Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator

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 Wcklung 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.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende

Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Seitenansicht auf zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins, die mit einem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden;

Figur 2 eine schematische Draufsicht auf die Stirnseiten der zwei miteinander zu fügende Kupfer- Hairpins der Figur 1 , sowie auf einen Bearbeitungsstrahl; und

Figur 3 eine weitere schematische Draufsicht auf zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl, welcher zwei unterschiedliche Intensitätsbereiche aufweist.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele

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 Figur 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 1 14, 124 der Enden der Hairpins 10, 12 zeigen in der Figur 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 1 14, 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 1 14, 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 1 10, 120 auf, welche beispielsweise in Form einer Kunststoffbeschichtung vorgesehen sein kann. In einem vorbereiteten Bereich 1 12, 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 1 12, 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 1 10, 120 von den Enden der Hairpinsl O, 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 1 10, 120 die Entstehung von giftigen Dämpfen beim

Laserstrahlschweißen vermieden.

Die vorbereiteten Bereiche 1 12,122 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 1 10,120 von den Hairpinsl O, 12 in den vorbereiteten Bereichen 1 12,122 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 Figur 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 1 14, 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 1 10, 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 Figuren 1 und 2 schematisch angedeutet ist.

Der Bearbeitungsstrahl 2 ist, wie beispielsweise in Figur 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 1 14, 124 der jeweiligen Enden der Kupfer-Hairpins 10, 12, welche in Figur 1 entsprechend nach oben gerichtet sind und welche in der Figur 2 in Draufsicht gezeigt sind, ausgebildet.

In einer bevorzugten Alternative, die weiter unten zur Figur 3 gezeigt, können die Stirnflächen 1 14, 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 Figuren 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 1 14, 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 1 14, 124 der miteinander zu fügenden Hairpins 10, 12 mit Laserenergie beaufschlagt, findet eine Wärmeleitung innerhalb der Hairpins 10, 12 von dieser Stirnfläche 1 14, 124 aus in Längsrichtung, welche durch die Längsrichtung Z in der Figur 1 angedeutet ist, statt. Entsprechend findet eine Wärmeleitung in den Hairpinsl O, 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 1 14, 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 1 14, 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 Figur 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 1 14, 124 der Hairpinsl O, 12 aufbringt, als in dessen Randbereich 22, weicher 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 1 14, 124 ist entsprechend beispielsweise rahmenförmig oder ringförmig ausgebildet.

In einer weiteren bevorzugten Alternative können die Stirnflächen 1 14, 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 1 14, 124 mit unterschiedlichen Wellenlängen des Bearbeitungsstrahls 2 durchgeführt werden.

Mit anderen Worten können die Stirnflächen 1 14, 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 1 14, 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 1 14, 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. Bezuqszeichenliste

10 Kupfer-Hairpin

12 Kupfer-Hairpin

1 10 Beschichtung

1 12 vorbereiteter Bereich

1 14 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