Ausgangslage
Kupferbasierte Steck- und Bondverbindungen stellen zentrale Elemente für langlebige und hochstromfähige elektrische Kontakte in modernen Elektromotoren dar, insbesondere im Statorbereich, der üblicherweise aus Kupferdrahtwicklungen besteht. Zur Erhöhung der Leistungsdichte der Wicklung kommt zunehmend die Hairpin-Technologie zum Einsatz, bei der vorgeformte Kupferleiter aus Kupferflachdraht in einem Drahtkorb angeordnet, abisoliert und anschließend in das Lamellenpaket eingebracht werden. Dieses Verfahren ermöglicht kompakte und effiziente Wicklungsdesigns, stellt jedoch hohe Anforderungen an die Qualität der elektrischen Kontaktstellen. An den Kontaktflächen treten häufig Hohlräume und Lufteinschlüsse auf, deren Vorhandensein die metallische Leitfähigkeit beeinträchtigt. Darüber hinaus führen native Kupferoxidschichten sowie anhaftende Fremdpartikel zu einer weiteren Erhöhung des Übergangswiderstands, wodurch sich der Wicklungswiderstand erhöht, die Verlustleistung zunimmt und die Gesamteffizienz des Elektromotors reduziert wird.
Ziele
Ziel des Projekts ist die Überprüfung der Arbeitshypothese, dass eine gezielte, sauerstofffreie Atmosphärendruckplasmabehandlung den Übergangswiderstand von Cu/Cu-Verbindungen signifikant reduziert. Darauf aufbauend soll eine verlässliche und reproduzierbare Methode zur Oberflächenvorbehandlung von Kupfer unter XHV-adäquaten Bedingungen entwickelt werden. Zu diesem Zweck wird eine kombinierte Oberflächenbehandlung eingesetzt, die sowohl eine Desoxidation als auch einen anschließenden Fügeprozess unter XHV-adäquaten Bedingungen umfasst.
Durch die vollständige Entfernung native Oxidschichten sowie oberflächliche Verunreinigungen soll eine metallisch saubere Oberfläche erzeugt werden, die eine stoffschlüssige sowie elektrisch und mechanisch hochwertige Verbindung ermöglicht, und dies ohne zusätzlichen Energieeintrag. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zunächst an idealisierten Referenzproben mit definierten Oxidschichten validiert. Anschließend wird die Übertragbarkeit auf reale Hairpin-Geometrien aus Flachdraht untersucht, wobei sowohl planare Kontaktflächen als auch komplexe Strukturen berücksichtigt werden.
Ziel ist die Verbesserung der mechanischen und elektrischen Bondqualität der Cu/Cu-Verbindung. Durch die Reduktion von Übergangs-, Kontakt- und Wicklungswiderständen soll die Effizienz und Leitungsfähigkeit von Elektromotoren erhöht werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Integration des entwickelten Verfahrens in bestehende Fertigungsabläufe der Elektromotorentwicklung. Perspektivisch sollen Vorbehandlungs- und Fügeschritte vereinfacht und mehrere vorbereitende Prozessstufen eliminiert werden, um die Materialnutzung zu verbessern sowie Zeit- und Kostenaufwand zu reduzieren. Damit leistet das Projekt nicht nur einen Beitrag zur technologischen Optimierung einzelner Bauteile, sondern auch zur Effizienzsteigerung ganzer Fertigungsprozesse.
Veröffentlichungen
Vorprojektleiterin
30823 Garbsen
Teilprojektbearbeiter
30823 Garbsen
