DE102022125492A1

DE102022125492A1 - Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung

Info

Publication number: DE102022125492A1
Application number: DE102022125492.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Omlor; Tobias Petrich
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-10-04
Filing date: 2022-10-04
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung (20), bei dem zwei Wicklungselementenden (141; 142; 141A; 141B) einer Wicklungsanordnung (30) an einer ersten Verbindungsstelle (50) mittels mindestens einer Strahlenerzeugungsvorrichtung (60) miteinander verbunden werden, weist die folgenden Schritte auf:A) Mindestens ein erster Strahlenimpuls (91; 91A, 91B, 91C) wird auf die Verbindungsstelle (50) gerichtet, welcher mindestens eine erste Strahlenimpuls (91; 91A, 91B, 91C) eine erste Maximalleistung (P1_max) aufweist;B) nach Schritt A) wird ein zweiter Strahlenimpuls (92) auf die Verbindungsstelle (50) gerichtet, welcher zweite Strahlenimpuls (92) eine zweite Maximalleistung (P2_max) aufweist, welche zweite Maximalleistung (P2_max) niedriger ist als die erste Maximalleistung (P1_max).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung und eine Statoranordnung.
Die WO 2020 165 142 A1 zeigt ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins mittels Laserstrahlschweißen mit unterschiedlichen lokalen Intensitäten.
Die WO 2022 / 028 879 A1 zeigt eine Herstellung von Statoren mit einem Verschweißen zweier stabförmiger Elektroden mittels eines Laserstrahls, welcher in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird.
Die DE 10 2016 222 357 A1 zeigt ein Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, bei dem mit zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Intensität gearbeitet wird.
Die DE 10 2020 116 202 A1 zeigt ein Verfahren zum Fügen von Hairpins, bei welchem die Intensität eines Bearbeitungsstrahls aufgrund unterschiedlicher Anordnung der Hairpins unterschiedlich gesteuert wird.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung und eine neue Statoranordnung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung mit einer Wicklungsanordnung, welche Wicklungsanordnung Wicklungselemente aufweist, welche Wicklungselemente ein erstes Wicklungselement mit einem ersten Wicklungselementende und ein zweites Wicklungselement mit einem zweiten Wicklungselementende umfassen, welches erste Wicklungselementende und welches zweite Wicklungselementende an einer ersten Verbindungsstelle durch das Verfahren mittels mindestens einer Strahlenerzeugungsvorrichtung miteinander verbunden werden, und welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

A) Mindestens ein erster Strahlenimpuls wird auf die Verbindungsstelle gerichtet, welcher mindestens eine erste Strahlenimpuls eine erste Maximalleistung aufweist;
B) nach Schritt A) wird ein zweiter Strahlenimpuls auf die Verbindungsstelle gerichtet, welcher zweite Strahlenimpuls eine zweite Maximalleistung aufweist, welche zweite Maximalleistung niedriger ist als die erste Maximalleistung.

Der zweite Strahlenimpuls mit niedrigerer Leistung führt dazu, dass die Verbindungsstelle langsamer abkühlt als ohne den zweiten Strahlenimpuls. Hierdurch können bei der Herstellung der Verbindung entstehende Gaseinschlüsse während eines längeren Zeitraums an die Oberfläche treiben und hierdurch aus der Verbindungsstelle entweichen. Dies führt zu einer besseren Verbindung der Wicklungselementenden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beginnt der zweite Strahlenimpuls nach der Beendigung des mindestens einen ersten Strahlenimpulses, es ist aber auch eine Überlappung möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist

- der mindestens eine erste Strahlenimpuls,
- der zweite Strahlenimpuls, oder
- der mindestens eine erste Strahlenimpuls und der zweite Strahlenimpuls als Laserstrahlimpuls oder als Elektronenstrahlimpuls vorgesehen. Laserstrahlimpulse und Elektronenstrahlimpulse sind gut geeignet zur Einbringung von Wärmeenergie und zum Verschweißen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird durch den mindestens einen ersten Strahlenimpuls zumindest abschnittsweise ein Tiefschweißprozess oder ein Wärmeleitungsschweißprozess an der Verbindungsstelle durchgeführt. Diese Prozesse ermöglichen die Herstellung einer guten Verbindung und einen schnellen Prozess.