用于接合铜发卡的方法以及定子
阅读说明：本技术 用于接合铜发卡的方法以及定子 (Method for joining copper hairpins and stator ) 是由 O·博克斯罗克 T·黑塞 于 2020-02-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于接合铜发卡(10、12)的方法,包括：提供所述铜发卡(10、12)的至少两个待彼此接合的末端,以及以波长小于1000nm的加工射束(2)通过激光射束焊接来接合待接合的铜发卡(10、12)。(The invention relates to a method for joining copper haircards (10, 12), comprising: -providing at least two ends of the copper hairpins (10, 12) to be joined to each other, and-joining the copper hairpins (10, 12) to be joined by laser beam welding with a machining beam (2) having a wavelength of less than 1000 nm.)
技术领域
本发明涉及一种用于接合铜发卡的方法，尤其是用于接合设置用于构造电动机的定子的定子绕组的铜发卡的方法。
背景技术
为了构造电动机中的定子，已知提供由绝缘材料制成的定子笼，由导电材料、优选铜制成的所谓发卡被推入、插入或者例如借助压缩空气被射入该定子笼中。发卡能够例如夹子形或者线性地构造，并且在将其引入到定子笼中之后彼此平行且基本上沿定子或者说电动机的轴向方向存在于定子笼中。然而，发卡也可能不彼此平行地取向。
围绕定子笼的圆周，将多个这种发卡置入定子笼中，所述发卡在组装或者说制造期间首先不具有相对彼此的机械和电连接。
发卡的相应自由末端在其置入定子笼之后并且在可能的改形和/或缩短以及可能的预处理、例如脱漆之后为了构造完整的定子绕组而优选成对地彼此接合，例如通过熔焊或者钎焊。通过接合，在相应发卡对的末端之间建立机械连接和导电连接，使得首先在置入之后以单个形式存在的发卡现在是相连的。然而也可以是多于两个的发卡利用加工过程来彼此接合。通过接合发卡，可构造彼此机械连接且电连接的、连贯的定子绕组。
替代常规金属丝绕组地使用发卡能够例如在制造相应定子的情况下提供优势，因为发卡能够容易地直线射入或者推入定子笼中。也能够同时置入多个或者所有发卡，使得以此省去了冗长的缠绕过程。
所使用的发卡还通常具有基本上正方形的或者矩形的横截面，使得在将发卡相应紧密并排布置在定子笼中的情况下，被发卡的导电材料、例如铜填充的填充系数与由具有圆横截面的金属丝构成的传统定子绕组相比能够被显著改进。相应地，电动机的效率能够基于提高的填充系数被改进和/或能够减少用于构造定子绕组的材料消耗。
与实际的横截面几何形状无关地，发卡通常至少具有比构造用于缠绕的金属丝大得多的横截面积。由此，实现了相对于金属丝增加的电流流动。电动机的能够以此实现的工作效率的提高尤其是在用于机动车的电动机的情况下是有利的，因为必须满足这种非常高的功率要求。
但由于由尺寸和几何形状决定的应力，以具有更大横截面积的且例如具有矩形的或者正方形横截面的铜发卡来构造传统绕组是不可能的，使得铜发卡仅能够以所述的类线性构造被置入定子笼中。
在接合发卡的末端以制造连贯的定子绕组之前，通常将施加在发卡上的覆层在应进行接合的末端的区域中移除。覆层的这种移除能够例如机械、化学或者物理地进行，例如借助激光。
在接合发卡之前，它们也能够为了接合而在几何形状上被设置和取向，例如剪短、改形和并合成对，其中，并合例如能够通过发卡的待接合的末端的机械夹具来实现。
