Hairpin-Wicklung: Was ist das und was bringt sie für den Elektromotor?

Hairpin-Wicklung bedeutet, dass anstelle der runden Kupferdrähte im Stator des Elektromotors U-förmig gebogene rechteckige Kupferstäbe verwendet werden. Diese Geometrie schafft mehr Platz für Kupfer im Nutkanal und erhöht den Füllfaktor von etwa 45-50 % bei der klassischen Wicklung auf über 70 %; sie sorgt für ein stärkeres Magnetfeld, weniger elektrische Verluste und ein besseres Wärmemanagement. Auf dieser Seite untersuchen wir den Aufbau der Hairpin-Wicklung, den Fertigungsprozess, die Gewinne bei Wirkungsgrad und Leistungsdichte, ihre Grenzen und welche Hersteller auf diese Technologie umgestiegen sind.

Was ist eine Hairpin-Wicklung und wie unterscheidet sie sich von der klassischen Drahtwicklung?

Was das Drehmoment eines Elektromotors bestimmt, ist das Magnetfeld, das der durch die Statornuten fließende Strom erzeugt. Die Geometrie der Leiter, die diesen Strom tragen, beeinflusst unmittelbar, wie effizient der Motor arbeitet. Bei der klassischen Wicklung werden lackisolierte runde Kupferdrähte um die Nuten gewickelt; da die Drähte rund sind, lassen sich die Hohlräume im Nutkanal nicht vermeiden. Bei der Hairpin-Wicklung übernehmen dieselbe Aufgabe rechteckige Kupferstäbe, die an den Enden gebogen und miteinander verschweißt werden.

Der rechteckige Querschnitt ist keine mathematische Eleganz, sondern ein physikalischer Gewinn: Rechteckige Stäbe füllen den rechteckigen Hohlraum der Nut viel dichter. Je größer der gefüllte Bereich, desto stärker das Magnetfeld bei gleichem Strom und desto mehr Kupfer bei gleichem Volumen. Der Rest des Stators - Blechpaket, Gehäuse, Kühlungsarchitektur - bleibt weitgehend unverändert; die Innovation konzentriert sich vollständig auf das Wickelsystem.

Drei Wicklungsvarianten: U-Pin, I-Pin und kontinuierliche Hairpin

Das am weitesten verbreitete Mitglied der Hairpin-Familie ist die U-Pin-Struktur: Der Kupferdraht wird U-förmig gebogen, und die beiden offenen Enden werden von beiden Seiten des Stators aus eingeführt, gebogen und verschweißt. Bei der I-Pin-Variante werden gerade, nicht gebogene Pins verwendet; auf beiden Seiten ist ein elektrischer Kontakt erforderlich, dafür liegt der Füllfaktor im Vergleich zum U-Pin etwa 4 % höher und kann 74 % erreichen. Die kontinuierliche Wicklung (continuous/wave) entsteht, indem ein einzelner Draht über Meter in Schlangenform gebogen und als Wicklungsmatte von innen eingesetzt wird; dass sie den Schweißprozess des U-Pins nicht benötigt, ist ihr größter Vorteil.

Auch auf der Isolationsseite gibt es eine eigenständige Architektur. Zwischen Nut und Blechpaket wird Isolationspapier eingelegt; die Leiter selbst sind mit Lacken beschichtet, die in Hochtemperaturklassen wie Polyamid-Imid (PAI), PEEK oder PAI+FEP fallen. Die verschweißten Enden werden nach dem Prozess mit Pulverbeschichtung oder Polyurethanharz neu isoliert.

Kupferfüllfaktor: Der Schlüssel zum Wirkungsgrad

Der Füllfaktor misst den Anteil der Fläche, die im Querschnitt des Statornuts auf Kupfer entfällt. Die Werte schwanken in Quellen je nach Definition dessen, was als "Kupfer" gilt; für Runddraht wird typischerweise ein Bereich von 40-50 % angegeben, für Hairpin 60-73 % und bei einigen modernen Konstruktionen über 75 %. Die Größe des Unterschieds ist jedoch unstrittig: Hairpin fasst bei gleichem Motorvolumen rund 20 % mehr Leiter ein.

Die Auswirkung dieser Tabelle auf die Motorleistung liest sich in drei Stufen. Erstens bedeutet mehr Kupfer ein stärkeres Magnetfeld und ein höheres Drehmoment. Zweitens verkürzt der optimierte Wicklungsweg die Leiterlänge; der DC-Widerstand und die Kupferverluste sinken, dieselbe Leistung wird mit weniger Energie erzeugt und die Reichweite des Fahrzeugs verlängert sich. Drittens kann der dichter gepackte Stator kleiner gebaut werden - das ist der physikalische Grund für die steigende Leistungsdichte.

