Bearbeitungsstrahls durchgeführt werden. Mit anderen Worten können die Stirnflächen beispielsweise in einem ersten Bereich, der beispielsweise ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist, mit einer höheren Intensität beaufschlagt werden und in dem dann im Zentrum liegenden zweiten Bereich mit einer niedrigeren Intensität beaufschlagt werden.
  • Dies kann beispielsweise durch das Beaufschlagen der Stirnflächen mit dem Bearbeitungsstrahl beispielsweise mittels einer sogenannten „2 in 1“ Faser erreicht werden, welche eine Kernfaser und eine Ringfaser aufweist, in welche unterschiedliche Laserleistung eingekoppelt werden kann. So kann die Leistung in der Kernfaser reduziert werden damit der Bearbeitungsstrahl im Zentrum eine niedrigere Intensität aufweist als im Randbereich. Ist die Leistung in der Kernfaser gleich 0 und es wird nur Laserleistung in die Ringfaser eingekoppelt, so wird die Stirnfläche der Hairpins in der Mitte überhaupt nicht mit Energie beaufschlagt werden und die Intensität des Bearbeitungsstrahls in der Mitte wäre entsprechend gleich 0.
  • Diese vorstehend genannten Beaufschlagungen mit unterschiedlichen Intensitäten des Bearbeitungsstrahls in der Ebene der Stirnflächen berücksichtigen insbesondere den Umstand, dass im Randbereich des Bearbeitungsstrahls, der auch auf den Randbereich des Querschnitts des Hairpins auftrifft, durch die Außenwände der Hairpins eine Wärmediffusion stattfindet, die im zentralen Bereich fehlt, da dieser vom Randbereich umschlossen ist. Entsprechend wird durch den inhomogenen Eintrag von Bearbeitungsenergie durch den Bearbeitungsstrahl dennoch eine im Wesentlichen homogene Erwärmung des Querschnitts des Hairpins erreicht.
  • Gemein ist den vorgenannten Verfahren, dass die Bearbeitungsenergie in die Stirnflächen der miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins eingebracht wird. Entsprechend findet eine im Wesentlichen eindimensionale Wärmeleitung statt, welche sich in der Art einer abbrennenden Kerze im Wesentlichen in die Richtung ausbreitet, in welche das Material zum Fügen der miteinander zu fügenden Hairpins aufgeschmolzen werden soll. Damit kann ein kontrolliertes Aufschmelzen des entsprechend mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagen Materials der Kupfer-Hairpins so stattfinden, dass eine gute Kontrolle des Verfahrens möglich ist.
  • Diese gute Kontrolle ist insbesondere auch dann der Fall, wenn der Werkstoff, wie im vorliegenden Fall der Kupfer-Hairpins, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und entsprechend die Geometrie der miteinander zu fügenden Bauteile zu einer eindimensionalen Wärmeleitung führen kann, so wie dies bei einer Hairpin-Geometrie der Fall ist.
  • Die Einschweißtiefe wird damit auch nicht durch die verfügbare Intensität des Bearbeitungsstrahls begrenzt, sondern durch die Oberflächenspannung der flüssigen Schmelzperle. Entsprechend kann das Aufschmelzen so lange weitergeführt werden und damit das flüssige Volumen der Schmelzperle akkumuliert werden, bis die Schmelzperle abfließt. Bevorzugt wird der Schweißprozess aber abgebrochen, bevor ein solches Abfließen der Schmelzperle stattfindet.
  • Entsprechend wird ein sehr robustes Verfahren, bei welchem ein über die nacheinander gefügten Hairpin-Paarungen hinweg konstantes Schweißergebnis aufgrund der hohen Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Kupfer-Hairpins erreicht wird, angegeben.
  • Die hohe Absorption führt schließlich dazu, dass nur geringe Schwankungen der eingetragenen Energie vorliegen, da Schwankungen der Oberflächenbeschaffenheit nur zu relativ geringen Schwankungen der in das Material des Hairpins eingetragenen Energie führen. Damit können Schwankungen in der Oberflächenbeschaffenheit auch nicht zu einer starken Veränderung des Schweißverfahrens führen, so dass entsprechend ein konstanteres Schweißergebnis erreicht wird. Weiterhin treten wegen des Vermeidens des Ausbildens der Dampfkapillare nahezu keine Spritzer beim Verschweißen der Hairpins auf und das Schweißergebnis hat eine geringere Neigung zur Ausbildung von Prozessporen.
