EP4162595A1 - VERFAHREN ZUR NACHBEARBEITUNG EINER FEHLERHAFTEN SCHWEIßVERBINDUNG EINER HAIRPIN-WICKLUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUR NACHBEARBEITUNG EINER FEHLERHAFTEN SCHWEIßVERBINDUNG EINER HAIRPIN-WICKLUNG

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EP4162595A1
EP4162595A1 EP21726375.5A EP21726375A EP4162595A1 EP 4162595 A1 EP4162595 A1 EP 4162595A1 EP 21726375 A EP21726375 A EP 21726375A EP 4162595 A1 EP4162595 A1 EP 4162595A1
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EP
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welded
welding
conductor
connection
winding
Prior art date
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Pending
Application number
EP21726375.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Herrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Publication of EP4162595A1 publication Critical patent/EP4162595A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/30—Manufacture of winding connections
    • H02K15/33—Connecting winding sections; Forming leads; Connecting leads to terminals
    • H02K15/35—Form-wound windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/50—Disassembling, repairing or modifying dynamo-electric machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00 relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas

Definitions

  • the invention relates to a method for reworking a defective welded connection of a hairpin winding for a rotor or stator of an electrical machine.
  • a stator with attached coils is typically used to drive a rotor by energizing the coils that vary over time or to convert a magnetic field that changes over time into an induction current.
  • a cylinder-shaped winding carrier can be used which has a large number of grooves running in the axial direction through which a conductor forming the coils is guided. In principle, it is possible to wind separate windings around each of the coil teeth delimiting the slots. However, it can be advantageous to meander a connected conductor through several grooves.
  • a so-called hairpin design is now often used in order to produce such turns meandering through grooves.
  • a profile wire usually a rectangular wire
  • the legs of this hairpin are then arranged in a circular shape and inserted into the grooves of a laminated stator core.
  • the free ends of the respective hairpins are concentrated in the next step. Rotated by a defined angle relative to the stator axis or to the axis of rotation of the electrical machine.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a comparatively improved solution for reworking faulty welded connections of a hairpin winding.
  • the object is achieved according to the invention by a method for reworking a faulty welded connection of a hairpin winding for a rotor or stator of an electrical machine, which comprises the following steps:
  • the hairpin winding having at least one conductor formed from several conductor sections, the conductor sections of the respective conductor being welded in pairs to a respective welded connection by a first welding process, with at least one of the welded connections being a faulty welded connection is, separating the defective welded connection, and connecting the previously connected by the defective welded connection, to be welded conductor sections by a connection method different from the first welding method, in particular by a second welding method.
  • the defective welded connection is first separated, in particular by severing the area having the welded connection. In this way, a defined geometry of the ends of the conductor sections to be connected can be provided, so that the problems explained at the beginning with regard to an undefined initial geometry for post-processing can be avoided.
  • the reworked welded connection would have a significantly different shape, in particular a significantly different length in the axial direction of the rotor or stator, than for non-reworked welded connections, which can be disadvantageous for subsequent steps, for example for the insulation of the welded connections.
  • connection method in particular a second welding method, is used in order to reconnect the previously separated conductor sections.
  • a different connection method in particular a second welding method, is used in order to reconnect the previously separated conductor sections.
  • the conductor sections can in particular be clip-shaped, so z. B. by two slot segments guided through a respective slot in the winding support cuts and a connecting portion connecting these be formed.
  • Corresponding clip-shaped conductor sections also called hairpins, are common and known in hairpin windings.
  • differently shaped conductor sections for example linear conductor sections, also called I-pins, can also be used.
  • Welded joints can be defective for a number of reasons. For example, voids or pores, that is, air pockets, can occur. With these defects, the copper cross-section is reduced at the welding point, which can reduce the service life of the rotor or stator, as higher thermal loads occur locally. In addition, due to the resulting smaller connection cross-section, mechanical loads can lead to a break in the connection during operation of the rotor or stator. If too much energy is used during welding, the insulation of the respective conductor section can be damaged, which in turn can lead to a reduction in the life of the rotor or stator.
  • connection method a connection method that applies additional material to the conductor sections to be welded can be used.
  • connection processes that apply additional material can be carried out at lower temperatures or introduce less energy into the conductor ends of the conductor sections than beam welding processes. with increasing material input from an insulation of the respective Porterab cut away.
  • connection methods that apply additional material is that they typically require longer process times. However, this is less relevant in the context of a rework solution, so that these connection methods are nevertheless well suited for rework.
  • the first welding process can be a beam welding process.
  • laser welding or electron beam welding can be used.
  • the first welding process in particular, only material of the conductor sections is used that is melted in order to connect them.
  • the short process times that can be achieved are an advantage of beam welding processes. This is particularly relevant since a large number of welded connections are to be made in the production of the hairpin winding.
  • gas shielded metal welding can be used as the joining method.
  • the shielding gas used can transfer heat to the conductor sections. It can therefore be advantageous to prevent the gas from flowing down the conductor into the insulated areas of the respective conductor section by means of a tool which grips around the ends of the conductor sections to be welded, for example in the manner of a sleeve.
  • CMT welding or metal inert gas welding or metal active gas welding can be used as the joining method.
