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Statorkapselung Thermohärtende Isolierharze kitzeln aus Motoren mehr Leistung heraus

Autor / Redakteur: Werner Hollstein / Josef-Martin Kraus

Die Entwicklung leistungsfähigerer Motoren und Generatoren setzt Materialien zur Statorkapselung voraus, die mehr bieten als eine Lackierung. Die Lösung liegt in thermohärtenden Harzen für Verguss und Imprägnierung. Vielfältige Möglichkeiten zur Modifizierung sichern ein „Zuschneidern“ auf das nötige Eigenschaftsprofil.

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Bild 1: Um bei steigender Motorlast die Leistungsverluste zu minimieren, bietet sich der vollständige Verguss des Stators mit duroplastischen Harzsystemen an. Dazu werden die Kupferwicklungen vollständig verkapselt.
Bild 1: Um bei steigender Motorlast die Leistungsverluste zu minimieren, bietet sich der vollständige Verguss des Stators mit duroplastischen Harzsystemen an. Dazu werden die Kupferwicklungen vollständig verkapselt.
(Bild: Huntsman)

Zu den kommenden Herausforderungen an die Entwicklung von Motoren und Generatoren für Industrie- und Automobilanwendungen zählen die Größenreduktion, die höhere Integrationsdichte, Leistungsabgabe, Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit, die Haltbarkeit in rauen Umgebungen sowie die niedrigeren Geräuschemissionen. Typischerweise werden die elektrische Isolierung und die mechanische Befestigung der Rotor- und Statorwicklungen einfach lackiert, dies führt jedoch tendenziell zu folgenden Problemen:

  • Es entstehen elektrische Leistungsverluste, die zu hohen Temperaturen und Überhitzung führen.
  • Es kommt zu Vibrationen, die Verschleiß und Kurzschlüsse in den Wicklungen verursachen.
  • Aggressive Öle, Chemikalien, Dämpfe und Feuchtigkeit schädigen die Wicklungen.

Komplett vergossener Stator senkt Leistungsverluste

Bei steigender Motorlast nehmen auch die genannten betrieblichen Leistungsverluste zu. Die Verwendung duroplastischer Harzsysteme für Verguss und Imprägnierung löst diese Probleme (Bild 1). Ein Beispiel dafür ist ein vollständig vergossener Stator, bei dem die Kupferwicklungen, der Spalt und die Hinterschnitte komplett imprägniert und mit einem Polymer gefüllt sind. Bild 2 zeigt die schematische Darstellung eines für den vollständigen Verguss vorbereiteten Stators.

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Größter Anteil der Verlustwärme entsteht in den Wicklungsköpfen

In der Statormitte ist ein Dichtungskern platziert, um die Vakuumdichtheit sicherzustellen und zu verhindern, dass die Ankerbleche aus Metall durch das Harz verunreinigt werden. Das Flüssigharzsystem wird entgast und vorzugsweise unter Vakuumbedingungen in den Stator vergossen. Entscheidend ist dabei, dass das Harzsystem eine geringe Viskosität und eine ausreichend hohe Latenz für eine schnelle Befüllung und Imprägnierung aufweist. Um Volumenschwund und mechanische Belastungen bei der Harzaushärtung zu minimieren, muss der Härtungsprozess im Ofen optimiert werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der elektrischen Leistungsverluste ist die Kapselung der Wicklungsköpfe. Im Allgemeinen entstehen mehr als 60 % der Verlustwärme in den Wicklungsköpfen eines Stators. Die effektivste Methode zur Verlustreduzierung besteht folglich darin, nur den Spalt zwischen Wicklungsköpfen und Gehäuse zu vergießen. Bild 3 zeigt die schematische Darstellung eines Stators mit gekapselten Wickelköpfen. Bei der Auswahl eines geeigneten Vergussmaterials ist unbedingt auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit, genau definierte Fließeigenschaften und kurze Aushärtungszeiten zu achten.

Heißhärtende Epoxidharzsysteme für vollständige Statorkapselung

Formulierte Epoxidharzsysteme sind für viele elektrische Anwendungen unverzichtbar. Sie bieten eine hervorragende elektrische Isolierung, haben gute mechanische Eigenschaften sowie eine hohe chemische und thermische Beständigkeit. Die Verarbeitung bei Temperaturen von 60 bis 80 °C verringert die Viskosität dieser Systeme deutlich, wodurch höhere Füllstoffdosierungen und eine schnellere Befüllung möglich werden. Für die Endaushärtung sind Temperaturen von über 100 °C erforderlich.