  • Weiterhin kann aufgrund der Verwendung des oben beschriebenen Wellenlängenbereiches die Intensität des Bearbeitungsstrahles so eingestellt werden, dass eine Verdampfung nicht oder nur in einem sehr geringen Umfang auftritt. Dies ist möglich aufgrund der hohen Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Kupfermaterial der Kupfer-Hairpins.
  • Bevorzugt werden Hairpins mit einer im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit einer Breite und einer Tiefe bereitgestellt, wobei bevorzugt eine Breite von 1 mm bis 10mm und eine Tiefe von 1 mm bis 10mm vorgesehen ist. Bevorzugt können kleine Hairpins eine Breite und/oder eine Tiefe von 0,5mm bis 1,5mm aufweisen, Hairpins mittlerer Größe können bevorzugt eine Breite und/oder Tiefe von 1,5 mm bis 6mm aufweisen und große Hairpins können eine Breite und/oder Tiefe von 6 mm bis 10mm aufweisen.
  • Bevorzugt werden Hairpins mit einer Beschichtung zum mechanischen und/oder chemischen Schutz und/oder zur elektrischen Isolierung bereitgestellt, wobei die Beschichtung bevorzugt in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorgesehen wird.
  • Die oben gestellte Aufgabe wird auch durch einen Stator für einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Entsprechend wird ein Stator für einen Elektromotor mit einer aus miteinander gefügten Kupfer-Hairpins ausgebildeten Statorwicklung vorgeschlagen. Erfindungsgemäß sind die Hairpins mit dem oben beschrieben Verfahren gefügt.
  • Damit ist die Statorwicklung im Wesentlichen durch Wärmeleitschweißen gefügt, so dass eine größere Homogenität der einzelnen Fügestellen untereinander und eine geringere Ausbildung von Prozessporen in den Fügestellen erreicht werden kann.
  • Figurenliste
  • Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Seitenansicht auf zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins, die mit einem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden;
    • 2 eine schematische Draufsicht auf die Stirnseiten der zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins der 1, sowie auf einen Bearbeitungsstrahl; und
    • 3 eine weitere schematische Draufsicht auf zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl, welcher zwei unterschiedliche Intensitätsbereiche aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
  • In 1 sind schematisch jeweils die Enden zweier Hairpins 10,12 gezeigt, welche sich bereits in einer Fügeposition befinden. Hierzu sind in der gezeigten Ausbildung die beiden Enden der Hairpins 10,12 bereits so gekürzt und aneinander angelegt, dass ein Fügen mittels Laserstrahlschweißens ermöglicht wird.
  • Stirnflächen 114, 124 der Enden der Hairpins 10, 12 zeigen in der 1 nach oben hin auf einen Bearbeitungsstrahl 2 zu.
  • Um die Enden der Hairpins 10, 12 mittels Laserschweißens fügen zu können, liegen die Hairpins 10, 12 mit ihren zu fügenden Enden entsprechend zumindest in einer gemeinsam ausgebildeten Ebene 3 aneinander an, wobei der Spalt zwischen den beiden Enden der Hairpins 10, 12 möglichst gering gehalten sein soll und ein Spalt bevorzugt nicht vorhanden ist. Damit ist die in der gemeinsamen Ebene 3 vorliegende Kontaktfläche zwischen den beiden Enden der Hairpins 10, 12 möglichst groß.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, einen seitlichen Versatz bezüglich der gemeinsamen Ebene 3 der beiden Enden der Hairpins 10, 12 gering zu halten oder bevorzugt zu vermeiden. Weiterhin wird bevorzugt auch ein Höhenversatz bezüglich der jeweiligen Stirnflächen 114, 124 der beiden Enden der Hairpins 10, 12 sehr gering gehalten oder bevorzugt vermieden und auch eine Winkelstellung zwischen den Enden der beiden Hairpins 10, 12 wird bevorzugt besonders klein gehalten oder bevorzugt vermieden.
  • Um vor dem eigentlichen Fügen der beiden Enden der Hairpins 10, 12 die genannte bevorzugte Ausrichtung insbesondere auch der Stirnflächen 114, 124 zu erreichen und während des Fügens auch so halten zu können, werden zum Zusammenfassen der Enden der Hairpins 10, 12 beispielsweise mechanische Klammern verwendet.