  • Metal inert gas welding and metal active gas welding are well known welding processes in which the electrode is partially melted off and forms part of the weld. In summary, these welding processes are also sometimes referred to as Mig / Mag welding.
  • CMT welding is also a gas metal arc welding process.
  • the term CMT welding is derived from the English expression "cold metal transfer”.
  • This welding process is a further development of Mig / Mag welding, in which the welding wire is moved back and forth at a high frequency.
  • the droplet detachment from the electrode is improved and a lower temperature entry can be achieved in the conductor sections to be welded.
  • a stripped length of the conductor ends of 5 to 6 mm can be sufficient to remove the conductor ends without damaging the insulation. lation to weld.
  • Usual laser welding processes require an isolated length of approx. 10 mm.
  • the defective welded connection can be separated by separating an area comprising the defective welded connection from the conductor sections to be connected. This is also referred to as cutting to length and can be implemented, for example, by cutting off the conductor ends of the conductor sections. This provides a defined surface for the connection method.
  • a volume of the additional material which is between 50% and 200% or between 80% and 120% of the volume of the separated area can be applied by the second connection method.
  • the reworked welded joint can have a similar shape to that of the unreworked welded joints, which can be advantageous for subsequent processing steps, for example insulation processes.
  • At least the welded connections of the winding can be immersed in a bath of insulating agent after connecting the conductor sections to be connected in the axial direction of the rotor or of the stator.
  • it can be immersed in resin or powder coating.
  • the conductor ends of the conductor sections or the welded connections protrude approximately the same distance beyond the winding support. This can be achieved by applying additional material with approximately the same volume as the separated area, as explained above.
  • the provision of the hairpin winding applied to a winding carrier can comprise the following steps:
  • the steps known per se for producing a hairpin winding of a rotor or stator can also be part of the method according to the invention, so that the method according to the invention can include faulty production of the hairpin winding and the subsequent reworking.
  • Fig. 1 is a sectional detailed view of a hairpin winding for egg NEN rotor or stator of an electrical machine
  • FIG. 2 shows the state of a welded connection to be reworked in different steps of an embodiment of the method according to the invention.
  • stator 1 shows a detailed view of a stator 1 of an electrical machine.
  • the stator 1 comprises a winding carrier 2 with several slots 15, which carries several continuous conductors 3, 4 of a hairpin winding.
  • the conductors 3, 4 can, for example, form windings for different phases or be windings of one phase connected in parallel. For reasons of clarity, only two such conductors 3, 4 are shown in FIG. 1, with real ones electrical machines one or more conductors 3, 4 are used for typically three phases.
  • the turns formed by the conductors 3, 4 are made by a method in which the winding support 2 and a plurality of bracket-shaped conductor sections 5 are provided, after which thenatiab sections are arranged in a basket and are pushed axially into the winding support 2 that two groove sections 6, 7 of each conductor section 5 run in a respective groove 15 of the winding support, the groove sections 6, 7 being connected by a connecting section 8.
  • the free ends 9 to 12 of the groove sections 6, 7 or the Lei ter sections 5 are bent in the manner shown in Fig. 1, so that two free ends 10, 11 and 9, 12 come to lie immediately adjacent to each other. This is also known as twisting.
  • the free ends 10, 11 and 9, 12 are then welded by a first welding process, for example laser welding or another beam welding process, in order to produce respective welded connections 13, 14.
  • a large number of welded connections 13, 14 are made between different conductor sections 5, for example over 200 welded connections, so that even with a relatively low error rate of the welding process of 0.1%, for example, a relatively high proportion of defective stators results , in which at least one of the welded connections 13, 14 is faulty.
  • Defective welds 13, 14 can be recognized, for example, by a manual or automatic inspection. In the following it is assumed that the welded connection 13 is faulty. For the welded connection 13, a method for reworking this welded connection 13 is then carried out, which is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
  • step S1 the hairpin winding applied to the winding carrier 2 is first made available, as has been explained above.
  • step S2 an area 15 comprising the defective weld connection 13 is separated from the conductor sections 5 to be connected or from the free ends 10, 11, for example by a cutting process.
  • the stripped length 16 of the Leinicden to a shorter stripped length 17 is reduced. If a beam welding process were again used to reconnect the conductor sections 5 or the free ends 10, 11, this would on the one hand potentially result in a large amount of heat input in the area of the insulation, which can damage it.
  • the weld connection 13 would be considerably shorter after such reworking than the welded connections 14 that have not been reworked, which would be disadvantageous, for example, if the welded connections 13, 14 are immersed in an insulating bath after connection, since in this case the welded connections 13 under Not reliably isolated under certain circumstances.
  • step S3 a different connection method from the first welding method, ie in particular no beam welding method, is used to reconnect the conductor sections 5 or their free ends 10, 11.
  • a connection method is used here which applies additional material 18 to the conductor sections 5 to be welded or their free ends 10, 11.
  • Gas-shielded metal welding can be used as the connection method, in which the welding electrode is partially melted and forms part of the welded connection.
  • CMT welding can be used particularly advantageously, since in this case there is particularly little heat input and damage to the insulation of the conductor sections 5 can thus be avoided in a particularly reliable manner.