在结束准备之后，发卡的待彼此接合的相应的末端然后实际上彼此接合，这例如通过利用近红外(NIR)、例如波长为1030nm的加工射束的激光射束焊接来进行。发卡的已知的激光射束焊接在构造蒸汽毛细孔的情况下作为深熔焊接发生。
在利用已知的方法在使用波长为1030nm的加工射束的情况下焊接铜发卡的情况下，加工射束的能量在发卡的材料中的吸收由于各个发卡不同的表面性质而可能是无规律的，使得引入的能量以及熔化材料体积会相应地波动。相应地，在依次进行的多个发卡对的接合过程中会产生无规律的接合结果。换言之，会涉及一种不稳定的过程。
此外，铜对波长在1030nm附近的能量吸收相对较差，因为铜对这些波长是高反射的。因而需要使用利用蒸汽毛细孔的深熔焊接，因为尽管铜的具有蒸汽毛细孔的激光射束焊接伴随着缺点——例如形成飞溅物和喷渣以及在凝固的熔化物中形成工艺孔，但通过蒸汽毛细孔能够显著增加能量吸收。
发明内容
从已知的现有技术出发，本发明的任务是提供一种用于接合(复数个)铜发卡的方法，该方法导致更一致的接合结果。
该任务通过具有权利要求1的特征的、用于接合铜发卡的方法来解决。有利的扩展方案由从属权利要求、本说明书以及所附的附图中得出，
相应地，提出了一种用于接合(复数个)铜发卡的方法，该方法包括：提供铜发卡的至少两个待彼此接合的末端，以及以波长小于1000nm的加工射束通过激光射束焊接来接合待接合的铜发卡。
通过使用波长小于1000nm的加工射束，使得加工射束在发卡的铜材料中的吸收度相对于迄今所使用的加工射束显著提高。以此，输入到待彼此接合的铜发卡中的能量能够被改进，使得相应地也使得由于不同的表面特性而产生的吸收波动小。
以此，能够实现在铜发卡中更均匀地吸收加工射束的能量。以这种方式，用于接合铜发卡的方法能够得到改进并且更稳定，使得最终能够实现更一致的接合结果。
优选，为了激光射束焊接待接合的铜发卡而使用绿色加工射束，例如具有500nm至550nm的波长的、特别优选具有510nm至520nm的波长的激光射束，或者，使用蓝色加工射束，例如具有425nm至475nm的波长、特别优选具有440nm至450nm的波长的激光射束。
由于在这些波长范围内在铜材料内的吸收得到改善，相应地能够以更受控的方式执行接合过程，使得能够实现更一致的接合结果。
焊接过程是热传导过程还是深熔焊接过程，这决定性地取决于加工射束——借助所述加工射束来加载待彼此接合的铜发卡——的能量密度或者说强度。理想情况下应避免超过所谓的强度阈值，从该强度阈值开始，热传导过程过渡到深熔焊接过程中。
然而，只要加工能量大面积地分布、例如在具有超过平均水平大小的直径的发卡的情况下，则也可设想使用高的加工能量。然后，加工射束的所获得的能量密度或者说强度由于大的加工面又被调设成优选的，使得不超过强度阈值，从该强度阈值开始热传导过程过渡到深熔焊接过程中。
利用在所提出的波长范围内的加工射束进行的铜发卡的激光焊接优选基本上借助热传导焊接来执行。因此，激光焊接的过程变得更稳定和更可控，因为能够减少或者避免在构造蒸汽毛细孔时出现的、输入到待熔化材料中的能量输入的波动。
通过使用所述的加工射束波长，能够由于铜材料对能量的吸收增加而相应地执行焊接方法，该焊接方法完全不需要蒸汽毛细孔或者仅需要构造小的蒸汽毛细孔。可能形成的蒸汽毛细孔于是具有小的纵横比(深度/宽度)。相应地，在所提出的焊接过程中，热传导和热传导焊接占主导地位，并且利用蒸汽毛细孔的深熔焊接不发生或者至少不作为主导的焊接过程。
由于加工射束被更多地吸收到铜发卡的材料中，也更容易将加工射束的功率保持为有利于热传导焊接的水平。换言之，能够省去加工射束的可引起深熔焊接的高的加工能量密度或者说强度。因此，借助加工射束而输入到待接合的铜发卡中的能量的小波动也不会导致焊接过程的中断，使得焊接方法整体而言更稳定地进行。