  • Die Hairpins 10, 12 weisen jeweils eine mechanisch und chemisch schützende und elektrisch isolierende Beschichtung 110, 120 auf, welche beispielsweise in Form einer Kunststoffbeschichtung vorgesehen sein kann. In einem vorbereiteten Bereich 112, 122, der die zu fügenden Enden der Hairpins 10, 12 umfasst, wird die jeweilige Beschichtung von den Hairpins 10, 12 so entfernt, dass in diesen vorbereiteten Bereichen nur das blanke Kupfermaterial ohne weitere Beschichtung verbleibt.
  • Damit liegt in der gemeinsam ausgebildeten Ebene 3 durch das Bereitstellen der vorbereiteten Bereiche 112, 122 der Enden der Hairpins 10, 12 auch das blanke Kupfermaterial der beiden Hairpins 10, 12 aneinander an. In diesem Bereich soll auch das Fügen durch Laserstrahlschweißen stattfinden, so dass das für die Verschweißung aufgeschmolzene Material dann verunreinigungsfrei vorliegt.
  • Die Beschichtung 110, 120 von den Enden der Hairpins10, 12 wird entfernt, um zu vermeiden, dass während des Schweißprozesses Verunreinigungen in die Schmelze eingetragen werden, welche beispielsweise zu einer undefinierbaren Festigkeit des wieder erstarrten Materials und/oder zu Fehlern im Gefüge des wieder erstarrten Materials und/oder zu Schwankungen in der Leitfähigkeit des wieder erstarrten Materials an der Fügestelle führen können. Desweiteren wird durch Entfernung der Beschichtung 110, 120 die Entstehung von giftigen Dämpfen beim Laserstrahlschweißen vermieden.
  • Die vorbereiteten Bereiche 112,122 sind so zueinander ausgerichtet, dass das Fügen der beiden Kupfer-Hairpins 10, 12 durch Laserstrahlschweißen zuverlässig ermöglicht wird.
  • Die Reinigung beziehungsweise das Entfernen der Beschichtung 110,120 von den Hairpins10,12 in den vorbereiteten Bereichen 112,122 kann beispielsweise durch eine Laserbearbeitung oder durch bekannte mechanische oder chemische Reinigungsvorgänge durchgeführt werden, um die Hairpins 10,12 für das eigentliche Fügen vorzubereiten.
  • Der Prozess des Vorbereitens, Ausrichtens, Umformens und Zusammenfassens zweier Enden von Kupfer-Hairpins 10, 12 ist prinzipiell bekannt und wird hier nicht weiter spezifiziert.
  • In 2 ist eine Draufsicht auf zwei bereits vorbereitete, zueinander ausgerichtete und zusammengefasste Hairpins 10, 12 gezeigt, welche miteinander gefügt werden sollen.
  • Wie aus der Draufsicht gut zu erkennen ist, weisen die Hairpins 10, 12 jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit jeweils einer Breite X und einer Tiefe Y auf. Diese Querschnittskontur der Hairpins 10, 12 entspricht auch der Kontur der Stirnfläche 114, 124 der Hairpins 10, 12, die dann effektiv von dem Bearbeitungsstrahl 3 beaufschlagt wird. Entlang der Tiefenerstreckung Y (also senkrecht zur Breite X) ergibt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gemeinsame Ebene 3, an welcher die beiden Enden der Hairpins 10, 12 aneinander anliegen.
  • Typische Dimensionen eines Hairpins 10, 12 sind beispielsweise eine Breite X von 1 mm bis 10mm und eine Tiefe von 1 mm bis 10mm. Bevorzugt können kleine Hairpins eine Breite und/oder eine Tiefe von 0,5mm bis 1,5mm aufweisen, Hairpins mittlerer Größe können bevorzugt eine Breite und/oder Tiefe von 1,5 mm bis 6mm aufweisen und große Hairpins können eine Breite und/oder Tiefe von 6 mm bis 10mm aufweisen. Die konkrete Dimensionierung der Kuper-Hairpins 10, 12 ergibt sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall.
  • Das Basismaterial eines Kupfer-Hairpins 10, 12 ist beispielsweise Kupfer, beispielsweise sauerstofffreies Kupfer (ETP - Electrolytic-Tough-Pitch) für elektrische Anwendungen.
