Kinematisches Twisten von Statoren mit Hairpin-Wicklung für elektrische Traktionsmotoren

Vor dem Hintergrund globaler Klimaschutzbemühungen kommt der Elektrifizierung des Mobilitätssektors eine Schlüsselrolle bei der Verringerung von Treibhausgasemissionen zu. Im Mittelpunkt elektrifizierter Antriebssysteme steht dabei der elektrische Traktionsmotor als zentrale Komponente des Antriebsstrangs – unabhängig vom eingesetzten Energiespeichersystem. Eine etablierte Fertigungstechnologie in der Automobilindustrie für leistungsstarke und effiziente Traktionsmotoren ist die sogenannte Hairpin-Technologie. Anstelle konventioneller Spulenwicklungen aus lackisoliertem Runddraht kommen hierbei segmentierte, U-förmig gebogene Steckspulen aus vergleichsweise massivem Flachdraht zum Einsatz. ... mehrDiese werden durch einseitiges axiales Einbringen in das Statorblechpaket und anschließendes Twisten und Kontaktieren der Spulenenden zu einer elektrisch durchgängigen Wicklung verbunden. Obwohl die Hairpin-Technologie bereits in der hochvolumigen Serienproduktion etabliert ist, sind die eingesetzten Sondermaschinen aufgrund zahlreicher produktspezifischer Werkzeugwechselteile nur bedingt für eine flexible und wirtschaftliche Fertigung kleiner Stückzahlen geeignet. Gleichzeitig resultieren volatile Marktanforderungen sowie ein hoher Innovationsgrad bei der Entwicklung moderner Traktionsmotoren in einem steigenden Bedarf an adaptiven Fertigungstechnologien. Insbesondere die werkzeuggebundenen Twistprozesse zur simultanen Umformung der Spulenenden und deren aufwändige experimentelle Parametrierung verursachen hohe Durchlaufzeiten und Werkzeugkosten im Prototypenbau sowie in der Kleinserienproduktion.

Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Arbeit ein kinematischer Aufweit- und Twistprozess mit sequenzieller Umformung der Spulenenden als flexible und wirtschaftliche Prozessalternative entwickelt. Darüber hinaus wird eine Methodik zur modellbasierten Offline-Parametrierung kinematischer Aufweit- und Twistprozesse erarbeitet, die eine automatisierte Ablauf- sowie Bahnplanung ermöglicht. Zudem wird erstmals die technologische Machbarkeit des kinematischen Twistprozesses mit sequenzieller Prozessführung wissenschaftlich nachgewiesen. Das vereinfachte Anlagenkonzept sowie die reduzierte Anzahl an produktspezifischen Werkzeugen ermöglichen in Kombination mit der experimentell validierten Parametrierungsmethodik ein flexibles Aufweiten und Twisten bei gleichzeitig geringeren Werkzeugkosten. Dadurch wird nicht nur die wirtschaftliche Produktion von Hairpin-Statoren bereits ab Losgröße 1 realisierbar, sondern auch ein Beitrag zur fertigungsgerechten Gestaltung der Kontaktierseite von Hairpin-Statoren geleistet.

In the context of global efforts to mitigate climate change, the electrification of the mobility sector plays a key role in reducing greenhouse gas emissions. Within electric drivetrains, the electric traction motor represents the central component, independent of the energy storage system used. Hairpin technology is an established manufacturing technology in the automotive industry and has proven effective for producing powerful and efficient traction motors. Instead of conventional coil windings made of insulated round wire, segmented hairpin coils made of solid flat wire are used, which are bent into a U-shape rather than wound. ... mehrThe hairpin coils are inserted axially into the stator lamination stack on one side and then twisted and connected on the other side to form a continuous electrical winding.

Although hairpin technology is already established in high-volume production, the special-purpose machinery currently used is only partially suitable for the flexible and cost-effective production of small quantities, as it requires numerous product-specific tool change components. At the same time, volatile market requirements and the high rate of innovation in traction motor development are driving demand for adaptive manufacturing technologies. In particular, the tool-based twisting processes used for the simultaneous forming of coil ends, along with their complex experimental parameterization, result in long throughput times and high tooling costs in prototype and small-series production.

Against this background, a combined kinematic widening and twisting process with sequential forming of the coil ends is developed as a flexible and economical alternative manufacturing method within the scope of this work. In addition, a model-based offline parameterization method for the kinematic widening and twisting processes is developed, enabling automated process and path planning. Furthermore, the technological feasibility of the kinematic twisting process with sequential forming of individual wires is demonstrated for the first time. The simplified machine concept and the reduced number of product-specific tools, combined with the experimentally validated parameterization methodology, enable flexible widening and twisting at lower tooling costs. This not only allows the economical production of hairpin stators in batch sizes as small as one, but also contributes to a production-oriented design of the contacting side of hairpin stators.