  • a volume of additional chemical material 18 is applied in the connection method, which essentially corresponds to the volume of the separated area 15, so that, as can be seen in FIG. 2 from a comparison of the state in step S1 and the state after step S3 results, a total of at least a similar shape of the welded joint 13 results, as before the post-processing.
  • the stripped length 16 or the length with which the welded joint 13 protrudes beyond the winding support 2, after such post-processing essentially correspond to the corresponding lengths for other welded joints 14 for which no post-processing has taken place.
  • interconnection bridges can be placed and / or the welded connections 13, 14 can be isolated, for example by dipping the welded connections in the axial direction of the rotor or stator into an insulating bath in order to manufacture the rotor or stator complete.

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Abstract

Verfahren zur Nachbearbeitung einer fehlerhaften Schweißverbindung (13, 14) einer Hairpin-Wicklung für einen Rotor oder Stator (1) einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte: - Bereitstellen der auf einen Wicklungsträger (2) aufgebrachten Hairpin-Wicklung, wobei die Hairpin-Wicklung wenigstens einen aus mehreren Leiterabschnitten (5) gebildeten Leiter (3, 4) aufweist, wobei die Leiterabschnitte (5) des jeweiligen Leiters (3, 4) paarweise an einer jeweiligen Schweißverbindung (13, 14) durch ein erstes Schweißverfahren verschweißt sind, wobei wenigstens eine der Schweißverbindungen (13, 14) eine fehlerhafte Schweißverbindung (13) ist, - Trennen der fehlerhaften Schweißverbindung (13), und - Verbinden der vorangehend durch die fehlerhafte Schweißverbindung (13) verbundenen, zu verschweißenden Leiterabschnitte (5) durch ein von dem ersten Schweißverfahren unterschiedliches Verbindungsverfahren, insbesondere durch ein zweites Schweißverfahren.

Description

Verfahren zur Nachbearbeitung einer fehlerhaften Schweißverbindung einer
Hairpin-Wicklung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbearbeitung einer fehlerhaften Schweißverbindung einer Hairpin-Wicklung für einen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine. In elektrischen Maschinen, also beispielsweise in Motoren oder Generatoren, wird typischerweise ein Stator mit daran angebrachten Spulen genutzt, um durch eine zeitlich veränderliche Bestromung der Spulen einen Rotor anzu treiben oder ein aufgrund einer Rotation auftretendes zeitlich veränderliches Magnetfeld in einen Induktionsstrom umzusetzen. Hierbei kann beispielswei- se ein zylinderartig geformter Wicklungsträger genutzt werden, der eine Viel zahl von in Axialrichtung verlaufenden Nuten aufweist, durch die ein die Spu len bildender Leiter geführt ist. Prinzipiell ist es möglich, um jeden der die Nuten begrenzende Spulenzähne separate Wicklungen zu winden. Es kann jedoch vorteilhaft sein, einen zusammenhängenden Leiter mäandernd durch mehrere Nuten zu führen.
Bei elektrischen Maschinen mit hoher Leistungsdichte, beispielsweise bei Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge, wird mittlerweile häufig eine soge nannte Hairpin-Bauweise genutzt, um derartige durch Nuten mäandernde Windungen zu fertigen. Hierbei wird ein Profildraht, meist ein Rechteckdraht, zunächst in eine U-Form, also in die Form einer Haarnadel bzw. eines „Hair- pin“, gebogen. Die Schenkel dieses Hairpins werden anschließend kreisför mig angeordnet und in die Nuten eines Statorblechpakets eingesetzt. Die freien Enden der jeweiligen Hairpins werden im nächsten Schritt konzent- risch zur Statorachse bzw. zur Drehachse der elektrischen Maschine um ei nen definierten Winkel verdreht. Hierbei werden alle Enden, die auf einem jeweiligen Durchmesser, das heißt, auf einer bestimmten Lage in den Nuten, liegen, abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Dies wird auch als „Twisten“ bezeichnet. Die nebeneinander liegenden Enden werden leitend miteinander verbunden. Je nach Wicklungsschema werden Ver schaltbrücken auf den Wicklungskopf aufgesetzt und mit entsprechenden Enden von Hairpins leitend Verbunden, um die Hairpins zu einer Ge samtwicklung zu verschalten. Gegebenenfalls werden die Pinenden an schließend isoliert und der gesamte Stator imprägniert. Diese Technik er möglicht eine hohe Automatisierung und einen hohen Kupferfüllfaktor in den Statornuten, also ein hohes Verhältnis zwischen Kupferfläche und Nutfläche. Diese Hairpin-Bauweise wird beispielsweise in dem Dokument DE 10 2018 200 035 A1 verwendet. Um hohe Durchsätze zu erreichen, erfolgt die Her stellung der leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen Hairpins häufig durch Schweißen, z.B. durch Laserschweißen.