  • Die Beschichtung 110, 120 der Hairpins kann beispielsweise in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorliegen sein, um das Basismaterial der Kupfer-Hairpins 10, 12 mechanisch und chemisch zu schützen und eine elektrische Isolierung bereit zu stellen.
  • Die Enden der Hairpins 10, 12, welche zum Aufbau eine Statorwicklung eines Stators für einen Elektromotor vorgesehen sind, weisen entsprechend auch diese rechteckige beziehungsweise auch quadratische Querschnittskontur auf, die entsprechend eine flächige Anlage der zu fügenden Enden der Hairpins 10, 12 in der gemeinsamen Ebene 3 ermöglicht.
  • Das Fügen der Kupfer-Hairpins 10, 12 kann nun mittels eines Bearbeitungstrahles 2 durchgeführt werden, welcher in den 1 und 2 schematisch angedeutet ist.
  • Der Bearbeitungsstrahl 2 ist, wie beispielsweise in 2 zu erkennen, bevorzugt so geformt, dass er die gesamte Stirnfläche der zu fügenden Enden der Hairpins 10, 12 beaufschlagt. Die gesamte Stirnfläche ist aus den Stirnflächen 114, 124 der jeweiligen Enden der Kupfer-Hairpins 10, 12, welche in 1 entsprechend nach oben gerichtet sind und welche in der 2 in Draufsicht gezeigt sind, ausgebildet.
  • In einer bevorzugten Alternative, die weiter unten zur 3 gezeigt, können die Stirnflächen 114, 124 der miteinander zu fügenden Hairpins 10, 12 auch nur teilweise mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden.
  • Bei dem Bearbeitungsstrahl 2 handelt es sich um einen Laserstrahl, mittels welchem ein Fügen der beiden Hairpins 10, 12 durch Laserstrahlschweißen erreicht werden kann.
  • Die Wellenlänge des hier verwendeten Bearbeitungsstrahles 2 ist kleiner als 1000 nm.
  • Bevorzugt ist in dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Bearbeitungsstrahl 2 ein grüner Bearbeitungsstrahl 2, der durch einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 550 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 510 nm bis 520 nm, gebildet ist. Oder der Bearbeitungsstrahl 2 ist ein blauer Bearbeitungsstrahl 2, der durch einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 425 nm bis 475 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 440 nm bis 450 nm, gebildet ist.
  • Durch den gewählten Wellenlängenbereich des Bearbeitungsstrahls 2 wird erreicht, dass die Energie des Bearbeitungsstrahls 2 von den Hairpins 10, 12, und insbesondere von deren Basismaterial in Form des Kupfermaterials gut absorbiert wird. Damit ist ein effizienter Eintrag von Laserenergie und damit von Wärmeenergie in die Hairpins 10, 12 möglich, so das ein Laserstrahlschweißen mittels Wärmeleitschweißens ermöglicht ist. Durch die gesteigerte Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls 2 im Kupfermaterial kann auf die Ausbildung einer Dampfkapillare verzichtet werden.
  • Ob es sich bei einem Schweißprozess um einen Wärmeleitprozess oder um einen Tiefschweißprozess handelt ist maßgeblich abhängig von der Energiedichte beziehungsweise der Intensität des Bearbeitungsstrahls 2, mittels welchem die miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins 10, 12 beaufschlagt werden. Ein Überschreiten einer sogenannten Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen Tiefschweißprozess übergeht, soll idealerweise vermieden werden.
  • Jedoch ist auch die Verwendung hoher Bearbeitungsenergien denkbar, solange die Bearbeitungsenergie großflächig verteilt wird, beispielsweise bei Hairpins, welche einen überdurchschnittlich großen Durchmesser beziehungsweise eine überdurchschnittlich große Stirnfläche 114, 124 aufweisen. Die erzielte Energiedichte beziehungsweise Intensität des Bearbeitungsstrahls ist dann wegen der großen Bearbeitungsfläche wieder bevorzugt so einzustellen, dass die Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen Tiefschweißprozess übergeht, nicht überschritten wird.
  • Wenn der Bearbeitungsstrahl 2 im Wesentlichen die gesamte Stirnfläche 114, 124 der miteinander zu fügenden Hairpins 10, 12 mit Laserenergie beaufschlagt, findet eine Wärmeleitung innerhalb der Hairpins 10, 12 von dieser Stirnfläche 114, 124 aus in Längsrichtung, welche durch die Längsrichtung Z in der 1 angedeutet ist, statt. Entsprechend findet eine Wärmeleitung in den Hairpins10, 12 im Wesentlichen eindimensional statt, nämlich entlang der Längsrichtung Z, die auch die Wärmeleitrichtung ist.