Wärmemanagement: Warum wird die Wärme besser beherrscht?

Im Elektromotor entsteht Wärme aus den Verlusten in den Leitern. Die Hairpin-Wicklung bietet hier einen doppelten Vorteil: Der geringere Kupferverlust erzeugt weniger Wärme; die geordnete und kompakte Wickelkopfstruktur leitet die erzeugte Wärme nach außen ab. Während die Luftspalte zwischen den zufällig angeordneten Leitern bei Runddrähten wie eine Wärmedämmung wirken, beseitigt die geordnete Geometrie des Hairpin diese Spalte.

Das Ergebnis ist eine höhere Stromtragfähigkeit pro Leiter und ein einfacheres Temperaturmanagement. Besonders in Verbindung mit Ölspritzkühlung hebt sich die Hairpin-Wicklung als Lösung hervor, die in Elektrofahrzeugmotoren Wirkungsgrad und Leistungsdichte gleichzeitig steigert. Die niedrigere und homogenere Betriebstemperatur verlängert zudem die Lebensdauer des Isolationssystems und verbessert damit direkt die Zuverlässigkeit des Motors.

Wie vorteilhaft ist Hairpin bei hohen Drehzahlen?

Hier verläuft die Sache nicht einseitig. Der große Leiterquerschnitt des Hairpin kann sich bei hohen Frequenzen als Nachteil erweisen: Der als Skin-Effekt bezeichnete Stromverdrängungseffekt führt dazu, dass der Strom nur in der obersten Schicht des Leiters fließt und der Wirkwiderstand steigt. Da die Frequenz mit steigender Drehzahl zunimmt, kann der Vorteil des Hairpin bei DC-Verlusten bei hohen Drehzahlen teilweise durch AC-Verluste aufgezehrt werden. Deshalb bringt die Erhöhung des Füllfaktors nicht bei jedem Konstruktionsziel einen Vorteil; die Gewinne hängen von Frequenz, Strom und Isolationsdesign ab.

Dennoch sind die praktischen Erfolgsbeispiele überzeugend: Die Hairpin-Vorteile, 160 kW Leistung und 18.000 U/min in einem permanentmagnetischen Motor mit umfassendem Design-Leitfaden verifiziert. Die Schlüsselparameter von Hairpin- und Runddrahtwicklung in Hochdrehzahl-PMSM-Motoren sind bis heute aktives Forschungsthema. Es gibt auch einen interessanten Gegendatenpunkt: In einem Fahrzyklusvergleich schnitt die seltenerdmetallfreie Variante mit Runddrahtwicklung, die IPMSM, im WLTP-Zyklus 0,63 % effizienter ab. Der Unterschied ist klein, aber die Botschaft ist klar: Hairpin gewinnt nicht automatisch unter allen Bedingungen und in jedem Zyklus.

Die ausgewogene Zusammenfassung lautet: Hairpin ist keine Technologie, die die klassische Wicklung verdrängen, sondern sie ergänzen wird. Berücksichtigt man die Produktions- und Lebenszykluskosten, ist der Nettounterschied in den meisten Anwendungen bescheidener, als die Zahlen zum Füllfaktor vermuten lassen.

Wie wird ein Hairpin-Stator hergestellt: Die vierstufige Fertigungskette

Die Produktionsgeschichte des Hairpins ist die zweite Hälfte dessen, warum diese Technologie so attraktiv ist. Der Prozess eignet sich von Anfang bis Ende für die Automatisierung, und eine typische Linie besteht aus Stationen für Drahtformung, Einlegen, Aufweiten, Biegen, Schneiden und Schweißen. Kurze Taktzeiten und steigende Stückzahlen senken die Stückkosten.

1. Formgebung: Der Flachdraht aus Kupfer wird abgewickelt und planiert, die Isolation für das Schweißen laser- oder mechanisch teilweise abgetragen, auf Länge geschnitten und gebogen. Eine nahtlose Isolation an den Biegestellen ist die kritischste Anforderung beim Biegen.
2. Einlegen: Die Pins werden axial in das Statorblechpaket eingelegt. In einem einzigen Hairpin-Stator werden typischerweise 3-16 verschiedene Hairpin-Geometrien verwendet.
3. Biegen und Schweißen: Die nach dem Endwicklungsschema gebogenen Enden werden mittels Laserschweißen elektrisch kontaktiert; das Ziel ist eine homogene Schweißgeometrie und minimaler Wärmeeintrag. Das Laser-Ablation ist konsistenter und präziser als das mechanische Schleifen mit rotierenden Bürsten - die Bürsten verschleißen und tragen dabei auch das Kupfer ab.
4. Isolation und Tränkung: Die Schweißenden werden mit Pulverbeschichtung oder Polyurethanharz neu isoliert; die Beschichtung schützt vor Oxidation und Feuchtigkeit, der gesamte Stator wird getränkt.