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistung des zweiten Strahlenimpulses derart vorgegeben, dass während des Einwirkens des zweiten Strahlenimpulses zumindest zeitweise zumindest abschnittsweise ein Abkühlen der durch den mindestens einen ersten Strahlenimpuls erwärmten Verbindungsstelle stattfindet. Die Temperatur in der Verbindungsstelle, die durch den mindestens einen ersten Strahlenimpuls angestiegen ist, sinkt also während des Einwirkens des zweiten Strahlenimpulses. Der zweite Strahlenimpuls dient dem verlängerten Abkühlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leistung des zweiten Strahlenimpulses zumindest zeitweise einen abnehmenden, rampenförmigen zeitlichen Verlauf auf, welcher bevorzugt bis hinunter zu einer Leistung von weniger als 500 W verläuft, weiter bevorzugt bis hinunter zu einer Leistung von 0 W verläuft. Dies führt zu einer Verlängerung des Abkühlens im unteren Temperaturbereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistung des zweiten Strahlenimpulses derart gewählt, dass das Verhältnis einer ersten Abkühlrate an der Verbindungsstelle bei Einwirkung des zweiten Strahlenimpulses relativ zu einer entsprechenden zweiten Abkühlrate an der Verbindungsstelle ohne Einwirkung des zweiten Strahlenimpulses zumindest zeitweise zumindest abschnittsweise kleiner ist als 0,6, bevorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,4. Die Verringerung der Abkühlrate ermöglicht ein längeres Entweichen von Gaseinschlüssen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen der zweiten Maximalleistung und der ersten Maximalleistung geringer ist als 0,5, bevorzugt geringer als 0,4, weiter bevorzugt geringer als 0,3 und besonders bevorzugt geringer als 0,2. Ein solches Verhältnis ermöglicht einen schnellen Abschluss des eigentlichen Schweißvorgangs und ein gutes Entweichen der Gaseinschlüsse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine erste Strahlenimpuls einen Strahlenimpuls, welcher der zeitlich kürzeste des mindestens einen ersten Strahlenimpulses ist, und bei welchem das Verhältnis der Zeitdauer des zweiten Strahlenimpulses relativ zur Zeitdauer des zeitlich kürzesten Strahlenimpulses des mindestens einen ersten Strahlenimpulses mindestens 1,5 beträgt, bevorzugt mindestens 2,0, weiter bevorzugt mindestens 3,0 und besonders bevorzugt mindestens 4,0. Bei nur einem ersten Strahlenimpuls entspricht der zeitlich kürzeste Strahlenimpuls dem ersten Strahlenimpuls. Bei mehreren ersten Strahlenimpulsen gibt es immer einen zeitlich kürzesten Strahlenimpuls, wobei auch mehrere oder alle ersten Strahlenimpulse zeitlich am kürzesten sein können. Die genannten Verhältniswerte bieten einen schnellen Schweißvorgang und ein gutes Entweichen von Lufteinschlüssen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine erste Strahlenimpuls einen Strahlenimpuls, welcher der zeitlich längste des mindestens einen ersten Strahlenimpulses ist, und bei welchem das Verhältnis der Zeitdauer des zweiten Strahlenimpulses relativ zur Zeitdauer des zeitlich längsten Strahlenimpulses des mindestens einen ersten Strahlenimpulses mindestens 1,4 beträgt, bevorzugt mindestens 1,8, weiter bevorzugt mindestens 2,5 und besonders bevorzugt mindestens 3,0. Bei nur einem ersten Strahlenimpuls entspricht der zeitlich längste Strahlenimpuls dem ersten Strahlenimpuls. Bei mehreren ersten Strahlenimpulsen gibt es immer mindestens einen zeitlich längsten Strahlenimpuls, wobei auch mehrere oder alle ersten Strahlenimpulse zeitlich am längsten sein können. Die genannten Verhältniswerte bieten einen schnellen Schweißvorgang und ein gutes Entweichen von Lufteinschlüssen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der mindestens eine erste Strahlenimpuls und der zweite Strahlenimpuls zumindest zeitweise durch dieselbe Strahlenerzeugungsvorrichtung erzeugt. Hierdurch kann die Anzahl der Strahlenerzeugungsvorrichtungen verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der mindestens eine erste Strahlenimpuls und der zweite Strahlenimpuls zumindest zeitweise durch unterschiedliche Strahlenerzeugungsvorrichtungen erzeugt, wobei bevorzugt die Strahlenerzeugungsvorrichtung für den ersten Strahlenimpuls eine höhere Maximalleistung aufweist als die Strahlenerzeugungsvorrichtung für den zweiten Strahlenimpuls. Durch mehrere Strahlenerzeugungsvorrichtungen können die Herstellungszeiten verkürzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wicklungselemente zumindest teilweise als Hairpins ausgebildet. Hairpins ermöglichen eine vorteilhafte Montage der Statoranordnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der mindestens eine erste Strahlenimpuls entlang mindestens einer vorgegebenen ersten Schweißbahn auf die Verbindungsstelle gerichtet. Die Wärmeenergieeinbringung in die Verbindungsstelle kann hierdurch gleichmäßiger erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Strahlenimpuls entlang mindestens einer vorgegebenen zweiten Schweißbahn auf die Verbindungsstelle gerichtet. Die Wärmeenergieeinbringung in die Verbindungsstelle kann hierdurch gleichmäßiger erfolgen.