  • Bevorzugt ist der Bearbeitungsstrahl 2 so ausgerichtet, dass er zum einen jeweils die Stirnflächen 114, 124 der Hairpins 10, 12 mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt. Gleichzeitig ist bevorzugt auch eine Ausrichtung des Bearbeitungsstrahles 2 so vorgesehen, dass er sich im Wesentlichen in Längsrichtung Z der Hairpins 10, 12 erstreckt. Entsprechend verbleibt eine sich durch das aufgeschmolzene Material ausbildende Schmelzperle beim Laserstrahlschweißen der Hairpins 10, 12 auch dann im Einflussbereich des Bearbeitungsstrahls 2, wenn sich die Schmelzperle in Richtung der Wärmeausbreitung, also Längsrichtung Z der Hairpins 10, 12, bewegt.
  • Die Ausrichtung des Querschnitts des Bearbeitungsstrahls 2 wird bevorzugt auch nach der Ausrichtung der Stirnflächen 114, 124 der Enden der Hairpins 10, 12 und insbesondere der Dimensionen und Drehausrichtung relativ zu der Achse des Bearbeitungsstrahls 2 ausgerichtet. Die Durchführung einer solchen Dimensionierung und Drehausrichtung des Bearbeitungsstrahls 2 ist prinzipiell bekannt, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen wird.
  • In 3 ist nun eine alternative Ausgestaltung des Bearbeitungsstrahls 2 gezeigt, wobei der Bearbeitungsstrahl 2 aufgeteilt ist und in einem zentralen Bereich 20 eine andere Intensität auf die Stirnfläche 114, 124 der Hairpins10, 12 aufbringt, als in dessen Randbereich 22, welcher den zentralen Bereich 20 umgibt.
  • Mit anderen Worten kann der zentrale Bereich 20 beispielsweise überhaupt nicht mit Intensität vom Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagt werden, so dass die Intensität des Bearbeitungsstrahls 2 in dem zentralen Bereich 20 gleich 0 ist. Der mit dem Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagte Randbereich 22 der Stirnfläche 114, 124 ist entsprechend beispielsweise rahmenförmig oder ringförmig ausgebildet.
  • In einer weiteren bevorzugten Alternative können die Stirnflächen 114, 124 auch mit einem Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagt werden, welcher in einem ersten Bereich 22 eine erste Intensität aufweist und in einem zweiten Bereich 20 eine zweite Intensität. In dem ersten Bereich 22 und in dem zweiten Bereich 20 kann auch alternativ oder zusätzlich eine Beaufschlagung der Stirnflächen 114, 124 mit unterschiedlichen Wellenlängen des Bearbeitungsstrahls 2 durchgeführt werden.
  • Mit anderen Worten können die Stirnflächen 114, 124 beispielsweise in einem ersten Bereich 22, der beispielsweise ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist, mit einer höheren Intensität beaufschlagt werden und in dem dann im zentralen Bereich liegenden zweiten Bereich 20 mit einer niedrigeren Intensität beaufschlagt werden.
  • Dies kann beispielsweise durch das Beaufschlagen der Stirnflächen 114, 124 mit dem Bearbeitungsstrahl 2 beispielsweise mittels einer sogenannten „2 in 1“ Faser erreicht werden, welche eine Kernfaser und eine Ringfaser aufweist, in welche unterschiedliche Laserleistung eingekoppelt werden kann. So kann die Leistung in der Kernfaser reduziert werden damit der Bearbeitungsstrahl im Zentrum eine niedrigere Intensität aufweist als im Randbereich. Ist die Leistung in der Kernfaser gleich 0 und es wird nur Laserleistung in die Ringfaser eingekoppelt, so wird die Stirnfläche 114, 124 der Hairpins 10, 12 in der Mitte überhaupt nicht mit Energie beaufschlagt werden und die Intensität des Bearbeitungsstrahls 2 in der Mitte wäre entsprechend gleich 0.