Die Zwei-Komponenten-Entwicklung Araldite CW 229-3/Aradur HW 229-1 von Huntsman Advanced Materials ist ein gutes Beispiel für ein vorgefülltes Harzsystem mit hoher Riss- und Thermoschockfestigkeit. Bild 4 zeigt die Resultate von Temperaturwechseltests mit eingegossenem Metallteil (Kantenradius 1 mm). Insgesamt wurden 20 Testzyklen mit Temperaturen bis hinab zu –80 °C durchgeführt. Das Imprägniervermögen erwies sich als gut, die Wärmeleitfähigkeit betrug 0,7 W/(m·K).

Die Prüfung der Wärmebeständigkeit in Form langfristiger Alterungstests (IEC 60216) ergab einen thermischen Index von mehr als 180 °C (Klasse H). Nach UL746B wurde sogar ein Wert von 200 °C für den relativen Temperaturindex (RTI) ermittelt. Damit sind eine gute Wärmeableitung, eine zuverlässige elektrische Isolierung und eine hohe Wärmebeständigkeit für unter hoher Last arbeitende Motoren und Generatoren sichergestellt.

Kurze Zykluszeiten ohne typische Nachhärtung

Für Anwendungen, die kurze Zykluszeiten erfordern, hat Huntsman das Harzsystem Araldite CW 229-3/Aradur HW 229-1 modifiziert, sodass eine höhere Reaktivität gewährleistet und die bei konventionellen Harzsystemen obligatorische Nachhärtung überflüssig ist. Dieses Non-Post-Cure-System (NPC) eignet sich für das automatisierte Druckgelierverfahren (APG), das zusätzliche Vorteile bezüglich kürzerer Formzeiten und niedrigerer Formtemperaturen bietet.

Maximierung der Wärmeableitung bei hoher Rissbeständigkeit

Ist die Wärmeableitung die wichtigste Anforderung an den Statorverguss, bietet das Expoxidharzsystem Araldite XB 2710/Aradur XB 2711 die geeignete Lösung. Es gewährleistet eine hohe Wärmeleitfähigkeit und vereinfacht die Wärmeableitung bei 1,5 W/(m·K). Das System hat nicht nur ähnliche Eigenschaften wie Araldite CW 229-3/Aradur HW 229-1, sondern auch eine hervorragende Rissbeständigkeit und einen nie­drigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Kalthärtende Epoxidharzsysteme für den Statorvollverguss

Die am häufigsten verwendeten Härtungsmittel für Epoxidharze sind Amine. Die Reaktivität dieser Systeme erlaubt ein Aushärten bei Raumtemperatur. Weil Aushärtungsöfen überflüssig sind, sind Gießanlagen zur Verarbeitung kalthärtender Epoxidharzsysteme deutlich einfacher und günstiger. Das Produkt Araldite XB 2252/Aradur XB 2253 ist ein kalthärtendes Expodixharzsystem mit ausgezeichneten Fließ- und Imprägniereigenschaften. Die Wärmebeständigkeit ist mit einem thermischen Index von 180 °C (Klasse F) außergewöhnlich hoch. Das Produkt Araldite CW1312/Aradur HY 1300 ist ein weiteres Beispiel für ein elastisches kalthärtendes Epoxidharzsystem mit hoher Beständigkeit gegen thermische Alterung und einer hohen Thermoschockfestigkeit. Es ist in Anwendungen der Klasse B etabliert.

PUR-Modifizierung ermöglicht Anpassung an den Statorvollverguss

Auch Polyurethane (PUR) werden als kostengünstiges Material für die elektrische Isolierung von Statoren verwendet. Bei der chemischen Reaktion eines Polyols mit einem Isocyanat entsteht ein Polymer mit Urethanverbindungen. Erfolgt dabei die Vernetzung dreidimensional, gehört das resultierende Polymer zur Klasse der Elastomere und Duroplaste. Die Aushärtungsreaktion bei Raumtemperatur ist schnell und exotherm und kommt ohne Öfen aus. Die große Vielfalt an Polyolen, Isocyanaten, Modifizierern und Füllstoffen ermöglicht die exakte Anpassung, zum Beispiel an den Statorvollverguss, trotz Abdeckung eines breiten Anwendungsspektrums.

