Hairpin – HV-Elektromotoren unter Last

Die Produktion von Elektromotoren mittels Hairpin-Technologie gilt als Königsklasse im E-Maschinenbau. Im Gegensatz zur klassischen Einzugstechnik (mit biegsamen Drahtwicklungen) werden hier massive Kupferstäbe verwendet, die wie Haarnadeln geformt sind. Dies bietet zwar eine höhere Leistungsdichte und bessere Kühlung (größere Berührungsflächen thermisch gut leitender Werkstoffe), bringt aber auch erhebliche fertigungstechnische Hürden mit sich. Für Fachfremde bietet der folgende Text eine kleine Einsicht in diese Herausforderungen.

Herausforderung Produktionsprozess 

Die Serien-Produktion von Hairpin-Motoren stellt Ingenieure vor eine Reihe komplexer Herausforderungen, die bereits bei der mechanischen Formgebung beginnen. Da die massiven Kupferstäbe eine natürliche Rückfederung besitzen, erfordert das Biegen der namensgebenden Haarnadel-Formen eine extreme Präzision, um die spätere Passgenauigkeit in den schmalen Statorslots zu garantieren. Jede kleine Abweichung kann dazu führen, dass die Pins beim automatisierten Einstecken verkanten, was nicht nur den Prozess stoppt, sondern auch die hauchdünne Isolationsschicht beschädigt und somit das Risiko von Kurzschlüssen erhöht. Sobald die Pins im Stator sitzen, müssen ihre Enden im sogenannten Schränkprozess mechanisch so exakt zueinander gebogen werden, dass sie für den nächsten kritischen Schritt – das Laserschweißen – perfekt positioniert sind (Enden sauber abisoliert, passend zueinander ausgerichtet ohne Versatz)

Das Verschweißen der Kupferenden bildet das technologische Nadelöhr der Fertigung: Kupfer ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Reflexion ein extrem schwierig zu schweißendes Material. Hier kommen meist hochenergetische Laser zum Einsatz, deren Prozessführung so präzise sein muss, dass einerseits eine stabile, elektrisch gut leitende Verbindung entsteht, andererseits aber die Hitzeentwicklung die nahegelegene Lackisolierung nicht verbrennt. Zudem dürfen keinerlei Schweißspritzer in das Gehäuse gelangen, da diese im Betrieb zu fatalen Motorschäden führen könnten. Den Abschluss bildet die (Vakuum)Imprägnierung, bei der sichergestellt werden muss, dass selbst in den winzigen Zwischenräumen der eng gepackten Leiter keine Lufteinschlüsse verbleiben. Solche Hohlräume würden bei den häufig im Betrieb herrschenden Hochspannungen zu Teilentladungen führen, die das Isolationssystem langfristig zersetzen und die Lebensdauer des Motors drastisch verkürzen.

Belastungen im Betrieb 

Über die komplexen Fertigungsschritte hinaus birgt der reale Fahrbetrieb spezifische Risiken, die eng mit der massiven Bauweise der Hairpins verknüpft sind. Ein zentrales Problem ist das Thermomanagement: Da die Kupferstäbe sehr kompakt im Stator liegen, entstehen im Dauerbetrieb enorme Wärmespannungen. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer, Isolierlack und Vergussmasse können bei häufigen Lastwechseln zu einer schleichenden Delaminierung führen. Dabei lösen sich die Materialschichten voneinander, was nicht nur die Wärmeabfuhr verschlechtert, sondern auch mechanische Instabilitäten provoziert.

Besonders kritisch ist die Gefahr von Teilentladungen in den winzigen Hohlräumen, die durch unzureichende Imprägnierung oder eben jene Delaminierung entstehen können. Unter den hohen Spannungen moderner 800-Volt-Systeme ionisiert die Luft in diesen Mikroporen, was zu kleinen Lichtbögen führt, die das Isolationsmaterial chemisch und thermisch zersetzen, bis es zum totalen Wicklungsschluss kommt. Zusätzlich wirkt die Hairpin-Wicklung aufgrund ihrer Steifigkeit wie ein Resonanzkörper für mechanische Schwingungen. Die im Betrieb auftretenden elektromagnetischen Kräfte regen die massiven Stäbe zu Vibrationen an, die über die Zeit die Schweißpunkte an den Drahtenden ermüden lassen oder die Isolierung durch Scheuern an den Blechpaketen durchwetzen können. Schließlich erschwert der sogenannte Skin-Effekt bei hohen Drehzahlen den effizienten Betrieb, da der Strom in den massiven Leitern an den Rand gedrängt wird, was zu punktuellen Überhitzungen (Hotspots) führen kann, die das Material zusätzlich stressen.

Slotisolation vers. extrusionsisolierte Hairpins 

Für die Slotisolation – also die Barriere zwischen den Kupferstäben und dem geerdeten Blechpaket des Stators – kommen bei der Hairpin-Technologie aufgrund der hohen mechanischen und thermischen Belastungen nur extrem robuste Materialien infrage. Da die Hairpins beim Einstecken mit Druck in die Slots gepresst werden, muss das Material eine außergewöhnliche Reißfestigkeit und Durchschlagfestigkeit besitzen.