Eine Statoranordnung ist hergestellt durch ein solches Verfahren.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:

1 in einer Draufsicht ein Wicklungselement mit einem Leiter,
2 in einem Querschnitt eine Statoranordnung mit dem Wicklungselement von 1,
3 in einem Querschnitt den Leiter von 1,
4 in einer raumbildlichen Darstellung die Statoranordnung von 2 nach einem ersten Herstellungsschritt,
5 in einer ersten Seitenansicht zwei zu kontaktierende Wicklungselementenden,
6 in einer zweiten Ansicht die Wicklungselementenden von 5,
7 in einer Draufsicht die Wicklungselementenden von 5,
8 in schematischer Darstellung eine Erzeugung einer Verbindung durch Strahlschweißen,
9 in schematischer Darstellung eine Bearbeitungsstation,
10 in raumbildlicher Darstellung drei zu verschweißende Paare von Wicklungselementenden,
11 ein Diagramm mit Strahlenimpulsen zur Erzeugung einer Verbindung,
12 eine statistische Auswertung einer Anzahl von relevanten Poren in den Verbindungsstellen,
13 eine statistische Auswertung eines maximal auftretenden Porenvolumens in den Verbindungsstellen, und
14 eine statistische Auswertung des Gesamtvolumens der Poren im Verhältnis zum Gesamtvolumen des geschmolzenen Bereichs an der Verbindungsstelle.

Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
1 zeigt ein Wicklungselement 40, welches für die Herstellung einer Statoranordnung (vgl. 4) genutzt werden kann. Das Wicklungselement 40 hat einen Leiter 81, der als Eindrahtleiter (z.B. Flachdrahtleiter) oder als Litzenleiter ausgebildet sein kann. Das Wicklungselement 40 ist derart geformt, dass es einen ersten Schenkel 47, einen zweiten Schenkel 48, einen Verbindungsabschnitt 43, einen ersten Endabschnitt 41 mit einem ersten Wicklungselementende 141 und einen zweiten Endabschnitt 42 mit einem zweiten Wicklungselementende 142 aufweist. Der erste Endabschnitt 41 ist mit dem ersten Schenkel 47 verbunden, und der zweite Endabschnitt 42 ist mit dem zweiten Schenkel 48 verbunden. Der Verbindungsabschnitt 43 verbindet den ersten Schenkel 47 mit dem zweiten Schenkel 48.
Bei dieser Form von Wicklungselementen 40 spricht man auch von Hairpins. Es sind auch Wicklungselemente 40 möglich, die stabförmig ausgebildet sind. Dies erfordert jedoch eine Kontaktierung der entsprechenden Wicklungselementenden 141, 142 auf beiden axialen Seiten der Statoranordnung.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Statoranordnung 20. Die Statoranordnung 20 hat einen Statorkern 22, der beispielsweise als Blechpaket ausgebildet ist. Die Wicklungselemente 40 sind entlang der Schnittlinie II-II von 1 geschnitten. Der Statorkern 22 hat eine Nut 25, durch die sich die Leiter 81 erstrecken. Im Ausführungsbeispiel erstrecken sich fünf Leiter 81 durch die Nut 25, die Anzahl kann aber in Abhängigkeit von der Größe der Statoranordnung 20 und der gewünschten Leistung variiert werden.
Um die Leiter 81 herum ist bevorzugt Isolationspapier 71 vorgesehen, um die Gefahr eines Kurzschlusses zum Statorkern 22 hin zu verringern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Imprägnierung mit einem isolierenden Werkstoff erfolgen, beispielsweise mit Kunststoff.
Die Leiter 81 haben in der Ausführungsform zumindest abschnittsweise eine rechteckige Grundform. Dies ist vorteilhaft, um einen hohen Füllgrad der Statornut 25 zu erzielen. Die Grundform kann aber beispielsweise auch rund oder allgemein viereckig sein.
3 zeigt einen Leiter 81 im Querschnitt. Der Leiter 81 ist auf seiner Außenseite mit einer Isolationsschicht 82 versehen, bspw. einer Lackschicht bzw. einem Drahtlack. Hierdurch wird eine leitende Verbindung zwischen den Leitern 81 oder zum Statorkern 22 hin verhindert.
4 zeigt die Statoranordnung 20 mit dem Statorkern 22 und einer Wicklungsanordnung 30. Der Statorkern 22 weist die Nuten 25 auf, und er definiert eine Statorachse 12, die auch als Längsachse 12 bezeichnet werden kann, eine erste axiale Seite 23 und eine zur ersten axialen Seite 23 entgegengesetzte zweite axiale Seite 24. Die Wicklungselemente 40 sind von der zweiten axialen Seite 24 her in das Blechpaket 22 eingeschoben, so dass jeweils der erste Endabschnitt 41 und der zweite Endabschnitt 42 auf der ersten axialen Seite 23 angeordnet sind. Die Verbindungsabschnitte 43 sind auf der zweiten axialen Seite 24 angeordnet und bilden dort einen Wickelkopf (auch Wicklungskopf genannt) 32, also einen axial über den Statorkern 22 überstehenden Bereich der Wicklungsanordnung 30. Die Schenkel 47, 48 sind jeweils zumindest bereichsweise in einer zugeordneten Nut 25 angeordnet.
