Die Hairpin-Wicklung ist eine Statorwicklung aus massiven, rechteckigen Kupferleitern, die zu U-förmigen Steckspulen gebogen, axial in die Nuten des Blechpakets gesteckt und an ihren freien Enden verdreht und verschweißt werden. Die Rechteckleiter füllen die Nut zu rund 70 bis 75 Prozent mit Kupfer, eine Runddrahtwicklung schafft 40 bis 50 Prozent. Das senkt die Kupferverluste und hat Hairpin zum Standard im Traktionsmotor von Elektrofahrzeugen gemacht, der Technologiekalender Baden-Württemberg führt das Verfahren seit 2022 als reif für die Massenfertigung. Dieser Beitrag erklärt die drei Bauformen, die Prozesskette und die Grenze durch Stromverdrängung. Er zeigt außerdem, welche Isolierteile jede Hairpin-Wicklung braucht und welche davon GOBA als Isolierteile und Formteile fertigt.
U-Pin, I-Pin und Continuous Hairpin folgen demselben Prinzip
Der Name kommt von der Haarnadel, an die der gebogene Leiter erinnert. Alle Bauformen nutzen lackisolierten Kupferflachdraht mit Kantenlängen von etwa 1 bis 10 mm, so beschreibt es ein Volkswagen-Patent zum Verbinden der Hairpin-Enden. Sie unterscheiden sich darin, wie der Leiter in die Nut kommt und wo er kontaktiert wird.
| Bauform | Leiterform | Einbringen | Kontaktierung | Füllfaktor |
|---|---|---|---|---|
| U-Pin, der klassische Hairpin | U-förmig gebogen, zwei Schenkel in zwei Nuten | axial von einer Stirnseite | Twisten und Schweißen auf der Gegenseite | rund 75 % |
| I-Pin | gerader Stab | axial | Schweißen auf beiden Stirnseiten | über 70 % |
| Continuous Hairpin (Wellenwicklung) | mäanderförmig gebogener Draht, als Wickelmatte mehrere Meter lang | radial von innen in eine offene Nut | kaum Schweißstellen, nur die Verschaltung | mechanisch bis 90 %, elektrisch bis 70 % |
Die Füllfaktoren für U-Pin und I-Pin nennt die Fachzeitschrift E-Mobility Engineering, die Werte der Wellenwicklung stammen aus dem Leitfaden des Lehrstuhls PEM der RWTH Aachen. Ein U-Pin-Stator braucht je nach Wickelschema 3 bis 16 verschiedene Hairpin-Geometrien, und bei 60 Nuten mit vier Leiterlagen entstehen über 120 Schweißstellen. Geschweißte Wicklungen kommen in der Praxis selten über zehn Lagen und 96 Nuten hinaus. Die Wellenwicklung schafft bis zu 16 Lagen und mehr als 120 Nuten, weil der Draht durchläuft und fast keine Verbindung braucht.
Neu ist das Prinzip nicht. Das erste Serienfahrzeug mit Hairpin-Stator war 2008 der Chevrolet Tahoe Hybrid, und eine Forschergruppe um Stefan Goetz verweist auf eine Wissensbasis zu Steckwicklungen, die über hundert Jahre alt ist. Den Durchbruch brachte erst die Automatisierung von Biegen, Stecken und Laserschweißen.
Der Füllfaktor bringt Kupfer in die Nut, die Stromverdrängung setzt die Grenze
Mehr Kupfer im selben Nutquerschnitt heißt weniger ohmscher Widerstand und damit weniger Wärme bei gleichem Strom. Die flachen Leiter liegen außerdem mit ganzer Fläche an der Nutwand und geben Wärme besser an das Blechpaket ab als ein loses Runddrahtbündel. Ein Auslegungsbeispiel von Ansys vergleicht zwei Motoren im Fahrzyklus US06: Die Hairpin-Maschine kommt auf 94,23 Prozent mittleren Wirkungsgrad, die Runddrahtmaschine auf 93,77 Prozent.