Standardmäßig werden hierfür Mehrschichtlaminate verwendet, die oft unter Markennamen wie ISONOM®, Trivoltherm® oder Triflexil® bekannt sind. Eine klassische Kombination ist das sogenannte NMN-Laminat, ein dreischichtiger Aufbau aus zwei Lagen Aramidpapier (Nomex®) und einer Kernlage aus Polyesterfolie (Mylar®). Während die Polyesterfolie für die nötige Spannungsfestigkeit sorgt, schützt das Aramidpapier den Verbund vor mechanischen Beschädigungen und hält den hohen Temperaturen während des Schweißprozesses und des späteren Betriebs stand. Ausserdem nimmt das durchlässige Material Trankharze auf und trägt zur Isolation und mechanischen Verfestigung bei. In moderneren Hochleistungsantrieben, insbesondere bei 800-Volt-Architekturen, wird allerdings zunehmend auf PEEK-Folien (Polyetheretherketon) u.ä. Hochleistungsmaterialien (PPS, PPSU) gesetzt. Diese bieten eine überlegene thermische Stabilität und chemische Beständigkeit gegen die im E-Motor oft verwendeten Kühlöle.

Zusätzlich zur Slot-Auskleidung spielt die Primärisolation direkt auf dem Draht eine entscheidende Rolle. Hier werden meist hochtemperaturbeständige PAI- (Polyamidimid) oder PI-Lacke (Polyimid) in mehreren Schichten aufgetragen. Da Hairpins im Vergleich zu runden Drähten scharfe Kanten besitzen, muss der Lackauftrag an den Radien besonders gleichmäßig sein, um Feldstärkespitzen und damit verbundene Teilentladungen zu vermeiden. Neuere Entwicklungen nutzen zudem extrudierte Isolationen, bei denen eine dicke Kunststoffschicht direkt auf das Kupfer gespritzt wird. Dies bietet einen massiv verbesserten Schutz gegen mechanischen Abrieb beim Montageprozess, erhöht jedoch die Komplexität beim Abisolieren der Enden vor dem Schweißvorgang.

Extrudierte Hairpins (oft als X-Pins bezeichnet) sind vor allem in der Hochvolt-Antriebstechnik ein aktueller Trend, etwa bei neueren Modellen im Premiumsegment oder bei High-Performance-Antrieben. Hinsichtlich der Packungsdichte könnte Skepsis entstehen, denn extrudierte Isolationen sind signifikant dicker. Doch die Rechnung der Ingenieure sieht hier etwas anders aus.

Bei klassischen Lackdrähten ist die Isolationsschicht zwar extrem dünn, aber auch sehr empfindlich. Um Beschädigungen beim Einstecken in das Blechpaket zu vermeiden, muss bei Lack-Hairpins oft eine zusätzliche, relativ dicke Nutgrundisolation (Mehrfachlaminate aus Aramid-Papier) verwendet werden. Extrudierte Hairpins hingegen nutzen chemisch extrem stabile und reine Kunststoffe wie PEEK oder PPS, die direkt auf das Kupfer aufgetragen werden. Diese Isolationsschichten sind wesentlich zäher und mechanisch belastbarer als herkömmliche Lacke.

Da die extrudierte Schicht so robust ist, kann man die Nutgrundisolation deutlich dünner auslegen oder in manchen Forschungsansätzen sogar gänzlich darauf verzichten, weil der Draht selbst "gepanzert" ist. Der scheinbare Nachteil des dickeren Isolationsmantels auf dem Draht wird also durch den Wegfall oder die Reduzierung anderer Isolationselemente teilweise kompensiert. Zudem ermöglichen extrudierte Schichten eine sehr präzise, rechteckige Geometrie mit extrem kleinen Kantenradien. Dadurch liegen die Stäbe in der Nut dichter aneinander als bei Lackdrähten, die an den Ecken oft produktionsbedingte "Abrundungen" im Lackprofil aufweisen.

Hochvolt-Anwendungen erfordern besondere Beachtung 

Ein weiterer entscheidender Faktor für den Einsatz trotz theoretischer Einbußen beim Kupferfüllfaktor ist die Teilentladungsfestigkeit. Bei 800-Volt-Systemen und den steilen Schaltflanken moderner Siliziumkarbid-Inverter (SiC) ist die Belastung für die Isolation massiv. Extrudierte Materialien haben durch ihre Dicke (Reduktion der effektiven Feldstärke) eine hohe Resistenz gegen die schleichende Zerstörung durch Teilentladungen. Für die Motorenhersteller ist das ein Gewinn an Zuverlässigkeit, der den geringfügigen Verlust an Packungsdichte oft rechtfertigt.

Die größte technische Hürde bleibt jedoch das Abisolieren. Da die Kunststoffschicht sehr fest haftet, müssen hier meist präzise Laser-Abisolieranlagen eingesetzt werden, um die Enden für den Schweißprozess freizulegen, ohne Kerben im Kupfer zu hinterlassen, die später zu Sollbruchstellen unter Vibrationslast werden könnten.

Hairpin-Konstruktionen haben einen höheren Füllfaktor, können thermisch besser ausgelegt werden (Thermomanagement), erlauben kompaktere und effizientere Motoren und sind besonders für Großserienfertigung geeignet. Aber die Fertigung ist auf diffiziler und erfordert eine sehr gute Automatisierungstechnik.

In diesem Zusammenhang ist die Entwicklung am PEM der RWTH Aachen interessant: variTwist ist ein Entwicklungsprogramm, mit dem Ziel, die hohen Werkzeugkosten für das "Twisten" der Hairpins insbesondere in der Design- und Erprobungsphase signifikant zu reduzieren: variTwist | PEM | RWTH Aachen University | DE

© 01/2026 Gerald Friederici