Nach dem Einschieben der Wicklungselemente 40 müssen weitere Schritte durchgeführt werden, um eine ordnungsgemäß verschaltete Wicklungsanordnung 30 zu bilden und Wicklungsanschlüsse vorzusehen. Diese weiteren Schritte umfassen bevorzugt ein Aufweiten der Endabschnitte 41 in radialer Richtung und ein Twisten der Endabschnitte 41, bei dem die Endabschnitte 41 durch Verbiegung in Umfangsrichtung versetzt werden, um eine Kontaktierung jeweils mit einem der Endabschnitte 41 eines anderen Wicklungselements 40 zu ermöglichen.
5 zeigt in einer Seitenansicht ein erstes Wicklungselement 40A mit einem Wicklungselementende 141A und ein zweites Wicklungselement 40B mit einem Wicklungselementende 142B. Ein Koordinatensystem mit einer z-Achse (axiale Richtung der Statoranordnung) und einer x-Achse ist eingezeichnet.
6 zeigt die Wicklungselemente 40A, 40B von 5 in um 90° gedrehter Seitenansicht. Es ist nur das Wicklungselement 40A zu sehen. Das Koordinatensystem hat die z-Achse und eine y-Achse. Die y-Achse ist senkrecht zur z-Achse und zur x-Achse.
7 zeigt die Wicklungselemente 40A, 40B von 5 in einer Draufsicht. Vom Koordinatensystem sind die x-Achse und die y-Achse dargestellt. Die beiden Wicklungselementenden 141A, 142B sollen mittels mindestens einer Strahlenerzeugungsvorrichtung an einer Verbindungsstelle 50 miteinander verbunden werden. An der Verbindungsstelle 50 sind beispielhaft Schweißbahnen 51, 52, 53 eingezeichnet, und durch die Strahlenerzeugungsvorrichtung kann bspw. ein Laserstrahl entlang der Schweißbahnen 51, 52, 53 positioniert werden bzw. dort auftreffen, um an der Verbindungsstelle 50 ein Schmelzbad zu erzeugen und die beiden Wicklungselementenden 141A, 142B durch eine Schweißverbindung miteinander zu verbinden.
8 zeigt schematisch ein Auftreffen eines Strahls 90A, bspw. eines Laserstrahls oder eines Elektronenstahls, auf die Verbindungsstelle 50. Im Ausführungsbeispiel ist der Strahl 90A ein Laserstrahl, und es wird ein Tiefschweißvorgang durchgeführt. Hierbei ist die Strahlungsintensität des Lasers, also die Leistung pro Fläche, ausreichend hoch, um den Werkstoff der Wicklungselementenden 141A, 142B bereichsweise zu verdampfen. Es entsteht im Bereich des Strahls 90A eine Dampfkapillare 95, die im Englischen als Keyhole bezeichnet wird. Ein solcher Schweißprozess dauert bspw. zwischen 50 ms und 150 ms. Das Schweißen erfolgt bevorzugt im Vakuum oder in einem Schutzgas.
Zusätzlich oder alternativ zum Tiefschweißvorgang kann auch ein Wärmeleitschweißvorgang durchgeführt werden.
Das Tiefschweißen hat den Vorteil, dass mit hoher Energie gearbeitet werden kann und hierdurch geringe Taktzeiten möglich sind.
Durch die Prozessführung können insbesondere bei einem Tiefschweißprozess Poren entstehen, welche die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Verbindung verschlechtern. Beim Laserstrahlschweißen fließt durch den gezielten Energieeintrag die Wärme nach dem Prozess schnell in umliegende Bereiche der Verbindungsstelle 50 ab. Die führt zu einer schnellen Abkühlung. Dieser Abkühlprozess verläuft schneller als ein mögliches Entgasen bzw. Ausgasen von Gaseinschlüssen, welches bei einem flüssigen Werkstoff an der Verbindungsstelle 50 möglich ist. Nach dem Erstarren des Werkstoffs an der Verbindungsstelle 50 verbleiben die Gaseinschlüsse als Poren im Material.
Beim Ausgasen treibt das eingeschlossene Gas an die Oberfläche und entweicht dort.
Es wurde daher untersucht, ob eine Verlangsamung des Abkühlprozesses dazu führen kann, dass die Gaseinschlüsse besser bzw. weitgehender entweichen können, bevor der Werkstoff im Bereich der Verbindungsstelle 50 hart wird.