以此也能够省去在焊接过程期间构造蒸汽毛细孔的过程或者说能够显著减少其使用，因为加工射束在所提出的波长的情况下在铜发卡的铜材料中的吸收度显著升高。
优选，加工射束在此被引入待接合的发卡的端面上，即尤其是沿待彼此接合的发卡的纵长方向。相应地，热传导沿着相应发卡的纵长方向或者说沿着延伸尺度进行。
加工射束优选适配于待彼此接合的发卡的几何形状。优选，待彼此接合的发卡的端面完全以加工射束被加载。
因此，相应地以加工射束加载发卡的整个端面，使得热传导并且因而熔化仅能够发生在剩余的维度中，即在铜发卡的纵长方向上。
在优选的替代方案中，待彼此接合的发卡的端面也能够仅部分地被加载以加工射束。在此，中部区域完全不会被加工射束加载，使得在该中部区域中的加工射束的强度等于0。相应地，端面的被加工射束加载的区域例如形成框架形或者环形。
在另一个优选的替代方案中，也能够以下述加工射束加载端面，该加工射束在第一区域中具有第一强度并且在第二区域中具有第二强度。在第一区域和第二区域中，替代或者附加地也能够以加工射束的不同波长加载端面。换言之，端面能够例如在环形或者框架形的第一区域中以较高的强度被加载而在中心的第二区域中以较低的强度被加载。
这能够例如通过例如借助所谓的“2合1”光纤以加工射束加载端面来实现，该“2合1”光纤具有芯光纤和环形光纤，不同的激光功率能够耦入所述芯光纤和环形光纤中。这样，能够降低在芯光纤中的功率，从而加工射束在中心具有比边缘区域低的强度。如果在芯光纤中的功率等于0并且只有激光功率耦入环形光纤中，则发卡的端面在中部完全不被加载以能量并且加工射束在中部的强度相应地等于0。
前述利用加工射束的不同强度加载端面的平面尤其考虑了下述情况：在加工射束的入射到发卡的横截面的边缘区域的边缘区域中通过发卡的外壁进行热扩散，在中心区域中缺乏该热扩散，因为该中心区域由边缘区域包围。相应地，由于通过加工射束不均匀地输入加工能量，仍然实现了基本上均匀地加热发卡的横截面。
上述方法的共同点是：将加工能量引入待彼此接合的铜发卡的端面中。相应地，进行基本上一维的热传导，该一维的热传导以燃烧的蜡烛的形式基本上在以下方向传播，用于将待彼此接合的发卡结合的材料会沿该方向熔化。以此，铜发卡的相应地以加工射束加载的材料的受控的熔化能够进行成，使得所述方法的良好控制是可实现的。
这种良好的控制尤其是以下情况：材料(例如在当前情况下是指铜发卡的材料)具有高的导热性，并且，待彼此接合的构件的几何形状能够相应地导致一维的热传导，例如就像在发卡几何形状的情况下能导致一维的热传导。
因此，焊入深度也不受加工射束的可用强度的限制，而是受液态熔珠的表面张力的限制。相应地，熔化能够继续进行并且由此累积熔珠的液态体积，直到熔珠流走。但优选，在熔珠的这样的流走之前就中断该焊接过程。
相应地，提供了一种非常稳健的方法，其中，由于铜发卡的材料对加工射束的高吸收度，对于全部的依次接合的发卡对实现了恒定的焊接结果。
高的吸收度最终导致：仅存在所引入的能量的小的波动，因为表面特性的波动仅导致引入发卡的材料中的能量的相对小的波动。因此，表面特性的波动也不会导致焊接流程的剧烈变化，使得相应地实现了更稳定的焊接结果。此外，由于避免了形成蒸汽毛细孔，在焊接发卡时几乎不发生飞溅并且焊接结果形成工艺孔的趋势较小。
此外，由于使用了上述的波长范围，能够如此调设加工射束的强度，使得不发生或者仅在非常小的程度内发生气化。这是可能的，因为加工射束在铜发卡的铜材料中的吸收度高。
优选，提供具有基本上矩形的横截面轮廓的发卡，该横截面轮廓具有宽度和深度，其中，优选设置1mm至10mm的宽度和1mm至10mm的深度。优选，小发卡能够具有0.5mm至1.5mm的宽度和/或深度，中等尺寸的发卡的能够优选具有1.5mm至6mm的宽度和/或深度，并且大发卡能够具有6mm至10mm的宽度和/或深度。