Bei dem Verschweißen von Hairpin-Wicklungen für einen Rotor beziehungs weise Stator sind sehr viele Schweißverbindungen, typischerweise über 200 Schweißverbindungen, erforderlich. Somit können bereits sehr geringe Feh lerraten des Schweißprozesses zu einem hohen Ausschuss führen. Bei spielsweise würde bereits eine Fehlerrate von ungefähr 0,5% dazu führen, dass durchschnittlich eine Schweißverbindung pro Stator fehlerhaft ist. Sol len beispielsweise 200 Statoren pro Tag gefertigt werden und jeder dieser Statoren weist 216 Schweißstellen auf, würde dies selbst bei einer Fehlerrate von 0,1% pro Schweißvorgang immer noch zu einem Ausschuss von bis zu 432 Statoren pro Tag führen, die nicht in Ordnung sind. Da ein derart hoher Ausschuss sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gründen vermieden werden sollte, ist es zweckmäßig, eine Nacharbeitslösung zu nut zen, bei der soweit wie möglich fehlerhafte Schweißstellen nachbearbeitet werden, um zu einem voll funktionsfähigen Stator zu gelangen. Ähnliches gilt für die Herstellung von Rotoren mit aufgebrachten Hairpin-Wicklungen. Im einfachsten Fall würde die Nachbearbeitung durch ein Laserschweißen erfolgen, das typischerweise auch genutzt wird, um die ursprüngliche Schweißverbindung herzustellen. Hierbei ist es jedoch problematisch, dass die erste fehlerhaftete Schweißung die vorliegende Schweißsituation für die Nachbearbeitung auf Undefinierte Weise verändert, da die aus der fehlerhaf teten Schweißung resultierende Oberfläche unbekannt ist. Dies führt typi scherweise dazu, dass die Oberfläche nicht mehr senkrecht auf dem einge strahlten Laser steht, was in Verbindung damit, dass das häufig für solche Wicklungen verwendete Kupfer ohnehin bereits eine relativ geringe Absorpti on für Infrarotlaser aufweist, zu einem geringen Energieeintrag führt. Somit resultiert für unterschiedliche Schweißvorgänge bei einer solchen Nachbear beitung ein unterschiedlicher Energieeintrag, was wiederum erneut zu feh lerhaften Schweißverbindungen beziehungsweise zu einem Undefinierten Leitverhalten der Wicklung führen kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber ver besserte Lösung zur Nachbearbeitung von fehlerhaften Schweißverbindun gen einer Hairpin-Wicklung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Nachbearbei tung einer fehlerhaften Schweißverbindung einer Hairpin-Wicklung für einen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen der auf einen Wicklungsträger aufgebrachten Hairpin- Wicklung, wobei die Hairpin-Wicklung wenigstens einen aus mehreren Leiterabschnitten gebildeten Leiter aufweist, wobei die Leiterabschnitte des jeweiligen Leiters paarweise an einer jeweiligen Schweißverbindung durch ein erstes Schweißverfahren verschweißt sind, wobei wenigstens eine der Schweißverbindungen eine fehlerhafte Schweißverbindung ist, Trennen der fehlerhaften Schweißverbindung, und Verbinden der vorangehend durch die fehlerhafte Schweißverbindung verbundenen, zu verschweißenden Leiterabschnitte durch ein von dem ersten Schweißverfahren unterschiedliches Verbindungsverfahren, ins besondere durch ein zweites Schweißverfahren. Erfindungsgemäß wird zunächst die fehlerhafte Schweißverbindung getrennt, insbesondere durch Abtrennen des die Schweißverbindung aufweisenden Bereichs. Hierdurch kann eine definierte Geometrie der zu verbindenden En den der Leiterabschnitte bereitgestellt werden, so dass die eingangs erläuter ten Probleme bezüglich einer Undefinierten Ausgangsgeometrie für die Nachbearbeitung, vermieden werden können.
Würden keine weiteren Maßnahmen ergriffen, würde hierbei das Problem resultieren, dass bei üblichen Schweißverfahren zur Herstellung von Hairpin- Wicklungen, beispielsweise bei einem Laserschweißen, relativ hohe Ener gieeinträge erfolgen. Eine trennen der fehlerhaften Schweißverbindung kann jedoch, beispielsweise wenn es durch Ablängen erfolgt, dazu führen, dass eine geringere abisolierte Länge vorliegt als beim ursprünglichen Schweißen, so dass ein erneuter Schweißvorgang mit dem gleichen Schweißverfahren aufgrund des kürzeren Abstands zu einer Isolation der Leiterabschnitte po tentiell zu einer Beschädigung dieser Isolation führen würde, womit wiede rum ein fehlerhafter Stator beziehungsweise Rotor resultieren würde.
Zudem würde für die nachbearbeitete Schweißverbindung eine deutlich an dere Form, insbesondere eine deutlich andere Länge in Axialrichtung des Rotors beziehungsweise des Stators, resultieren als für nicht nachbearbeite te Schweißverbindungen, was für nachfolgende Schritte, beispielsweise für die Isolation der Schweißverbindungen, nachteilig sein kann.
Daher wird erfindungsgemäß ein unterschiedliches Verbindungsverfahren, insbesondere ein zweites Schweißverfahren, genutzt, um die vorangehend getrennten Leiterabschnitte erneut zu verbinden. Hierdurch können die vo rangehend genannten Probleme vermieden oder zumindest ihre Auswirkun gen reduziert werden. Geeignete Verbindungsverfahren werden später noch diskutiert.