Außergewöhnliches Eigenschaftsprofil für Polyurethansysteme

Ein Beispiel dafür ist das PUR-System Arathane CW 5631/HY 5610, das sich gut verarbeiten lässt und ein hohes Imprägnievermögen aufweist. Diese Merkmale sind sehr außergewöhnlich für ein PUR-System. Das ausgehärtete Material erfüllt die Anforderungen an die Flammwidrigkeit nach UL94 V-0. Es bietet eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,6 W/(m·K) und eine hohe Beständigkeit gegen thermische Alterung.

Ein weiterer Vorteil dieses PUR-Systems ist dessen Anpassungsfähigkeit, die durch einfache Änderung des Mischungsverhältnisses eine vollständige Kapselung von Statoren unterschiedlicher Größen und Geometrien ermöglicht. Mit einem Wert von 100 : 19 pbw wird die Shorehärte deutlich von D80 auf D55 reduziert und – was noch wichtiger ist – die hervorragende Rissfestigkeit wird nicht beeinträchtigt.

Ein-Komponenten-Epoxide vereinfachen die Verarbeitung

Die meisten epoxidbasierten Systeme werden als zwei separate Komponenten geliefert. Die Massenfertigung solcher Systeme erfordert vielfältige Verarbeitungsanlagen. Ein-Komponenten-Produkte sind dagegen wesentlich einfacher zu verarbeiten und reduzieren den Bedarf an Maschinen erheblich. Die verfügbaren Ein-Komponenten-Epoxide werden als Klebstoffe, Dichtmittel, Vergussmaterialien, Imprägnier- sowie Gussharze kommerzialisiert.

So wurde das Ein-Komponenten-Epoxid Aratherm CW 2731 für die Kapselung von Wicklungsköpfen in Motoren und Generatoren entwickelt. Das „pastöse“ Produkt ist mit einem speziellen Füllstoff vorgefüllt, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 3,0 W/(m·K) zu erzielen. Die Verarbeitung erfordert weder ein Vorheizen und Homogenisieren, noch eine Entgasung. Das Fließverhalten lässt sich so variieren, dass die Freiräume zwischen Drähten und Gehäuse gefüllt werden können. Die Ofenhärtung entfällt, sofern die Wärmekapazität der vorgeheizten Statoren hoch genug ist, um die Temperatur 1 h lang auf über 150 °C zu halten. Bild 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel für einen flüssiggekühlten Generator.

Eine andere wichtige Materialeigenschaft des Ein-Komponenten-Expoxids Aratherm CW 2731 ist der hohe Tg-Wert von 160 °C, der ein gleichbleibendes Materialverhalten über den gesamten Betriebstemperaturbereich ermöglicht und eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit gewährleistet. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient (20 × 10–6 K–1) minimiert thermische Spannungen und verhindert die Rissbildung.

Lieferung des Eigenschaftsprofils für Motoren mit erhöhter Leistung

Angesichts der kontinuierlichen Nachfrage nach Motoren und Generatoren mit höherer Leistungsabgabe, Integrationsdichte, Zuverlässigkeit, Widerstandsfähigkeit in rauen Umgebungen und reduzierten Geräuschemissionen erweisen sich duroplastische Harzsysteme für den vollständigen Stator- und Wickelkopfverguss als ideale Lösung. Moderne Epoxid- und PUR-Systeme bieten die notwendigen Eigenschaften, um den Anforderungen an gute Wärmeableitung, elektrische Isolierung, mechanische Befestigung, Dämpfung und Schutz vor aggressiven Chemikalien, Dämpfen und Feuchtigkeit gerecht zu werden.

Huntsman Advanced Materials entwickelt diese Produkte für unterschiedliche Verarbeitungs- und Applikationstechniken wie das Vakuumgießen und die automatische Druckgelierung, die kurze Zykluszeiten und hohe Durchsätze ermöglichen (Bild 6). Die fortschrittlichen Harzsysteme können erheblich zur Entwicklung neuer Motorkonstruktionen für die Anwendungsbereiche Elektromobilität und Industrie beitragen. Dort kommt es insbesondere auf eine hohe Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Qualität an.

* Dr. Werner Hollstein ist bei Huntsman Advanced Materials in Basel für technischen Service und Industriepromotion zuständig.

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