  • Diese vorstehend genannten Beaufschlagungen mit unterschiedlichen Intensitäten des Bearbeitungsstrahls 2 in der Ebene der Stirnflächen 114, 124 berücksichtigen insbesondere den Umstand, dass im Randbereich des Bearbeitungsstrahls 2, der auch auf den Randbereich des Querschnitts des Hairpins 10, 12 auftrifft, durch die Außenwände der Hairpins eine Wärmediffusion stattfindet, die im zentralen Bereich fehlt, da dieser vom Randbereich umschlossen ist. Entsprechend wird durch den inhomogenen Eintrag von Bearbeitungsenergie durch den Bearbeitungsstrahl 2 dennoch eine im Wesentlichen homogene Erwärmung des Querschnitts des Hairpins 10, 12 erreicht.
  • Da der Bearbeitungsstrahl 2 auf die Stirnfläche 114, 124 der Hairpins 10, 12 auftrifft und auch in der Längsrichtung Z der Hairpins 10, 12 ausgerichtet ist, ergibt sich im Prinzip eine eindimensionale Wärmeleitung und damit auch eine Erstreckung der Wärmeleitung in Richtung der Einschweißtiefe. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit einer quasi unendlichen Einschweißtiefe in den Hairpins 10, 12, welche theoretisch nur durch die Ausdehnung der Hairpins 10, 12 in der Längsrichtung Z begrenzt ist.
  • In der Praxis wird jedoch eine deutlich begrenztere Einschweißtiefe angestrebt, welche eine Schmelzperle ergibt, die noch keine Bestrebungen zum Abfließen aufweist, um eine unkontrollierte Verteilung des aufgeschmolzenen Materials zu vermeiden. Mit anderen Worten wird die Einschweißtiefe durch die Oberflächenspannung der Schmelze begrenzt, da ein Abfließen des aufgeschmolzenen Materials der Schmelzperle unerwünscht ist.
  • Weiterhin kann auf diese Weise sowohl eine mechanisch als auch elektrisch zuverlässige Verbindung der beiden Hairpins 10, 12 hergestellt werden, um auf diese Weise ein mechanisch und elektrisch zuverlässiges Fügen der Hairpins 10, 12 zu erreichen und so eine zuverlässige Ausbildung einer Statorwicklung eines Stators für einen Elektromotor bereit zu stellen.
  • Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Kupfer-Hairpin
    12
    Kupfer-Hairpin
    110
    Beschichtung
    112
    vorbereiteter Bereich
    114
    Stirnfläche
    120
    Beschichtung
    122
    vorbereiteter Bereich
    124
    Stirnfläche
    2
    Bearbeitungsstrahl
    20
    zentraler Bereich
    22
    Randbereich
    3
    gemeinsame Ebene
    X
    Breite des Hairpins
    Y
    Tiefe des Hairpins
    Z
    Längsrichtung des Hairpins

Claims (12)

  1. Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins (10, 12), umfassend das Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu fügenden Enden der Kupfer-Hairpins (10, 12), und das Fügen der zu fügenden Kupfer-Hairpins (10, 12) durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl (2) mit einer Wellenlänge kleiner als 1000 nm.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsstrahl (2) ein grüner Bearbeitungsstrahl, insbesondere ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500nm bis 550nm bevorzugt mit einer Wellenlänge von 510nm bis 520nm, oder ein blauer Bearbeitungsstrahl, insbesondere ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 425nm bis475nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 440nm bis 450nm, verwendet wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Kupfer-Hairpins (10, 12) mittels Wärmeleitschweißen miteinander verschweißt werden und bevorzugt die Intensität des Bearbeitungsstrahls so gewählt wird, dass ein Tiefschweißen und/oder die Ausbildung einer Dampfkapillare im Wesentlichen vermieden wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) die Stirnflächen (114, 124) der zu fügenden Hairpins (10, 12) beaufschlagt und bevorzugt in Längsrichtung (Z) der Hairpins (10, 12) strahlt.
  5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so geformt ist, dass er die Querschnittsgeometrie der Hairpins (10, 12) an deren Stirnseite (114, 124) aufnimmt und bevorzugt der Querschnitt des Bearbeitungsstrahls (2) die Stirnfläche (114, 124) der Hairpins (10, 12) vollständig beaufschlagt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so geformt ist, dass er die Querschnittsgeometrie der Hairpins (10, 12) an deren Stirnseite (114, 124) mit mindestens zwei unterschiedlichen Intensitäten beaufschlagt, bevorzugt in einer ersten Intensität in einem ersten Bereich (22) der Stirnseite (114, 124) und einer zweiten Intensität in einem zweiten Bereich (20) der Stirnseite (124).