Die Leiterabschnitte können insbesondere klammerförmig sein, also z. B. durch zwei durch eine jeweilige Nut des Wicklungsträgers geführte Nutab- schnitte und einen diese verbindenden Verbindungsabschnitt gebildet sein. Entsprechende klammerförmige Leiterabschnitte, auch Hairpins genannt, sind in Hairpin-Wicklungen üblich und bekannt. Es können jedoch auch an ders geformte Leiterabschnitte, beispielsweise lineare Leiterabschnitte, auch I-Pins genannt, genutzt werden.
Schweißverbindungen können aus verschiedenen Gründen fehlerhaft sein. Beispielsweise können Lunker oder Poren, das heißt Lufteinschlüsse, auftre- ten. Bei diesen Fehlern wird der Kupferquerschnitt an der Schweißstelle re duziert, wodurch die Lebenszeit des Rotors beziehungsweise Stators redu ziert sein kann, da lokal höhere thermische Belastungen auftreten. Zudem können mechanische Belastungen aufgrund des resultierenden geringeren Verbindungsquerschnitts zu einem Brechen der Verbindung im Betrieb des Rotors bzw. Stators führen. Wird beim Schweißen zu viel Energie einge bracht, kann die Isolation des jeweiligen Leiterabschnitts beschädigt werden, was wiederum zu einer Reduktion der Lebenszeit des Rotors beziehungs weise Stators führen kann. Problematisch kann jedoch auch eine zu geringe eingebrachte Schweißenergie sein, da dies zu einer unzulänglichen Ver schweißung der Leiterabschnitte führt, wodurch lokal ein höherer Widerstand und somit wiederum die bereits obig diskutierte höhere thermische Belastung auftreten kann, die die Lebenszeit des Rotors beziehungsweise Stators re duzieren kann. Eine solche unzulängliche Verschweißung kann zudem bei mechanischen Belastungen im Betrieb leichter brechen. Ein weiterer mögli cher Fehler ist die Ausprägung einer geometrisch schlecht geformten Schweißstelle, also z.B. von Schweißstellen mit einem seitlichen Überhang, scharfen Kanten oder eingesunkenen Perlen. Dies kann z.B. zu Problemen bei einem nachfolgenden Dipping-Prozess führen.
Ansätze zur Erkennung entsprechender fehlerhafter Schweißverbindungen sind prinzipiell bekannt und werden bereits genutzt, um fehlerhaft ver schweißte Rotoren beziehungsweise Statoren auszusondern beziehungs weise einer anderweitigen Nachbearbeitung zuzuführen. Hierbei kann bei spielsweise eine optische Inspektion genutzt werden, die manuell und/oder automatisiert durchgeführt werden kann. Beispielsweise können Algorithmen zur Bilderkennung genutzt werden oder Ähnliches. Ergänzend oder alternativ können beispielsweise Leiterfähigkeitsmessungen durchgeführt werden, um lokal erhöhte Widerstände zu erkennen, es kann eine Untersuchung durch bildgebende Röntgenverfahren, insbesondere durch ein CT-Verfahren, erfol gen oder Ähnliches.
Als das Verbindungsverfahren kann ein Verbindungsverfahren verwendet werden, das zusätzliches Material auf die zu verschweißenden Leiterab schnitte aufbringt. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass die resultierende Verbindung auch dann, wenn das Trennen der fehlerhaften Schweißverbindung durch Kürzen der Leiterabschnitte erfolgt, im Wesentli chen die gleiche Form und Länge aufweist wie andere, nicht nachbearbeitete Schweißverbindungen. Zudem können Verbindungsverfahren, die zusätzli ches Material aufbringen, wie später noch erläutert werden wird, bei geringe ren Temperaturen durchgeführt werden, beziehungsweise weniger Energie in die Leiterenden der Leiterabschnitte einbringen als Strahlschweißverfah ren. Zudem bewegt sich der Ort, an dem die Energie eingetragen wird, mit zunehmenden Materialeintrag von einer Isolation des jeweiligen Leiterab schnitts weg. Diese beiden Faktoren können dazu beitragen, die bereits dis kutierte Beschädigung der Isolation, die bei einer Nachverarbeitung bei spielsweise durch Laserschweißen auftreten kann, zu vermeiden.
Nachteilig an Verbindungsverfahren, die zusätzliches Material aufbringen, ist es, dass diese typischerweise längere Prozesszeiten erfordern. Dies ist je doch im Rahmen einer Nacharbeitslösung weniger relevant, so dass diese Verbindungsverfahren dennoch gut für die Nachbearbeitung geeignet sind.
Das Aufbringen von zusätzlichem Material kann bei Schweißverfahren dadurch erfolgen, dass die Schweißelektrode abgeschmolzen und zum Teil auf die Schweißstelle aufgebracht wird. Alternativ zu einem zweiten Schweißverfahren kann als das Verbindungsverfahren beispielsweise ein 3D-Druckverfahrengenutzt werden, wie es in der bereits eingangs zitierten Druckschrift DE 102018200035 A1 offenbart ist. Das erste Schweißverfahren kann ein Strahlschweißverfahren sein. Bei spielsweise kann ein Laserschweißen oder ein Elektronenstrahlschweißen verwendet werden. Im ersten Schweißprozess wird insbesondere aus schließlich Material der Leiterabschnitte genutzt, das aufgeschmolzen wird, um diese zu verbinden. Vorteilhaft an Strahlschweißverfahren sind die er reichbaren kurzen Prozesszeiten. Dies ist insbesondere relevant, da bei der Herstellung der Hairpin-Wicklung eine Vielzahl von Schweißverbindungen hergestellt werden sollen.