优选，提供具有用于机械和/或化学保护和/或用于电绝缘的覆层的发卡，其中，所述覆层优选以由PAI(Poliamid-Imid)、PEEK(Polyether Ether Keton)、PEI(Polyester-Imid)或者PI(Polyimid、例如Kapton)制成的覆层形式设置。
上面提出的任务也通过具有权利要求12的特征的、用于电动机的定子来解决。
相应地，提出了一种用于电动机的定子，该定子具有由彼此接合的铜发卡构造的定子绕组。根据本发明，所述发卡利用前述方法来接合。
因此，定子绕组基本上通过热传导焊接来接合，使得能够实现各个接合部位之间的较大的均一性和在接合部位中形成的工艺孔更少。
附图说明
通过附图的以下描述来更详细地阐述了本发明的另外的优选实施方式。在此示出：
图1示出待彼此接合的两个铜发卡的示意性侧视图，所述铜发卡被加载以加工射束；
图2示出图1的待彼此接合的两个铜发卡的端侧的以及加工射束的示意性俯视图；
图3示出待以另一个加工射束彼此接合的两个铜发卡的另一个示意性俯视图，该另一个加工射束具有两个不同的强度区域。
具体实施方式
在下文中，参照附图描述描述优选的实施例。在此，相同的、类似的或者作用相同的元件在不同的附图中设有相同的附图标记，并且部分省略了对这些元件的重复描述以避免冗余。
在图1中，示意性地分别示出两个发卡10、12的末端，所述末端已经处于接合位置中。为此，在所示出的构造中，发卡10、12的两个末端已经如此被剪短并且彼此贴靠，使得能借助激光射束焊接实现接合。
发卡10、12的末端的端面114、124在图1中向上指向加工射束2。
为了能够借助激光焊接来接合发卡10、12的末端，发卡10、12以其待接合的末端相应地至少在公共构成的平面3中彼此贴靠，其中，在发卡10、12的两个末端之间的间隙应保持为尽可能小并且优选不存在间隙。因此，在发卡10、12的两个末端之间的、位于公共平面3中的接触面尽可能的大。
此外优选地，将发卡10、12的两个末端的、关于公共平面3的侧向偏移保持为小或者优选地避免该侧向偏移。此外，优选也将关于发卡10、12的两个末端的相应端面114、124的高度偏移保持为非常小或者优选避免该高度偏移，并且，也将在两个发卡10、12的末端之间的角度位置优选保持为特别小或者优选避免该角度位置。
为了在实际接合发卡10、12的两个末端之前实现尤其是端面114、124的上述优选取向并且在接合期间也能够如此保持该优选取向，例如使用机械夹具将发卡10、12的末端并合。
发卡10、12分别具有机械保护且化学保护的并且电绝缘的覆层110、120，所述覆层例如能够以塑料覆层的形式来设置。在包括发卡10、12的待接合的末端的准备区域112、122中，从发卡10、12上移除相应覆层，以使得在该准备区域中仅保留裸铜材料而没有其他覆层。
因此，在公共构成的平面3中，通过提供发卡10、12的末端的准备区域112、122，两个发卡10、12的裸铜材料也彼此贴靠。也是在该区域中，会进行通过激光射束焊接的接合，使得为了焊接而熔化的材料以无杂质的方式存在。
发卡10、12的末端的覆层110、120被移除，以便避免在焊接过程期间杂质被引入熔化物中，所述杂质例如会导致在接合部位上重新凝固的材料的无法确定的强度和/或重新凝固的材料的组织中的缺陷和/或重新凝固的材料的导电性的波动。此外，通过移除覆层110、120避免了在激光射束焊接时产生有毒的烟雾。
准备区域112、122相对于彼此如此取向，使得通过激光射束焊接能可靠地实现了两个铜发卡10、12的接合。
发卡10、12在准备区域112、122中的覆层110、120的清除或者说移除能够例如通过激光加工或者通过已知的机械或者化学清洁过程来进行，以便为用于实际接合的发卡10、12做准备工作。
铜发卡10、12的两个末端的准备、取向、改形和并合的过程原则上是已知的并且在这里不再赘述。