  7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so ausgebildet ist, dass er in seinem Zentrum (20) eine andere Intensität aufweist, als in seinem Randbereich (22).
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) über eine Kernfaser und eine Ringfaser, in welche unterschiedliche Intensitäten und/oder unterschiedliche Wellenlängen eingekoppelt sind, bereitgestellt wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Bearbeitungsstrahls (2) so gewählt ist, dass eine Verdampfung des Materials der Kupfer-Hairpins (10, 12) nicht auftritt oder im Wesentlichen nicht auftritt.
  10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hairpins (10, 12) mit einer im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit einer Breite (X) und einer Tiefe (Y) bereitgestellt werden, wobei bevorzugt eine Breite (X) von 1 mm bis 10mm und eine Tiefe (Y) von 1mm bis 10mm vorgesehen ist, bevorzugt mit einer eine Breite und/oder einer Tiefe von 0,5mm bis 1,5mm oder bevorzugt mit einer Breite und/oder Tiefe von 1,5 mm bis 6mm oder bevorzugt mit einer Breite und/oder Tiefe von 6 mm bis 10mm.
  11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hairpins (30, 32) mit einer Beschichtung (304, 324) zum mechanischen und/oder chemischen Schutz und/oder zur elektrischen Isolierung bereitgestellt werden, wobei die Beschichtung bevorzugt in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorgesehen wird.
  12. Stator für einen Elektromotor mit einer aus miteinander gefügten Kupfer-Hairpins (10, 12) ausgebildeten Statorwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Hairpins (10, 12) mit dem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche gefügt sind.
DE102019103668.2A 2019-02-13 2019-02-13 Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator Pending DE102019103668A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019103668.2A DE102019103668A1 (de) 2019-02-13 2019-02-13 Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator
PCT/EP2020/053427 WO2020165142A1 (de) 2019-02-13 2020-02-11 Verfahren zum fügen von kupfer-hairpins und stator
US17/430,831 US20220166296A1 (en) 2019-02-13 2020-02-11 Method for joining copper hairpins and stator
CN202080014506.1A CN113453836A (zh) 2019-02-13 2020-02-11 用于接合铜发卡的方法以及定子

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019103668.2A DE102019103668A1 (de) 2019-02-13 2019-02-13 Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019103668A1 true DE102019103668A1 (de) 2020-08-13

Family

ID=69650552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019103668.2A Pending DE102019103668A1 (de) 2019-02-13 2019-02-13 Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220166296A1 (de)
CN (1) CN113453836A (de)
DE (1) DE102019103668A1 (de)
WO (1) WO2020165142A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020116202A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins
DE102022101859A1 (de) 2022-01-27 2023-07-27 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung und Isolierung einer elektrisch leitenden Verbindung
DE102022127730A1 (de) 2022-10-20 2024-04-25 Mercedes-Benz Group AG Verfahren zum Fügen von Hairpins durch Laserschweißen

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022125492A1 (de) 2022-10-04 2024-04-04 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006094600A (ja) * 2004-09-22 2006-04-06 Miyachi Technos Corp 回転子結線方法
DE102014226710A1 (de) * 2014-12-19 2016-06-23 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Drahtsegmentpaaren
US20180036836A1 (en) * 2016-08-02 2018-02-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Laser welding method for flat wires
DE102016222357A1 (de) * 2016-11-15 2018-05-17 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, mit Einstrahlen eines Laserstrahls in die von einem anderen Laserstrahl erzeugte Kapillaröffnung

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120055909A1 (en) * 2009-05-15 2012-03-08 Hideaki Miyake Method of laser-welding and method of manufacturing battery including the same
DE102014201715A1 (de) * 2014-01-31 2015-08-06 Trumpf Laser Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Punktschweißen von Werkstücken mittels Laserpulsen mit grüner Wellenlänge
DE102014209411A1 (de) * 2014-05-19 2015-11-19 Robert Bosch Gmbh Elektronisches Steuermodul, insbesondere für Getriebesteuerung, mit an Presskontakte angeschweißten elektrischen Bauteilen
TW201636144A (zh) * 2015-04-13 2016-10-16 翊鼎光電股份有限公司 雷射焊接裝置
