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KLIMA fürs Klima Keramikartige Isolierung pusht Wirkungsgrad von Elektromotoren

Quelle: HTW Dresden 3 min Lesedauer

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Elektromotoren benötigen rund 50 Prozent der Elektroenergie Deutschlands, sagen Forscher aus Dresden. Mit der E-Mobilität wird der Bedarf steigen. Neue Isoliersysteme könnten da attraktiv werden ...

Dieses unscheinbare weiße Pulver ist Aluminiumoxid. Wer hätte gedacht, dass es eine verbessernde Alternative für die Isolation von Elektromotorwicklungen aus Kupfer oder Aluminium sein kann? Dresdener Forscher nebst Partnern haben das bewiesen ...(Bild: Santa Mineralia)
Dieses unscheinbare weiße Pulver ist Aluminiumoxid. Wer hätte gedacht, dass es eine verbessernde Alternative für die Isolation von Elektromotorwicklungen aus Kupfer oder Aluminium sein kann? Dresdener Forscher nebst Partnern haben das bewiesen ...
(Bild: Santa Mineralia)

Angesichts der oben geschilderten Entwicklung und aufgrund knapper werdender Rohstoffe steigt der Druck, bei der Herstellung von Elektromotoren weniger Material einzusetzen respektive die Antriebe möglichst vollständig in den Kreislauf zurückführen zu können. Forscher der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTWD) arbeiten deshalb mit Partnern an einer neuartigen Wicklungsisolation, um Elektromotoren effizienter und leichter zu machen, um so Rohstoffe und Energie zu schonen. Das Vorhaben trägt den Titel „Entwicklung keramikähnlicher Leiterisolationen für den Einsatz in hoch ausgenutzten, ressourceneffizienten elektrischen Maschinen und Antrieben“ – kurz KLIMA. Wicklungen aus elektrisch leitendem Draht sind, wie man weiß, essenziell, um ein Magnetfeld zu erhalten, das den Elektromotor antreibt. Die Leiter aus Kupfer- oder Aluminiumdraht werden heute klassisch mit Kunstharzlacken isoliert. Diese Isolation ist auch sehr robust gegen Spannungsdurchschlag, hat aber den Nachteil, dass sie gleichzeitig auch stark thermisch isoliert und sich die Wicklungen unter ihr stark erhitzen, erklären die Dresdener Forscher. Diese Erwärmung verringert aber die Effizienz des Systems. Um nun eine gewünschte Leistung bei gleichzeitig sehr gutem Wirkungsgrad zu erreichen, müssen die Maschinen eigentlich insgesamt größer gebaut werden. Das will man im Rahmen von KLIMA vermeiden.

Aluminiumoxid leitet Wärme viel besser als Kunstharzlack

Das Ziel des KLIMA-Projekts ist es demnach, die bisher eingesetzten Isolatoren durch eine der Keramik ähnliche Beschichtung aus Aluminiumoxid zu ersetzen. Aluminiumoxid hat dabei den Vorteil, eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu haben. Die Steigerung der thermischen Leitfähigkeit verbessert die Wärmeabgabe und sorgt so für einen höheren Wirkungsgrad, ohne die Dimensionen des Motors zu erhöhen. Zum Vergleich: Die thermische Leitfähigkeit von klassischem Isolierlack beträgt etwa 0,1 bis 0,2 Watt pro Meter und·Kelvin (W/mK). Bei der Isolation mit Aluminiumoxid kommt man aber auf einen Wert zwischen drei und vier – ist also um über das Zehnfache besser.

Ein weiterer Vorteil der keramikähnlichen Isolation sei die höhere Hitzebeständigkeit der Wicklungen. Sie halte nämlich Temperaturen über 300 Grad Celsius aus, was besonders für zukünftige Antriebe in der E-Aviation, also dem elektrischen Fliegen, von Bedeutung sei. Die Aluminiumoxidschicht auf dem Leiterdraht wird dazu in einem elektrochemischen Prozess durch Anodisierung auf dem Draht abgeschieden. Die HTWD und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) entwickeln dazu den Beschichtungsprozess. Das Team der HTWD führte im Vorfeld thermische und elektrische Simulationsrechnungen durch und testet derzeit anhand der am IKTS gefertigten Versuchsmuster, ob das neue Isoliersystem den auftretenden Belastungen standhält.

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