9 zeigt eine Bearbeitungsstation 59, welche einen Träger 65 für die zu kontaktierende Statoranordnung 20 mit dem Statorkern 22 und den zu kontaktierenden Wicklungselementenden 141, 142 aufweist. Eine Strahlenerzeugungsvorrichtung 60A ist vorgesehen, bspw. eine Laserstrahlerzeugungsvorrichtung oder eine Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung. Die Strahlenerzeugungsvorrichtung 60A hat bevorzugt eine Optik zur Ablenkung des Strahls 90A, und entsprechend ist ein kegelförmiger Bereich für den Strahl 90A eingezeichnet. Zur Kontrolle und Steuerung sind bevorzugt Beleuchtungselemente 62 vorgesehen. Eine zusätzliche Strahlenerzeugungsvorrichtung 60B ist bevorzugt vorgesehen, um einen Strahl 90B auf die Wicklungselementenden 141, 142 mit geringerer Intensität zu erzeugen.
Bei einer Ausbildung der Strahlenerzeugungsvorrichtungen 60A, 60B als Laser sind die nachstehenden Laserstrahlquellen vorteilhaft anwendbar:

- Scheibenlaser, und
- Faserlaser.

Es sind auch andere Laserstrahlquellen anwendbar.
Schematisch ist ein bevorzugt vorgesehenes Achsportal 67 dargestellt, welches eine Bewegung der Strahlenerzeugungsvorrichtung 60 relativ zum Träger 65 ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann der Träger 65 bewegt werden.
10 zeigt drei nebeneinander angeordnete, miteinander zu kontaktierende Paare von Wicklungselementenden 141, 142.
Das linke Paar 141, 142 ist bereits an der Verbindungsstelle 50 kontaktiert worden, beim mittleren Paar 141, 142 findet gerade eine Kontaktierung durch Wärmeeintragung durch einen Strahl 90A bzw. 90B statt, und beim rechten Paar 141, 142 hat noch keine Kontaktierung stattgefunden.
Eine Positioniervorrichtung 130 ist vorgesehen, um die Paare 141, 142 zu positionieren und bevorzugt auch aneinander zu drücken und möglichst eine Berührung zu bewirken. Hierdurch kann die Verbindung der Wicklungselementenden 141, 142 prozesssicherer erreicht werden.
11 zeigt beispielhaft die Leistung P der Laserstrahlen 90A, 90B zur Erzeugung der Verbindung zwischen den Wicklungselementenden 141, 142.
Im Ausführungsbeispiel werden drei erste Strahlenimpulse 91A, 91B, 91C erzeugt, welche eine Maximalleistung P1_max von 5 kW aufweisen. Die Strahlenimpulse 91A, 91 B, 91C haben im Ausführungsbeispiel jeweils eine aufsteigende Rampe 181, ein Plateau 182 und eine absteigende Rampe 183.
Der Strahlenimpuls 91A hat eine Zeitdauer T1A, der Strahlenimpuls 91B eine Zeitdauer T1B und der Strahlenimpuls 91C eine Zeitdauer T1C. Im Ausführungsbeispiel sind die Zeitdauern T1A und T1B annähernd gleich groß und jeweils kleiner als die Zeitdauer T1C. Während der Zeitdauer T1A wird der Strahl 90A bspw. entlang der Schweißbahn 52 von 7 geführt, während der Zeitdauer T1B wird der Strahl 90A bspw. entlang der Schweißbahn 53 geführt, und während der Zeitdauer T1C wird der Strahl 90A bspw. entlang der Schweißbahn 51 geführt.
Hierdurch wird durch den Strahlenimpuls 91A die Verbindungsstelle 50 im Bereich des Wicklungselementendes 141A erwärmt, durch den Strahlenimpuls 91B die Verbindungsstelle 50 im Bereich des Wicklungselementendes 142B erwärmt und durch den Strahlenimpuls 91C die gesamte Verbindungsstelle 50 erwärmt und verschweißt.
Als Linie 185 ist schematisch die Temperatur T an der Verbindungsstelle 50 eingezeichnet. Die Temperatur T nimmt durch den Energieeintrag der Strahlenimpulse 91A, 91B und 91C jeweils zu, und dies führt zu einem Schmelzen und im Falle eines Tiefschweißens Verdampfen des Materials an der Verbindungsstelle 50.
Nach dem Strahlenimpuls 91C folgt ein Strahlenimpuls 92, welcher bspw. eine Maximalleistung P2_max von 1 kW aufweist. Der Strahlenimpuls 92 hat bevorzugt ebenfalls eine aufsteigende Rampe 191, ein Plateau 192 und eine absteigende Rampe 193. Alle Rampen können jeweils eine konstante Steigung haben, sie können aber auch andere Verläufe wie exponentielle Verläufe oder Anteile davon haben. Die Leistung P2_max ist niedriger als die Leistung P1_max, und die Zeitdauer T2 des Strahlenimpulses 92 ist bevorzugt länger als die Zeitdauern T1A, T1B und T1C, sowohl einzeln als bevorzugt auch insgesamt in Summe.