在图2中示出两个已经准备好的、相对于彼此取向的且并合的发卡10、12的俯视图，所述发卡应彼此接合。
如从该俯视图中可以清楚看出的，发卡10、12分别具有基本上矩形的横截面轮廓，该横截面轮廓分别具有宽度X和深度Y。发卡10、12的该横截面轮廓也相应于发卡10、12的端面114、124的轮廓，所述轮廓然后被加工射束3有效地加载。在所示出的实施例中，公共平面3沿着深度延伸部Y(即，垂直于宽度X)形成，发卡10、12的两个末端在该公共平面处彼此贴靠。
发卡10、12的典型尺寸例如是1mm至10mm的宽度X和1mm至10mm的深度。优选，小发卡能够具有0.5mm至1.5mm的宽度和/或深度，中等尺寸的发卡的能够优选具有1.5mm至6mm的宽度和/或深度，大发卡能够具有6mm至10mm的宽度和/或深度。铜发卡10、12的具体尺寸确定取决于相应的应用情况。
铜发卡10、12的基本材料例如是铜、例如用于电应用的无氧铜(电解韧铜，ETP-Electrolytic-Tough-Pitch)。
发卡的覆层110、120能够例如以由PAI(聚酰胺酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PEI(聚酯酰亚胺)或者PI(聚酰亚胺、例如聚酰亚胺胶带)制成的覆层形式存在，以便机械和化学地保护铜发卡10、12的基本材料并且提供电绝缘。
设置用于构造电动机的定子的定子绕组的发卡10、12的末端相应地也具有这种矩形的横截面轮廓或也可能是正方形的横截面轮廓，所述横截面轮廓相应地实现了发卡10、12的待接合的末端在公共平面3中的面贴靠。
铜发卡10、12的接合现在能够借助加工射束2来执行，该加工射束在图1和图2中示意性地示出。
例如在图2中可以看出的，加工射束2优选如此成形，使得它加载发卡10、12的待接合的末端的整个端面。整个端面由铜发卡10、12的相应末端的端面114、124构造，所述端面在图1中相应地指向上方并且在图2中以俯视图示出。
在下面关于图3进一步示出的优选替代方案中，待彼此接合的发卡10、12的端面114、124也能够仅部分地以加工射束加载。
加工射束2是激光射束，借助所述激光射束能够通过激光射束焊接实现两个发卡10、12的接合。
这里所使用的加工射束2的波长小于1000nm。
优选，在图1和图2中所示出的实施例中，加工射束2是绿色加工射束2，该绿色加工射束由具有500nm至550nm的波长、特别优选具有510nm至520nm的波长的激光射束形成。或者，加工射束2是蓝色加工射束2，该蓝色加工射束由具有425nm至475nm的波长、特别优选具有440nm至450nm的波长的激光射束形成。
通过加工射束2的所选择的波长范围实现了，加工射束2的能量被发卡10、12并且尤其是由其呈铜材料形式的基本材料良好地吸收。因此，激光能量并从而热能可以有效地输入到发卡10、12中，使得能借助热传导焊接实现了激光射束焊接。由于铜材料对加工射束2的能量的吸收增大，能够省去构造蒸汽毛细孔。
焊接过程是热传导过程还是深熔焊接过程，这决定性地取决于加工射束2——借助所述加工射束加载待彼此接合的铜发卡10、12——的能量密度或者说强度。理想情况下应避免超过所谓的强度阈值，从该强度阈值开始热传导过程过渡到深熔焊接过程中。
然而，只要加工能量大面积地分布，例如在具有超过平均水平大小的直径或者说超过平均水平大小的端面114、124的发卡的情况下，也可设想使用高的加工能量。然后，加工射束的所获得的能量密度或者说强度由于大的加工面而又被调设成优选的，使得不超过强度阈值，从该强度阈值开始，热传导过程过渡到深熔焊接过程中。
如果加工射束2以激光能量基本上加载待彼此接合的发卡10、12的整个端面114、124，则在发卡10、12内的热传导从该端面114、124出发沿纵长方向进行，该纵长方向由图1中的纵长方向Z表示。相应地，在发卡10、12中的热传导基本上一维地进行，即沿着纵长方向Z，该纵长方向也是热传导方向。