| Kennwert | Runddrahtwicklung | Hairpin-Wicklung |
|---|---|---|
| Nutfüllfaktor | 40 bis 50 % | 70 bis 75 % |
| Leiter | viele dünne Runddrähte parallel | massiver Flachdraht, 1 bis 10 mm Kantenlänge |
| Drahtlage in der Nut | zufällig | definiert, jede Lage an festem Platz |
| Wickelkopf | hoch und unregelmäßig | kurz und reproduzierbar |
| Schwachstelle | Lackschäden beim Einziehen | Stromverdrängung bei hoher Frequenz, viele Schweißstellen |
Der massive Leiter hat eine Kehrseite. Wechselstrom fließt bei hoher Frequenz nur noch in einer dünnen Randschicht, dieser Skin-Effekt heißt im Deutschen Stromverdrängung. Die Eindringtiefe in Kupfer beträgt etwa 66 geteilt durch die Wurzel der Frequenz in Millimetern, bei 400 Hertz also 3,3 mm. Diese Frequenz erreicht ein vierpoliger Motor bei 12.000 Umdrehungen pro Minute. Traktionsmotoren arbeiten typisch mit 200 bis 600 Hertz elektrischer Frequenz, und am stärksten trifft es die Leiter nahe am Luftspalt. Konstrukteure verteilen den Querschnitt deshalb auf mehr und flachere Lagen und schalten Zweige parallel, das Ansys-Beispiel nutzt acht Lagen mit acht Parallelzweigen.
Lohnt sich Hairpin auch in kleinen Serien?
Meist nicht. Jede Hairpin-Geometrie braucht Biege- und Twistwerkzeuge, der Technologiesteckbrief Baden-Württemberg nennt höhere Kosten bei kleinen Stückzahlen und eine geringere Variantenflexibilität als Hemmnisse. Das KIT forscht an einem kinematischen Twisten für Losgrößen bis eins, in der Serie ist das noch nicht angekommen. Unsere Einschätzung: Hairpin lohnt sich für Traktionsmotoren mit hoher Leistungsdichte in großer Stückzahl. Für Industriemotoren mit vielen Varianten, für Prototypen und für sehr hochdrehende Maschinen ist die klassische Elektromotorwicklung aus Runddraht oft die wirtschaftlichere Wahl.
Die Fertigung einer Hairpin-Wicklung läuft in neun Schritten
Die Reihenfolge variiert je nach Anlage und Bauform. Für den U-Pin-Stator sieht die typische Prozesskette so aus:
- Flachdraht von der Rolle richten, damit keine Restkrümmung bleibt.
- Die Drahtenden abisolieren, per Laser, Fräser oder Bürste, auf etwa 5 bis 10 mm Länge.
- Den Draht ablängen und zur Haarnadel biegen.
- Die Nuten isolieren: Nutisolationspapier schneiden, falzen und in jede Nut schieben.
- Die Hairpins zu einem Korb setzen und axial in das Blechpaket stecken.
- Die freien Enden verdrehen, damit die richtigen Schweißpartner nebeneinander liegen.
- Die Enden verschweißen, meist per Laser, und die Phasen verschalten.
- Die Schweißzone beschichten und den Stator mit Epoxidharz imprägnieren.
- Elektrisch prüfen: Widerstand, Hochspannung gegen Masse und zwischen den Phasen, Stoßspannung.
Für die Isolation zählen vor allem die Schritte vier und fünf. Beim Stecken gleitet der steife Kupferleiter an der Nutisolation entlang, eine Falte oder ein eingerissener Rand wird später zum Masseschluss. Der PEM-Leitfaden nennt deshalb Riss- und Faltenfreiheit und einen definierten Überstand des Nutpapiers als Qualitätsmerkmale. Bei der Wellenwicklung ist die Nutöffnung nur etwa 0,4 mm breiter als der Draht. Dort kommt die Nutisolation als U- oder O-Form in die Nut, die O-Form wird nach dem Einbringen geschlossen, und ein Deckschieber fixiert die Wicklung. Wie Blechpaket, Wicklung und Anschlüsse zum fertigen Bauteil werden, beschreibt der Artikel zum Hairpin-Stator.
Jede Hairpin-Wicklung hat vier Isolationsebenen
Die Isolation einer Hairpin-Wicklung besteht aus vier Schichten mit je eigener Aufgabe. Fällt eine davon aus, steht der Motor.
- Der Leiterlack auf dem Flachdraht trennt benachbarte Leiter in der Nut, meist Polyamidimid oder Polyimid, im Premiumsegment extrudiertes PEEK. Er ist die Windungsisolation der Hairpin-Wicklung.
- Die Nutisolation trennt die Wicklung vom geerdeten Blechpaket und schützt den Lack beim Stecken.
- Die Phasenisolation trennt im Wickelkopf die Leiter verschiedener Phasen, dort liegt der größte Spannungsunterschied. Sie sitzt meist als gestanztes und gefaltetes Phasenpapier zwischen den Strängen.
- Die Beschichtung der Schweißzone und die Imprägnierung decken die abisolierten Enden ab und füllen die Hohlräume.
