Veröffentlicht von Stéphane Melançon, 23. February 2023
Batterien
Kopfzeilenbild mit freundlicher Genehmigung von Zeiss
Hairpin-Motoren werden zunehmend in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie sind effizienter, haben eine höhere Leistungsdichte und thermische Leistung, und sind einfacher herzustellen als frühere Typen von Elektromotoren.
Die Vorteile der Hairpin-Motoren machen Elektrofahrzeuge nicht nur gegenüber früheren Generationen von Elektrofahrzeugen, sondern auch gegenüber Verbrennungsmotoren wettbewerbsfähiger.
In diesem Artikel gehen wir auf die folgenden Themen ein:
Wie funktionieren Elektromotoren?
Bevor wir uns mit der Funktionsweise von Hairpin-Motoren befassen, ist es wichtig zu verstehen, wie EV-Motoren funktionieren. Die folgenden Konzepte für EV-Motoren sind wichtig, um zu verstehen, warum Hairpin-Motoren den Unterschied ausmachen.
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen wandeln Elektromotoren den von den Batterien gelieferten Strom in Bewegung um, um die Räder zu bewegen. Die Bewegung wird durch die Erzeugung entgegengesetzter Magnetfelder erreicht: eines im Stator und eines im Rotor. Die Druck- und Zugkraft zwischen dem Stator und dem Rotor sorgt dafür, dass sich der Rotor dreht.
Im Stator wird das Magnetfeld durch den Strom erzeugt, der durch die Kupferwicklungen fließt.
Aber im Rotor sieht es anders aus. Die beiden gängigsten Typen von Elektromotoren erzeugen die Magnetkraft im Rotor unterschiedlich:
- Bei dauermagneterregten Motoren erzeugen die im Rotor befindlichen Magnete ein permanentes Magnetfeld.
- Bei Induktionsmotoren wird das Magnetfeld des Rotors induziert. Dies geschieht durch Aluminium- oder Kupferstangen im Rotor. Da sich diese Stäbe im Magnetfeld des Stators befinden, wird in ihnen ein elektrischer Strom induziert, der dann das Magnetfeld des Rotors erzeugt.
Was ist ein Hairpin-Motor?
Zwei Statoren mit verschiedenen Arten von Kupferwicklungen. Auf der linken Seite stellen Runddrähte den traditionellen Ansatz zur Wicklung dar. Rechts: die neue Hairpin-Technik. Mit freundlicher Genehmigung von Lucid Motors
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Ein Hairpin-Motor ist ein Elektromotor, dessen Stator mit Hairpins anstelle von Runddrähten gewickelt ist. Hairpins sind rechteckig und im Vergleich zu Drähten groß. Ihre rechteckige Form ermöglicht einen besseren Füllfaktor, was bedeutet, dass die Kupferwicklung den Raum besser ausnutzt (≈20 % effizienter). |
 Eine Darstellung eines Hairpins (Quelle). In den Statoren von elektrischen Antriebssystemen werden Hunderte von Hairpins verwendet. |
Vorteile von Hairpin-Statoren
Ein Vergleich von Hairpin- und Runddrahtwicklungen, der zeigt, wie Hairpins einen besseren Füllfaktor erzielen (Quelle).
Die Hairpin-Wickeltechnik bietet eine Reihe von Vorteilen:
- Aufgrund des besseren Füllfaktors erzeugt das zusätzliche Kupfer ein stärkeres Magnetfeld. Dies ermöglicht eine stärkere Rotation des Rotors und mehr Drehmoment an den Rädern.
- Ein besserer Füllfaktor bedeutet, dass der Stator kleiner sein kann.
- Die Energieverluste beim Durchgang des elektrischen Stroms durch das Kupfer (sogenannte Kupferverluste) sind minimal. Dies ist auf den optimierten Wicklungsverlauf zurückzuführen (identische und symmetrische Form aller Wicklungswindungen).
- Der Elektromotor verbraucht weniger Energie, um die gleiche Leistung zu erbringen, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird.
- Aufgrund ihrer symmetrischen und massiven Form lassen sich Hairpins leichter aufwickeln als Runddrähte, was die Montage erheblich vereinfacht.
- Runddrähte benötigen Stichschnüre, um die Wicklung zusammenzuhalten (ein Prozess, der als Statorschnürung bekannt ist). Dies ist bei Hairpins nicht erforderlich.
- Hairpin-Motoren haben ein geringeres Risiko, langfristig auszufallen. Das liegt daran, dass ihre größeren, solideren Leiter weniger von Vibrationen beeinträchtigt werden.
