Bei der Hairpin-Technologie besteht die Statorwicklung eines Elektromotors aus vorgeformten, meist U-förmigen Leitern aus rechteckigem Kupferflachdraht („Hairpins“). Sie werden in die Nuten des Blechpakets gesteckt und an den Enden miteinander verschweißt. Gegenüber Runddrahtwicklungen erreicht das einen höheren Nutfüllfaktor und lässt sich gut automatisieren.
Die Prozesskette
Drahtvorbereitung: Abwickeln und Richten des isolierten Flachdrahts, Abisolieren der Enden (mechanisch oder per Laser), Ablängen.
Formen: Biegen zu Hairpins, häufig in mehreren Schritten (2D/3D-Biegen).
Nutisolation und Fügen: Einbringen der Nutisolation (z. B. Isolierpapier) ins Blechpaket, Bündeln der Hairpins zu einem Korb und Einstecken in die Nuten.
Twisten: Aufweiten und Verdrehen der freien Leiterenden, damit die zu verbindenden Enden nebeneinander liegen.
Kontaktieren: Verschweißen der Leiterenden, verbreitet per Laserstrahlschweißen. Ein Stator hat dabei sehr viele Schweißstellen, deren Qualität einzeln zählt.
Isolieren und Imprägnieren: Isolation der Schweißzone, Imprägnierung der Wicklung (z. B. Träufel- oder Tauchverfahren).
Prüfen: u. a. Widerstandsmessung, Isolations- und Hochspannungsprüfung, Stoßspannungs- und Teilentladungsprüfung.
Vorteile
Höherer Kupferanteil in der Nut (Nutfüllfaktor) und damit potenziell höhere Leistungsdichte, gute Wärmeabfuhr durch die kompakte Leiteranordnung und ein hoher Automatisierungsgrad mit reproduzierbarer Geometrie.
Herausforderungen
Wechselstromverluste: Bei hohen Frequenzen erhöhen Skin- und Proximity-Effekt die Verluste in großen Leiterquerschnitten. Gegenmaßnahmen sind z. B. mehr, dafür flachere Leiter pro Nut.
Schweißqualität: Kupfer ist schwer laserschweißbar (hohe Reflexion, hohe Wärmeleitfähigkeit). Abisolierqualität und Lage der Enden beeinflussen das Ergebnis direkt.
Isolationsschäden: Biegen, Fügen und Twisten belasten die Drahtisolation mechanisch.
Flexibilität: Werkzeuge sind auf eine Wicklungsauslegung zugeschnitten. Designänderungen erfordern oft neue Biege- und Twistwerkzeuge.
Varianten
Neben klassischen U-förmigen Hairpins gibt es I-Pins (gerade Leiter, an beiden Enden verbunden) und kontinuierliche Formleiterwicklungen (Wellenwicklung aus Endlos-Flachdraht), die die Zahl der Schweißstellen reduzieren.
Häufige Fragen
Was ist ein Hairpin-Stator?
Ein Stator, dessen Wicklung aus vorgeformten Flachdrahtleitern besteht, die in die Nuten gesteckt und an den Enden verschweißt werden.
Warum wird Hairpin-Technologie in E-Antrieben eingesetzt?
Wegen des höheren Nutfüllfaktors, der guten Wärmeabfuhr und der guten Automatisierbarkeit in großen Stückzahlen.
Welches Schweißverfahren wird bei Hairpins verwendet?
Verbreitet ist das Laserstrahlschweißen der Leiterenden. Je nach Auslegung kommen auch andere Verfahren zum Einsatz.