Als das Verbindungsverfahren kann ein Metallschutzgasschweißen verwen det werden. Hierbei kann, neben einem Hitzeeintrag durch den zum Schwei ßen verwendeten Lichtbogen, verwendetes Schutzgas Wärme auf die Leiter abschnitte übertragen. Es kann daher vorteilhaft sein, ein herabströmen des Gases am Leiter in die isolierten Bereichen des jeweiligen Leiterabschnitts durch ein Werkzeug zu verhindern, das die zu verschweißenden Enden der Leiterabschnitte beispielsweise manschettenartig umgreift.
Als das Verbindungsverfahren kann CMT-Schweißen oder Metall- Inertgasschweißen oder Metall-Aktivgasschweißen verwendet werden. Me- tall-lnertgasschweißen und Metall-Aktivgasschweißen sind wohlbekannte Schweißprozesse, bei denen die Elektrode teilweise abgeschmolzen wird und einen Teil der Schweißstelle bildet. Diese Schweißverfahren werden zu sammenfassend zum Teil auch als Mig/Mag-Schweißen bezeichnet.
CMT-Schweißen ist ebenfalls ein Metallschutzgasschweißverfahren. Die Be zeichnung CMT-Schweißen leitet sich von dem englischen Ausdruck „cold metal transfer“ ab. Bei diesem Schweißverfahren handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Mig/Mag-Schweißens, bei der der Schweißdraht mit hoher Frequenz vor- und zurückbewegt wird. Hierdurch wird die Tropfenab lösung von der Elektrode verbessert und es kann ein geringerer Temperatur eintrag in die zu verschweißenden Leiterabschnitte erreicht werden. Hier durch kann beispielsweise eine abisolierte Länge der Leiterenden von 5 bis 6 mm ausreichend sein, um die Leiterenden ohne eine Beschädigung der Iso- lation zu verschweißen. Übliche Laserschweißprozesse benötigen eine ab isolierte Länge von ca. 10 mm.
Die fehlerhafte Schweißverbindung kann getrennt werden, indem ein die feh lerhafte Schweißverbindung umfassender Bereich von den zu verbindenden Leiterabschnitten abgetrennt wird. Dies wird auch als Ablängen bezeichnet und kann beispielsweise durch ein Abschneiden der Leiterenden der Leiter abschnitte implementiert werden. Hierdurch wird eine definierte Oberfläche für das Verbindungsverfahren bereitgestellt.
Durch das zweite Verbindungsverfahren kann ein Volumen des zusätzlichen Materials aufgebracht werden, das zwischen 50% und 200% oder zwischen 80% und 120% des Volumens des abgetrennten Bereichs liegt. Durch das Aufbringen ungefähr des gleichen Materialvolumens wie des Materialvolu mens, das abgetrennt wurde, kann eine ähnliche Form der nachbearbeiteten Schweißverbindung erreicht werden, wie sie auch die nicht nachbearbeiteten Schweißverbindungen aufweisen, was für nachfolgende Verarbeitungsschrit te, beispielsweise Isolationsprozesse, vorteilhaft sein kann.
Zumindest die Schweißverbindungen der Wicklung können nach dem Ver binden der zu verbindenden Leiterabschnitte in Axialrichtung des Rotors oder des Stators in ein Isoliermittelbad eingetaucht werden. Beispielsweise kann ein Eintauchen in Harz oder Pulverlack erfolgen. Um eine gleichmäßige Iso lierung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Leiterenden der Leiterab schnitte beziehungsweise die Schweißverbindungen ungefähr gleich weit über den Wicklungsträger hinausragen. Dies kann durch das vorangehend erläuterte Aufbringen von zusätzlichem Material mit ungefähr gleichem Vo lumen wie der abgetrennte Bereich erreicht werden.
Das Bereitstellen der auf einen Wicklungsträger aufgebrachten Hairpin- Wicklung kann die folgenden Schritte umfassen:
Bereitstellen eines Wicklungsträgers und mehrerer klammerförmiger Lei terabschnitte, Axiales Einschieben der Leiterabschnitte in den Wicklungsträger derart, dass zwei Nutabschnitte jedes Leiterabschnitts in einer jeweiligen Nut des Wicklungsträgers verlaufen,
Biegen der freien Enden der Nutabschnitte in eine jeweilige Richtung in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers,
Verbinden eines jeweiligen freien Endes mit einem freien Ende eines jeweiligen weiteren Leiterabschnitts durch ein erstes Schweißverfahren zur Ausbildung wenigstens eines Leiters, wobei wenigstens eine der Schweißverbindungen eine fehlerhafte Schweißverbindung ist.