Der hohe Füllfaktor lässt der Isolation wenig Platz. Ein Rechenbeispiel: Eine Nut ist 5 mm breit, die Nutisolation 0,25 mm dick. Beidseitig gehen 0,5 mm ab, ein Zehntel der Nutbreite, das dem Kupfer fehlt. Deshalb sind im Hairpin-Stator dünne Laminate und enge Toleranzen gefragt. Dazu kommt die Schweißwärme, die bis in den oberen Nutbereich reicht. Dort verträgt Aramidpapier kurze Temperaturspitzen besser als ein reines Polyesterlaminat. Wie die vier Ebenen mit Deckschieber und Tränkharz zusammenspielen, zeigt der Beitrag zur Statorisolation.
800 Volt verschiebt die Anforderungen an die Nutisolation
Der Umrichter speist den Motor mit steilen Spannungsflanken. Auf der Zuleitung entstehen Wanderwellen, die Klemmenspannung steigt über den Nennwert, und laut einer Arbeit der TU Darmstadt trägt die erste Windung der Spule die höchste Last. In Hairpin-Wicklungen liegen Leiter verschiedener Phasen definiert nebeneinander, bei 800 Volt Zwischenkreisspannung steigt dort das Risiko der Teilentladung. Der Leiterlack allein reicht dann oft nicht: Der PEM-Leitfaden hält fest, dass Lacke aus PAI oder PI die mechanischen Anforderungen nur bedingt erfüllen, und extrudiertes PEEK erreicht ein Vielfaches der Durchschlagspannung einer Lackisolation.
Für die Nutisolation stehen vier Werkstofffamilien zur Wahl:
| Werkstoff | Aufbau | Wärmeklasse | Einsatz in der Hairpin-Wicklung |
|---|---|---|---|
| DMD | Polyestervlies, PET-Folie, Polyestervlies | B bis F, 130 bis 155 °C | 400-Volt-Motoren mit moderater Wickeltemperatur |
| NMN | Aramidpapier, PET-Folie, Aramidpapier | F, 155 °C | Traktionsmotoren, gute Harzaufnahme |
| Nomex 410 | reines Aramidpapier | H, 220 °C | hohe Wickeltemperatur, Schweißwärme im oberen Nutbereich |
| NKN | Aramidpapier, Polyimidfolie, Aramidpapier | höchste Klasse der Reihe | 800-Volt-Antriebe mit dünner Nutisolation |
Für 800-Volt-Motoren nennt ein Hersteller von Nutisolationsschläuchen spezielle Nomex-Typen 818 und 864 und Kapton MT+, als spiralgewickelte NKN-Schläuche mit nur 0,13 und 0,19 mm Dicke ohne Überlappung. Unsere Empfehlung: Planen Sie für 800 Volt ein Laminat mit Aramid- oder Polyimidanteil und legen Sie die Wärmeklasse mit Reserve aus. DMD spart ein paar Cent pro Teil und passt zu 400-Volt-Maschinen mit moderater Temperatur, im Hochvoltantrieb holt ein Durchschlag diese Ersparnis teuer zurück. Mehr zur Auslegung im Fahrzeug steht im Artikel zur Hochvolt-Isolation.
Was GOBA für Hairpin-Wicklungen fertigt
GOBA wickelt keine Statoren. Wir fertigen die flächigen Isolierteile, die in jeder Hairpin-Wicklung stecken: Nutisolationen als geschnittene und gefalzte Streifen, Deckschieber, Phasenpapiere als gestanzte und gefaltete Teile und Zwischenlagen im Wickelkopf. Wir verarbeiten dafür Nomex, NMN, DMD, Kapton und Mylar. Beim Stanzen und Formen reicht die Materialdicke von 0,023 bis 3,0 mm, Rollen schneiden wir in Breiten von 5 bis 1.600 mm mit plus minus 0,1 mm Breitentoleranz. Ein gestanztes Nomex-Teil mit 50 mm Kantenlänge halten wir nach DIN ISO 2768-m auf etwa plus minus 0,3 mm, mit passendem Werkzeug auch enger.
Für Prototypen schneiden wir werkzeuglos, Muster liegen dann oft in wenigen Tagen vor. In der Serie stanzen wir mit Werkzeug. Nutisolation und Phasenpapier fertigen wir bevorzugt aus demselben Materialstamm, damit Dicke und Tränkverhalten im ganzen Stator gleich bleiben. Für ein belastbares Angebot brauchen wir:
- die Nutgeometrie mit Nutbreite, Blechpaketlänge und gewünschtem Überstand,
- die Spannungsebene, 400 oder 800 Volt, und die Wärmeklasse,
- die Bauform, U-Pin axial oder Wellenwicklung radial, und die Form der Nutisolation,
- den Werkstoff oder den Freigabestand beim Kunden,
- die Losgröße und die erwartete Jahresmenge.
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