Der zusätzliche Strahlenimpuls 92 führt dazu, dass das Abkühlen der Verbindungsstelle 50 verlangsamt wird. Die gestrichelt dargestellte Linie 186B zeigt schematisch den Verlauf der Temperatur T an der Verbindungsstelle 50, wenn der Strahlenimpuls 92 nicht vorgesehen ist. Die Temperatur T fällt in diesem Fall vergleichsweise schnell ab. Die Kurve 186A zeigt dagegen den Abfall der Temperatur T bei Verwendung des Strahlenimpulses 92. Der Abfall der Temperatur T ist deutlich langsamer, und hierdurch ist ein längeres Abgasen von ggf. auftretenden Gaseinschlüssen möglich.
Die Leistung P2_max und damit die Intensität an der Verbindungsstelle 50 werden bevorzugt derart vorgegeben, dass während des Einwirkens des Strahlenimpulses 92 zumindest zeitweise zumindest abschnittsweise ein Abkühlen der durch den mindestens einen Strahlenimpuls 91A, 91B, 91C erwärmten Verbindungsstelle 50 stattfindet. Ziel des Energieeintrags durch den Strahlenimpuls 92 ist somit ein verlangsamtes Abkühlen und nicht eine Erhöhung der absoluten Temperatur T an der Verbindungsstelle 50.
Bevorzugt weist die Leistung des Strahlenimpulses 92 zumindest zeitweise den abnehmenden, rampenförmigen zeitlichen Verlauf 193 auf, und bevorzugt verläuft der rampenförmige zeitliche Verlauf 193 bis hinunter zu einer Leistung von weniger als 500 W, weiter bevorzugt bis hinunter zu einer Leistung von 0 W. Dies ermöglicht ein kontrolliertes Abkühlen an der Verbindungsstelle 50. Es kann beispielsweise ein rampenförmiger Verlauf bis hinunter zu einer Leistung von 250 W vorgesehen werden, und beim Erreichen von 250 W wird die Leistung auf 0 W reduziert.
Die Leistung des Strahlenimpulses 92 wird bevorzugt derart gewählt, dass das Verhältnis einer ersten Abkühlrate 184A an der Verbindungsstelle 50 bei Einwirkung des Strahlenimpulses 92 relativ zu einer entsprechenden Abkühlrate 184B an der Verbindungsstelle 50 ohne Einwirkung des Strahlenimpulses 92 zumindest zeitweise zumindest abschnittsweise kleiner ist als 0,6, bevorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,4. Die Abkühlrate ist die Änderung der Temperatur T in einer vorgegebenen Zeitdauer und entspricht zu einem gegebenen Zeitpunkt der Steigung der Kurve 186A bzw. 186B. Bevorzugt wird somit ungefähr eine Halbierung der Abkühlrate erzielt, und die Abkühlrate kann bevorzugt noch weiter reduziert werden. In Abhängigkeit vom Material der Wicklungselementenden 141, 142 und deren Geometrie kann durch Versuche eine geeignete Leistung P bzw. eine geeignete Intensität ermittelt werden.
Das Verhältnis zwischen der Maximalleistung P2_max und der Maximalleistung P1_max ist bevorzugt geringer als 0,5, weiter bevorzugt geringer als 0,4, weiter bevorzugt geringer als 0,3 und besonders bevorzugt geringer als 0,2. Für die Verlangsamung der Abkühlung sind somit deutlich geringere Leistungen erforderlich als für den Schweißprozess selbst.
Bevorzugt werden die Strahlenimpulse 91A, 91B und 91C einerseits und der Strahlenimpuls 92 andererseits durch dieselbe Strahlenerzeugungsvorrichtung 60A erzeugt. Dies ist einerseits für die Positionierung des Strahls vorteilhaft, und andererseits ist ein geringerer Geräteaufwand erforderlich als bei unterschiedlichen Strahlenerzeugungsvorrichtungen 60A, 60B.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Strahlenimpulse 91A, 91B und 91C einerseits und der Strahlenimpuls 92 andererseits durch unterschiedliche Strahlenerzeugungsvorrichtungen 60A, 60B erzeugt. Hierdurch kann die Strahlenerzeugungsvorrichtung 60A für die Erzeugung der Strahlenimpulse 91A, 91B und 91C nach Beendigung des Strahlenimpulses 91C bereits zur nächsten Verbindungsstelle 50 verfahren bzw. abgelenkt werden und dort den Schweißprozess starten, während die andere Strahlenerzeugungsvorrichtung 60B für die Erzeugung des Strahlenimpulses 92 das verlangsamte Abkühlen durchführen kann. Der Prozess kann hierdurch insgesamt deutlich beschleunigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die unterschiedlichen Strahlenerzeugungsvorrichtungen 60A, 60B unterschiedliche Maximalleistungen aufweisen können, da für die Impulse 91A, 91B, 91C für das Schweißen höhere Leistungen erforderlich sind als für die Strahlenerzeugungsvorrichtung 60B für die Erzeugung des Strahlenimpulses 92.