Anders ausgedrückt können die an sich bekannten Schritte zur Herstellung einer Hairpin-Wicklung eines Rotors oder Stators auch Teil des erfindungs gemäßen Verfahrens sein, so dass das erfindungsgemäße Verfahren eine fehlerbehafte Herstellung der Hairpin-Wicklung und die anschließende Nachbearbeitung umfassen kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den fol genden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
Fig. 1 eine geschnittene Detailansicht einer Hairpin-Wicklung für ei nen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine, und
Fig. 2 den Zustand einer nachzubearbeitenden Schweißverbindung in verschiedenen Schritten eines Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 einer elektrischen Maschine. Der Stator 1 umfasst einen Wicklungsträger 2 mit mehreren Nuten 15, der mehrere durchgehende Leiter 3, 4 einer Hairpin-Wicklung trägt. Die Leiter 3, 4 können beispielsweise Wicklungen für verschiedene Phasen bilden oder parallel geschaltete Wicklungen einer Phase sein. Aus Übersichtlichkeits gründen sind in Fig. 1 nur zwei solche Leiter 3, 4 dargestellt, wobei in realen elektrischen Maschinen ein oder mehrere Leiter 3, 4 für typischerweise drei Phasen genutzt werden.
Die durch die Leiter 3, 4 gebildeten Windungen sind durch ein Verfahren hergestellt, bei dem der Wicklungsträger 2 sowie eine Vielzahl von klammer förmigen Leiterabschnitten 5 bereitgestellt werden, wonach die Leiterab schnitte korbförmig angeordnet werden und derart axiale in den Wicklungs träger 2 eingeschoben werden, dass zwei Nutabschnitte 6, 7 jedes Leiterab schnitts 5 in einer jeweiligen Nut 15 des Wicklungsträgers verlaufen, wobei die Nutabschnitte 6, 7 durch einen Verbindungsabschnitt 8 verbunden sind. Die freien Enden 9 bis 12 der Nutabschnitte 6, 7 beziehungsweise der Lei terabschnitte 5 werden auf die in Fig. 1 dargestellte Weise gebogen, so dass jeweils zwei freie Enden 10, 11 beziehungsweise 9, 12 unmittelbar benach bart zueinander zum Liegen kommen. Dies wird auch als Twisten bezeich net. Die freien Enden 10, 11 und 9, 12 werden anschließend durch ein erstes Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißen oder ein anderes Strahl schweißverfahren, verschweißt, um jeweilige Schweißverbindungen 13, 14 herzustellen.
Bei dem beschriebenen Vorgehen werden eine Vielzahl von Schweißverbin dungen 13, 14 zwischen verschiedenen Leiterabschnitten 5 hergestellt, bei spielsweise über 200 Schweißverbindungen, so dass selbst bei einer relativ geringen Fehlerrate des Schweißprozesses von beispielsweise 0,1% ein re lativ hoher Anteil von fehlerbehafteten Statoren resultiert, bei denen wenigs tens eine der Schweißverbindungen 13, 14 fehlerhaft ist.
Fehlerhafte Schweißstellen 13, 14 können beispielsweise durch eine manu elle oder automatische Inspektion erkannt werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Schweißverbindung 13 fehlerbehaftet ist. Für die Schweißverbindung 13 wird somit anschließend ein Verfahren zur Nachbe arbeitung dieser Schweißverbindung 13 durchgeführt, das im Folgenden mit Bezug auf Fig. 2 näher erläutert wird. Hierbei wird im Schritt S1 zunächst die auf den Wicklungsträger 2 aufge brachte Hairpin-Wicklung bereitgestellt, wie vorangehend erläutert wurde. Nach einer Erkennung der fehlerhaften Schweißverbindung 13 wird in Schritt S2 ein die fehlerhafte Schweißverbindung 13 umfassender Bereich 15 von den zu verbindenden Leiterabschnitten 5 beziehungsweise von den freien Enden 10, 11 abgetrennt, beispielsweise durch einen Schneideprozess.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, wird hierdurch die abisolierte Länge 16 der Lei terenden auf eine kürzere abisolierte Länge 17 reduziert. Würde nun zur er neuten Verbindung der Leiterabschnitte 5 beziehungsweise der freien Enden 10, 11 wiederum ein Strahlschweißverfahren genutzt, würde hieraus einer seits potentiell ein großer Wärmeeintrag im Bereich der Isolation resultieren, wodurch diese beschädigt werden kann. Andererseits wäre die Schweißver bindung 13 nach einer solchen Nachbearbeitung erheblich kürzer als die nicht nachbearbeiteten Schweißverbindungen 14, was beispielsweise nach teilig wäre, wenn die Schweißverbindungen 13, 14 nach dem Verbinden in ein Isoliermittelbad eingetaucht werden, da in diesem Fall die nachbearbeite ten Schweißverbindungen 13 unter Umständen nicht zuverlässig isoliert wer den.