Bei Traktionsanwendungen ist die größte Herausforderung die Prozesszuverlässigkeit. Relative Höhendifferenzen oder seitliche Versätze an den Hairpin-Enden können zu Schweißfehlern führen; eine fehlerhafte Schweißnaht kann über den zusätzlichen elektrischen Verlust hinaus den Motor unbrauchbar machen. Aus diesem Grund werden drei verschiedene Verbindungstechnologien aktiv verglichen: Widerstandsschweißen, Laser und Mikro-TIG. Zudem werden die Grenzen der Prozesskette der Continuous-Hairpin-Technologie als eigenständiges Ingenieurthema untersucht.

Welche Hersteller sind auf Hairpin-Wicklung umgestiegen?

Die Serienproduktionsreise der Technologie beginnt überraschend früh: Die erste Verwendung zeigte sich in den beiden Motoren des 2ML70-Getriebes im Modelljahr Chevrolet Tahoe Hybrid. Auch der Chevrolet Volt war mit einem von Remy entwickelten Hairpin-Motor ausgestattet. Der eigentliche Durchbruch kam jedoch im Zeitalter der Elektrofahrzeuge. 2008 des Chevrolet Tahoe

Der Volkswagen-Konzern verwendet heute in Modellen wie ID.3, ID.4, Audi e-tron GT und Porsche Taycan Hairpin-Statoren. Das erste Hairpin-Modell von BMW war der iX3 . GM, 2021'de 64 kW'lık hibrit ASM'den Hummer EV'nin 255 kW'lık PSM'sine reichende neue Motorenbaureihe mit Hairpin-Technologie vorgestellt. Tesla kündigte dagegen an, 2023 in seiner Motorengeneration der nächsten Generation Hairpin einsetzen zu wollen. Auch JLR gehört zu den Herstellern, die den Einsatz der Technologie in der Produktion angekündigt haben. Auf der F&E-Seite spiegeln das BMW-geförderte Pro-E-Traktion und die Projekte HaPiPro2 der RWTH Aachen sowie AnStaHa des KIT und IPANEMA, KIPrEMo und KIKoSA der FAU Erlangen-Nürnberg die Industrie-Hochschul-Kooperation in diesem Bereich wider. Auf der Lieferantenseite gelten Akteure wie BorgWarner, Denso und Hitachi als die Markteinflussnehmer.

Ist Hairpin die richtige Wahl für jeden Motor?

In der technischen Praxis hängt die Antwort vom Anwendungsprofil ab. Bei Traktionsmotoren, die bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen hohes Drehmoment und hohe Leistungsdichte erfordern, lassen sich die DC-Verlust- und thermischen Vorteile des Hairpins mühelos in Gewinne umsetzen; die automatisierungsgerechte Fertigung sorgt für Skaleneffekte. Dagegen ist die klassische Wicklung bei Anwendungen, die mit dauerhaft hohen Frequenzen arbeiten oder deren Produktionsvolumen die Automatisierungsinvestition nicht rechtfertigt, weiterhin eine sinnvolle Wahl und wird auch in den kommenden Jahren Bestand haben. Die Aufgabe des Konstrukteurs besteht darin, nicht die höchste Zahl in der Füllfaktor-Tabelle auszuwählen, sondern die Wicklung, die in seinem eigenen Zyklus die geringsten Gesamtverluste und Kosten liefert - der Hairpin ist bei dieser Rechnung häufig der Gewinner, aber nicht immer.

Quellen

• Was ist ein Hairpin-Motor - Vorteile & Fertigungsprozess
• Hairpin-Technologie
• Ein genauerer Blick auf Hairpin-Motorwicklungen
• Thermomanagement von Traktionsmotoren mit Hairpin-Wicklung
• Ein Vergleich zwischen kontinuierlicher und Hairpin-Wicklung für elektrische Traktionsantriebe
• Ein umfassender Konstruktionsleitfaden für Hairpin-Wicklungen
• Leitfaden: Runddraht- vs. Hairpin-Motorwicklung
• Vergleich von I-pin, Hairpin und X-pin
• Hairpin-Statorlösungen für die E-Motorenfertigung
• Hairpin-Statorschweißen: Vergleich von 3 Fügetechnologien
• Hairpin-Wicklungsmotoren: Nutenfüllfaktor, AC-Verluste und Kontrolle von Fertigungsdefekten