优选，加工射束2如此取向，使得它一方面以加工射束分别加载发卡10、12的端面114、124。同时，优选也如此设置加工射束2的取向，使得它基本上沿发卡10、12的纵长方向Z延伸。相应地，如果在激光射束焊接发卡10、12的情况下由熔化材料构造的熔珠沿热传播的方向、即发卡10、12的纵长方向Z运动，则熔珠留在加工射束2的影响区域中。
加工射束2的横截面的取向优选也根据发卡10、12的末端的端面114、124的取向并且尤其是根据相对于加工射束2的轴线的尺寸和旋转取向来定向。进行加工射束2的这种尺寸确定和旋转取向在原理上是已知的，从而这里将不再进一步讨论。
在图3中，示出加工射束2的一种替代构型，其中，加工射束2被划分并且施加到发卡10、12的端面114、124上的强度在中心区域20中与在包围中心区域20的边缘区域22中是不同的。
换言之，中心区域20例如根本不会以加工射束2的强度被加载，使得在中央区域20中加工射束2的强度等于0。相应地，端面114、124的以加工射束2加载的边缘区域22例如框架形或者环形地构造。
在另一个优选的替代方案中，端面114、124也能够以下述的加工射束2被加载，该加工射束在第一区域22中具有第一强度并且在第二区域20中具有第二强度。在第一区域22和第二区域20中，替代或者附加地也能够以加工射束2的不同波长加载端面114、124。
换言之，端面114、124能够例如在环形或者框架形的第一区域22中以较高的强度被加载并且在位于中心区域的第二区域20中以较低的强度被加载。
这能够例如通过例如借助所谓的“2合1”光纤以加工射束2加载端面114、124来实现，该“2合1”光纤具有芯光纤和环形光纤，不同的激光功率能够耦入所述芯光纤和环形光纤中。这样，能够降低在芯光纤中的功率，从而加工射束在中心具有比边缘区域低的强度。如果在芯光纤中的功率等于0并且激光功率只耦入环形光纤中，则发卡10、12的端面114、124在中部根本不被加载以能量并且加工射束2在中部的强度相应地等于0。
前述的以加工射束2的不同强度加载端面114、124的平面尤其考虑了以下情况：在加工射束2的边缘区域——该边缘区域入射到发卡10、12的横截面的边缘区域——中通过发卡的外壁进行热扩散，而在中心区域中缺乏该热扩散，因为该中心区域由边缘区域包围。相应地，由于通过加工射束2不均匀地输入加工能量，仍然实现了基本上均匀地加热发卡10、12的横截面。
由于加工射束2入射到发卡10、12的端面114、124上并且沿发卡10、12的纵长方向Z取向，则原则上出现一维的热传导并且因而也出现热传导沿焊入深度的方向的延伸。因此，也出现了在发卡10、12中的无限的焊入深度的可能性，该无限的焊入深度理论上仅受发卡10、12在纵长方向Z上的延伸尺度限制。
然而，在实践中，力求实现明确地被限界的焊入深度，该焊入深度产生不具有流出的趋势的熔珠，以便避免熔化材料的不受控制的分布。换言之，焊入深度由熔化物的表面张力限制，因为不希望熔珠的熔化材料流走。
此外，以这种方式能够建立两个发卡10、12的机械和电方面可靠的连接，以便以这种方式实现发卡10、12的机械和电方面可靠的接合并且因而提供电动机的定子的定子绕组的可靠的构造。
只要适用，在实施例中呈现的所有单个特征都能够彼此组合和/或替换，而不会脱离本发明的范围。
附图标记列表
10 铜发卡
12 铜发卡
110 覆层
112 准备区域
114 端面
120 覆层
122 准备区域
124 端面
2 加工射束
20 中心区域
22 边缘区域
3 公共平面
X 发卡的宽度
Y 发卡的深度
Z 发卡的纵长方向
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