Im Ausführungsbeispiel sind drei Strahlenimpulse 91A, 91B, 91C für den eigentlichen Schweißvorgang vorgesehen. Es ist alternativ möglich, auch nur einen längeren oder leistungsstärkeren Strahlenimpuls 91C vorzusehen oder beispielsweise zwei Strahlenimpulse 91B, 91C vorzusehen.
Im Ausführungsbeispiel haben alle drei Strahlenimpulse 91A, 91B, 91C die gleicher Maximalleistung P1_max. Dies ist für die Einstellung der Strahlenerzeugungsvorrichtung 60A vorteilhaft, die Strahlenimpulse 91A, 91B können aber beispielsweise alternativ Leistungen unterhalb der Maximalleistung P1_max haben, oder der Strahlenimpuls 91C kann eine Leistung unterhalb der Maximalleistung P1_max der Strahlenimpulse 91A, 91C haben.
Bevorzugte Maximalleistungen P1_max liegen im Bereich zwischen 3 kW bis 8 kW. Die Maximalleistung kann in Abhängigkeit von der Geometrie der Wicklungselementenden 141, 142 angepasst werden.
12 zeigt Versuchsergebnisse, wobei auf der Ordinate die Anzahl der Poren statistisch in einem Boxplot mit 25 %-Quartilen angegeben ist, welche Poren ein Porenvolumen von mindestens 0,01 mm³ aufweisen. Der in den Versuchen verendete Prozess GEO3 verwendet die Strahlenimpulse 91A, 91B und 91C, aber keinen Strahlenimpuls 92. Der in den Versuchen verwendete Prozess GEO4 verwendet dagegen zusätzlich den Strahlenimpuls 92 zur verlangsamten Abkühlung. Es wurden jeweils zehn Verbindungsstellen 50 untersucht. Beim Prozess GEO3 waren statistisch circa 2,7 bis 4 Poren mit dem angegebenen Volumen vorhanden, beim Prozess GEO4 dagegen nur 2,0 bis 2,3 Poren mit einem Volumen größer als 0,01 mm³. Die Anzahl der Poren mit einem entsprechenden Porenvolumen kann somit durch die Verwendung des Strahlenimpulses 92 signifikant erniedrigt werden.
13 zeigt in einem Boxplot mit 25 %-Quartilen auf der Ordinate das statistisch maximal auftretende Porenvolumen V_max in mm³, und es sind wieder die Prozesse GEO3 und GEO4 aufgetragen. Bei dem Prozess GEO3 bewegen sich die maximalen Volumina im Bereich von circa 0,08 mm³ bis 0,35 mm³, und beim Prozess GEO4 im Bereich 0,04 mm³ bis 0,10 mm³. Die Größe der maximalen Poren kann somit durch die Verwendung des Strahlenimpulses 92 verringert werden.
14 zeigt in einem Boxplot mit 25 %-Quartilen statistisch das Porenvolumen insgesamt an der jeweiligen Verbindungsstelle 50. Beim Prozess GEO3 liegt das gesamte Porenvolumen statistisch im Bereich 0,5 bis 1,7 %, bezogen auf das gesamte Schmelzvolumen, und im Prozess GEO4 liegt das gesamte Porenvolumen bei 0,3 % bis 0,5 %. Das gesamte Porenvolumen kann also durch die Verwendung des Strahlenimpulses 92 signifikant abgesenkt werden, und dies führt zu einer Verbesserung der Gesamtqualität der Verbindung.
Die Robustheit des Prozesses, bspw. gegenüber Verschmutzungen der Schweißpartner vor dem Schweißen, wird zudem stark erhöht. Der Einfluss solcher Verunreinigungen oder anderer störender Parameter, die üblicherweise zu Poren führen, sind durch die Verwendung des Strahlenimpulses 92 aufgrund des verbesserten Ausgasverhaltens weniger relevant.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020165142 A1 [0002]
WO 2022028879 A1 [0003]
DE 102016222357 A1 [0004]
DE 102020116202 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung (20) mit einer Wicklungsanordnung (30), welche Wicklungsanordnung (30) Wicklungselemente (40) aufweist, welche Wicklungselemente (40) ein erstes Wicklungselement (40) mit einem ersten Wicklungselementende (141; 142; 141A; 141B) und ein zweites Wicklungselement (40) mit einem zweiten Wicklungselementende (141; 142; 141A; 141B) umfassen, welches erste Wicklungselementende (141; 142; 141A; 141B) und welches zweite Wicklungselementende (141; 142; 141A; 141B) an einer ersten Verbindungsstelle (50) durch das Verfahren mittels mindestens einer Strahlenerzeugungsvorrichtung (60) miteinander verbunden werden, und welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist: A) Mindestens ein erster Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) wird auf die Verbindungsstelle (50) gerichtet, welcher mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) eine erste Maximalleistung (P1_max) aufweist; B) nach Schritt A) wird ein zweiter Strahlenimpuls (90B; 92) auf die Verbindungsstelle (50) gerichtet, welcher zweite Strahlenimpuls (90B; 92) eine zweite Maximalleistung (P2_max) aufweist, welche zweite Maximalleistung (P2_max) niedriger ist als die erste Maximalleistung (P1_max).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem - der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C), - der zweite Strahlenimpuls (90B; 92), oder - der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) und der zweite Strahlenimpuls (90B; 92) als Laserstrahlimpuls oder als Elektronenstrahlimpuls vorgesehen ist.