ITBO20150187A1 (it) * 2015-04-16 2016-10-16 Magneti Marelli Spa Metodo di saldatura laser tra due elementi metallici adiacenti di un avvolgimento statorico con barre rigide per una macchina elettrica
DE102015218564B4 (de) * 2015-09-28 2020-07-30 Trumpf Laser Gmbh Laserbearbeitungsmaschine und Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken
DE102016222385A1 (de) * 2016-11-15 2018-05-17 Robert Bosch Gmbh Laserschweißverfahren für Stator
DE102017206545A1 (de) * 2017-04-19 2018-08-09 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Verbinden eines ersten metallischen Werkstücks mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels eines Laserstrahls
JP6852588B2 (ja) * 2017-06-20 2021-03-31 トヨタ自動車株式会社 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006094600A (ja) * 2004-09-22 2006-04-06 Miyachi Technos Corp 回転子結線方法
DE102014226710A1 (de) * 2014-12-19 2016-06-23 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Drahtsegmentpaaren
US20180036836A1 (en) * 2016-08-02 2018-02-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Laser welding method for flat wires
DE102016222357A1 (de) * 2016-11-15 2018-05-17 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, mit Einstrahlen eines Laserstrahls in die von einem anderen Laserstrahl erzeugte Kapillaröffnung

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020116202A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins
DE102022101859A1 (de) 2022-01-27 2023-07-27 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung und Isolierung einer elektrisch leitenden Verbindung
DE102022127730A1 (de) 2022-10-20 2024-04-25 Mercedes-Benz Group AG Verfahren zum Fügen von Hairpins durch Laserschweißen

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020165142A1 (de) 2020-08-20
US20220166296A1 (en) 2022-05-26
CN113453836A (zh) 2021-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019103668A1 (de) Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator
EP3915715B1 (de) Verfahren und laserschweissvorrichtungen zum tiefschweissen eines werkstücks, mit einstrahlen eines laserstrahls in die von einem anderen laserstrahl erzeugte kapillaröffnung
DE102016220863A1 (de) Verfahren zum Verbinden von Flachdrahtenden sowie derart hergestellter Stator
DE3539933C2 (de)
WO2021255066A1 (de) Verfahren zum fügen wenigstens zweier hairpins
DE102023104504A1 (de) Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und Werkstück
DE102008063614A1 (de) Laser-Lichtbogen-Hybrid-Schweißkopf
EP3840910B1 (de) Verfahren zum verschweissen von leiterstücken in einer komponente eines elektromechanischen wandlers sowie komponente eines elektromechanischen wandlers mit verschweissten leiterstücken
DE102020212087A1 (de) Mehrstufiges Laser-Entlacken eines stabförmigen Leiters
DE102019007902A1 (de) Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und Verfahren zum Herstellen einer Batterie
DE2354339C3 (de) Verfahren zum Zusammenbau von Elektronenstrahlerzeugungssystemen
DE102014211688A1 (de) Flachemitter
EP4216371A1 (de) Verfahren zum verbinden eines elektrischen kabels mit einem kontaktstück
DE102010022094A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Grundplatte für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle
DE19803605B4 (de) Verfahren zur Herstellung elektrischer Sicherungen
DE102022125492A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung
DE102019206976B3 (de) Optisches System zum Erzeugen zweier Laserfokuslinien sowie Verfahren zum gleichzeitigen Bearbeiten zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten eines Werkstücks
DE102020209821A1 (de) Verfahren zum Verbinden von Drahtstücken
DE102021109623B3 (de) Verfahren zum Laserschweißen von gebogenen, aluminiumhaltigen Stableitern, insbesondere für einen Elektromotor
DE102019128251A1 (de) Verfahren zum Fügen von zwei Fügepartnern mittels ultrakurzer Laserpulse
DE102021109872A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung
DE102021109622B4 (de) Verfahren zum Verschweißen von metallhaltigen, gebogenen Stableitern, mit Intensitätsumverteilung in einer Anfangsphase und einer Endphase und Verwendung von Stableiteranordnungen
DE976657C (de) Elektronenroehre fuer ultrakurze Wellen zur Erzeugung grosser Leistungen und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102022001085A1 (de) Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Batteriezellen mit einem Zellverbinder
CH658959A5 (en) Asynchronous rotor

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R082 Change of representative

Representative=s name: SPREE, CORNELIUS, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: SPREE, CORNELIUS, DE