Daher wird im Schritt S3 ein von dem ersten Schweißverfahren unterschied liches Verbindungsverfahren, also insbesondere kein Strahlschweißverfah ren, verwendet, um die Leiterabschnitte 5 beziehungsweise ihre freien Enden 10, 11 erneut zu verbinden. Um die obig erläuterten Nachteile zu vermeiden, wird hierbei ein Verbindungsverfahren verwendet, das zusätzliches Material 18 auf die zu verschweißenden Leiterabschnitte 5 beziehungsweise ihre freien Enden 10, 11 aufbringt. Als Verbindungsverfahren kann ein Metall schutzgasschweißen verwendet werden, bei dem die Schweißelektrode zum Teil aufgeschmolzen wird und einen Teil der Schweißverbindung bildet. Be sonders vorteilhaft kann CMT-Schweißen verwendet werden, da in diesem Fall ein besonders geringer Wärmeeintrag erfolgt und somit eine Beschädi gung der Isolation der Leiterabschnitte 5 besonders zuverlässig vermieden werden kann. Vorzugsweise wird in dem Verbindungsverfahren ein Volumen von zusätzli chem Material 18 aufgebracht, das im Wesentlichen dem Volumen des abge trennten Bereichs 15 entspricht, so dass, wie sich in Fig. 2 aus einem Ver gleich des Zustands in Schritt S1 und dem Zustand nach Schritt S3 ergibt, insgesamt eine zumindest ähnliche Form der Schweißverbindung 13 resul tiert, wie vor der Nachbearbeitung. Insbesondere kann die abisolierte Länge 16 beziehungsweise die Länge, mit der die Schweißverbindung 13 über den Wicklungsträger 2 hinausragt, nach einer solchen Nachbearbeitung im We sentlichen den entsprechenden Längen für andere Schweißverbindungen 14 entsprechen, für die keine Nachverarbeitung erfolgt ist.
Nach der Nachbearbeitung aller fehlerbehafteten Schweißverbindungen 13 können Verschaltbrücken aufgesetzt werden und/oder die Schweißverbin dungen 13, 14 können isoliert werden, beispielsweise indem die Schweiß- Verbindungen in Axialrichtung des Rotors beziehungsweise Stators in ein Isoliermittelbad eingetaucht werden, um die Herstellung des Rotors bezie hungsweise Stators abzuschließen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Verfahren zur Nachbearbeitung einer fehlerhaften Schweißverbindung (13, 14) einer Hairpin-Wicklung für einen Rotor oder Stator (1) einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen der auf einen Wicklungsträger (2) aufgebrachten Hair pin-Wicklung, wobei die Hairpin-Wicklung wenigstens einen aus mehreren Leiterabschnitten (5) gebildeten Leiter (3, 4) aufweist, wo bei die Leiterabschnitte (5) des jeweiligen Leiters (3, 4) paarweise an einer jeweiligen Schweißverbindung (13, 14) durch ein erstes Schweißverfahren verschweißt sind, wobei wenigstens eine der Schweißverbindungen (13, 14) eine fehlerhafte Schweißverbindung (13) ist,
- Trennen der fehlerhaften Schweißverbindung (13), und
- Verbinden der vorangehend durch die fehlerhafte Schweißverbin dung (13) verbundenen, zu verschweißenden Leiterabschnitte (5) durch ein von dem ersten Schweißverfahren unterschiedliches Ver bindungsverfahren, insbesondere durch ein zweites Schweißverfah ren.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als das Verbindungsverfahren ein Verbindungsverfahren verwen det wird, das zusätzliches Material (18) auf die zu verschweißenden Leiterabschnitte (5) aufbringt und/oder dass das erste Schweißverfah ren ein Strahlschweißverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als das Verbindungsverfahren ein Metallschutzgasschweißen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als das Verbindungsverfahren CMT-Schweißen oder Metall- Inertgasschweißen oder Metall-Aktivgasschweißens verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fehlerhaften Schweißverbindung (13) getrennt wird, indem ein die fehlerhafte Schweißverbindung (13) umfassender Bereich (15) von den zu verbindenden Leiterabschnitten (5) abgetrennt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verbindungsverfahren ein Volumen des zusätzlichen Materials (18) aufgebracht wird, dass zwischen 50% und 200 % oder zwischen 80% und 120% des Volumens des abge trennten Bereichs (15) liegt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schweißverbindungen (13, 14) der Wicklung nach dem Verbinden der zu verbindenden Leiterabschnitte (5) in Axialrich tung des Rotors oder Stators (1) in ein Isolationsmittelbad eingetaucht werden. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Be reitstellen der auf einen Wicklungsträger (2) aufgebrachten Hairpin- Wicklung die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Wicklungsträgers (2) und mehrerer klammerför miger Leiterabschnitte (5), - Axiales Einschieben der Leiterabschnitte (5) in den Wicklungsträger
(2) derart, dass zwei Nutabschnitte (6, 7) jedes Leiterabschnitts (5) in einer jeweiligen Nut (15) des Wicklungsträgers (2) verlaufen,
- Biegen der freien Enden (9 - 12) der Nutabschnitte (6, 7) in eine je weilige Richtung in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers (2), - Verbinden eines jeweiligen freien Endes (9 - 12) mit einem freien
Ende (9 - 12) eines jeweiligen weiteren Leiterabschnitts (5) durch ein erstes Schweißverfahren zur Ausbildung wenigstens eines Leiters (3, 4), wobei wenigstens eine der Schweißverbindungen (13, 14) eine fehlerhafte Schweißverbindung (13) ist.
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