Verfahren nach einem Anspruch 1 oder 2, bei welchem durch den mindestens einen ersten Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) zumindest abschnittsweise ein Tiefschweißprozess an der Verbindungsstelle (50) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leistung des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) derart vorgegeben wird, dass während des Einwirkens des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) zumindest zeitweise zumindest abschnittsweise ein Abkühlen der durch den mindestens einen ersten Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) erwärmten Verbindungsstelle (50) stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leistung des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) zumindest zeitweise einen abnehmenden, rampenförmigen zeitlichen Verlauf (193) aufweist, welcher bevorzugt bis hinunter zu einer Leistung von weniger als 500 W verläuft, weiter bevorzugt bis hinunter zu einer Leistung von 0 W verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leistung des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) derart gewählt wird, dass das Verhältnis einer ersten Abkühlrate (184A) an der Verbindungsstelle (50) bei Einwirkung des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) relativ zu einer entsprechenden zweiten Abkühlrate (184B) an der Verbindungsstelle (50) ohne Einwirkung des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) zumindest zeitweise zumindest abschnittsweise kleiner ist als 0,6, bevorzugt kleiner als 0,5 und besonders bevorzugt kleiner als 0,4.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Verhältnis zwischen der zweiten Maximalleistung (P2_max) und der ersten Maximalleistung (P1_max) geringer ist als 0,5, bevorzugt geringer als 0,4, weiter bevorzugt geringer als 0,3 und besonders bevorzugt geringer als 0,2.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) einen Strahlenimpuls (91A) umfasst, welcher der zeitlich kürzeste des mindestens einen ersten Strahlenimpulses (90A; 91; 91A, 91B, 91C) ist, und bei welchem das Verhältnis der Zeitdauer (T2) des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) relativ zur Zeitdauer (T1A) des zeitlich kürzesten Strahlenimpulses (91A) des mindestens einen ersten Strahlenimpulses (90A; 91; 91A, 91B, 91C) mindestens 1,5 beträgt, bevorzugt mindestens 2,0, weiter bevorzugt mindestens 3,0 und besonders bevorzugt mindestens 4,0.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) einen Strahlenimpuls (91C) umfasst, welcher der zeitlich längste des mindestens einen ersten Strahlenimpulses (90A; 91; 91A, 91B, 91C) ist, und bei welchem das Verhältnis der Zeitdauer (T2) des zweiten Strahlenimpulses (90B; 92) relativ zur Zeitdauer (T1C) des zeitlich längsten Strahlenimpulses (91C) des mindestens einen ersten Strahlenimpulses (90A; 91; 91A, 91B, 91C) mindestens 1,4 beträgt, bevorzugt mindestens 1,8, weiter bevorzugt mindestens 2,5 und besonders bevorzugt mindestens 3,0.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) und der zweite Strahlenimpuls (90B; 92) zumindest zeitweise durch dieselbe Strahlenerzeugungsvorrichtung (60) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) und der zweite Strahlenimpuls (90B; 92) zumindest zeitweise durch unterschiedliche Strahlenerzeugungsvorrichtungen (60A, 60B) erzeugt werden, wobei bevorzugt die Strahlenerzeugungsvorrichtung (60A) für den ersten Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) eine höhere Maximalleistung aufweist als die Strahlenerzeugungsvorrichtung (60B) für den zweiten Strahlenimpuls (90B; 92).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Wicklungselemente (40) zumindest teilweise als Hairpins ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine erste Strahlenimpuls (90A; 91; 91A, 91B, 91C) entlang mindestens einer vorgegebenen ersten Schweißbahn (51, 52, 53) auf die Verbindungsstelle (50) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zweite Strahlenimpuls (90B; 92) entlang mindestens einer vorgegebenen zweiten Schweißbahn (51) auf die Verbindungsstelle (50) gerichtet wird.
Statoranordnung (20), welche hergestellt ist durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.