- Hairpins können mehr Strom übertragen als Runddrähte. Dieser bessere Wirkungsgrad erzeugt weniger Wärme in der Wicklung und im Motor. Dies vereinfacht das Temperaturmanagement und verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Motors.
- Im Gegensatz zu Runddrähten können Hairpins präzise positioniert werden, was zu einem wesentlich saubereren Design führt.
Schutzlack und Beschichtung in Hairpin-Motoren
Wie Kupferdrähte sind auch Kupfer-Hairpins mit einem Schutzlack (der so genannten Isolierschicht) überzogen, der verhindert, dass der elektrische Strom in alle Richtungen fließt, wenn sich die Hairpins berühren. Für Hairpin-Statoren wird in der Regel einer der folgenden Lacke verwendet:
- Polyamidimide (PAI)
- Polyetheretherketon (PEEK)
- Polyamidimide mit Polyimidfolie (PAI+FEP)
Herstellung von Hairpin-Motoren
Der Herstellungsprozess des Hairpin-Stators
Das folgende Video zeigt den Herstellungsprozess eines Hairpin-Stators – das entscheidende Teil eines Hairpin-Motors. Einige der sichtbaren Schritte:
- Das Isolierpapier, das in den Statorschlitzen platziert wird, um Abrieb zwischen den Hairpins und den Stahllamellen zu verhindern
- Der Prozess der Hairpin-Herstellung
- Qualitätskontrolle zur Sicherstellung der Einhaltung von Toleranzen
- Die Laserentschichtung der Isolierschicht
- Das Hairpin-Laserschweißverfahren
- Das Imprägnierverfahren, bei dem ein Teil des Stators mit einer Pulverlackbeschichtung überzogen wird, um freiliegende, geschweißte Bereiche zu schützen
Laser Stripping und Schweißen zur Bildung eines vollständigen Stromkreises
Während die traditionellen Runddrähte, die in Statoren verwendet werden, bereits einen durchgehenden Pfad bilden, müssen die Hairpins zur Bildung eines vollständigen Stromkreises miteinander verbunden werden. Hier kommen Laserentlacken und Laserschweißen ins Spiel.
Der Lack am Ende der Hairpins muss vor dem Schweißen entfernt werden, um sicherzustellen, dass er nicht in die Schweißnähte eindringt und diese verunreinigt.
Die Isolierschicht kann durch mechanischen Abrieb entfernt werden, aber die Laserablation ist gleichmäßiger und präziser. Rotierende Bürsten nutzen sich durch Reibung ab und müssen regelmäßig gewartet werden, um ungleichmäßige Ergebnisse zu vermeiden. Außerdem tragen sie einen Teil des unedlen Metalls unter der Isolierschicht ab, wodurch Kupfer entfernt wird – eine unerwünschte Nebenwirkung.
Hairpin-Imprägnierverfahren und Verbindungen zum E-Motor
Drei Flachstecker (links) und eine Brücke (rechts) wurden mit dem Laser abisoliert, um das Epoxidharz zu entfernen, bevor die endgültigen elektrischen Verbindungen hergestellt werden.
Nach dem Hairpin-Schweißen muss die Seite des Stators, an der die Schweißnähte freigelegt sind, vor Oxidation, Feuchtigkeit und anderen leitfähigen Materialien geschützt werden. Aus diesem Grund wird eine Epoxid-Pulverlackbeschichtung aufgetragen, um die geschweißten Bereiche zu isolieren und zu schützen. Dieser Vorgang wird als Imprägnierung bezeichnet.
Um die endgültigen Verbindungen herzustellen, muss dieses Epoxid von den Anschlussfahnen entfernt werden, die bei der Montage mit anderen Teilen des Elektromotors verbunden werden.
Je nach Konstruktion des Stators müssen verschiedene Teile mit dem Laser abisoliert und geschweißt werden. Beispiele hierfür sind Hairpins, Flachstecker und Statorbrücken.
Hier ein Beispiel des Laserentlackungsverfahrens für dicke Epoxidbeschichtungen.
Die Rolle von Hairpin-Motoren in der Zukunft der E-Mobilität
Die Hairpin-Wicklung ist eine wachsende Technologie, die sich in der Automobilindustrie schnell durchsetzt, um effizientere Motoren zu entwickeln.
Hairpin-Motoren können mit größeren Batterien mithalten, benötigen weniger Platz und wiegen weniger (und reduzieren somit das Gewicht des Fahrzeugs). Sie sind ein Schritt in die richtige Richtung, um Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähiger und für alle erschwinglich zu machen.
