Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Innovative Wicklungsisolation auf der Basis keramikähnlicher Kompositsysteme für energieeffiziente und hochausgenutzte elektrische Maschinen und Komponenten

Zur Wicklungsisolation in elektrischen Maschinen eingesetzte Flächenisolierstoffe, Imprägnier- und Vergussmassen weisen nur geringe Wärmeleitfähigkeiten auf. Ihre thermische Belastbarkeit ist zudem eingeschränkt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen neuartige keramikähnliche Isolierwerkstoffe für elektrische Maschinen entwickelt und zur Einsatzreife gebracht werden. Auf Basis gefüllter Polysiloxan-Komposite sind Imprägnier- und Vergussmassen für die Wicklungsisolation sowie spritzgießfähige Werkstoffe zur Isolation des Elektroblechpaketes zu entwickeln. Als Füllstoffe werden z. B. Al2O3, AlN, BN oder SiC verwendet. In Abhängigkeit des Füllgrades sind die neuartigen Isolierwerkstoffe bzgl. ihrer rheologischen, thermophysikalischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu charakterisieren und auf den jeweiligen Isolierprozess abzustimmen. Die Eignung der entwickelten Materialen und Isoliertechnologien wird mittels experimenteller Untersuchung an Versuchsmustern und Demonstratoren nachgewiesen. Numerische Modelle dienen dem Aufzeigen der Wirksamkeit der entwickelten Werkstoffe und Technologien. Sie bilden die Basis für die Ableitung analytischer Modelle zur praxisnahen Berechnung der Temperaturverteilung in elektrischen Wicklungssystemen mit gefüllten Isolierwerkstoffen.

Projektziel ist die Anhebung des Wirkungsgrades elektrischer Maschinen mittlerer Leistungsklasse, die der Energieeffizienzklassifizierung unterliegen, um bis zu 1 % (Energieeffizienz). Bei hochausgenutzten elektrischen Antrieben, beispielsweise für den Einsatz in der Elektromobilität, wird eine Steigerung der Leistungsdichte um mindestens 10 % angestrebt (Materialeffizienz). Der Nutzen für die beteiligten KMU ergibt sich aus der Verbesserung der Wettbewerbsposition bei der Herstellung energieeffizienter bzw. hochausgenutzter Elektromaschinen und der Möglichkeit einer Erweiterung des Produktspektrums. Darüber hinaus wird eine engere Vernetzung zwischen KMU und Großunternehmen angestrebt.

Ergebniszusammenfassung:

Bei der Auslegung elektrischer Maschinen besteht ein Ziel in einer hohen elektromagnetischen Ausnutzung. Diese ist im Wesentlichen durch eine Steigerung des Stroms in der Wicklung erreichbar. Anwendungsgrenzen resultieren aus der maximal zulässigen Temperatur der Isolierwerkstoffe. Im Projekt InnoWiIso wurde die Entwicklung und Charakterisierung keramikähnlicher Polysiloxan-Kompositwerkstoffe gesteigerter thermischer Leitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit für die Beschichtung von Elektroblechpaketen und die Imprägnierung der Wicklung elektrischer Maschinen untersucht und praktisch erfolgreich erprobt.

Im Ergebnis des Forschungsprojektes konnte aufgezeigt werden, dass keramikähnliche Kompositsysteme auf der Basis gefüllter Polysiloxane für die Isolation der Wicklung elektrischer Maschinen prinzipiell geeignet sind. Die Steigerung der spezifischen thermischen Leitfähigkeit des Imprägniermittels auf einen Wert λ > 1 W/(m∙K) bewirkt eine zwei- bis dreimal höhere äquivalente Ersatzwärmeleitfähigkeit des Wicklungsverbundes im Vergleich zu herkömmlich eingesetzten Imprägniermitteln.

Bei der ursprünglich geplanten Hauptisolation von Blechpaketen durch Spritzgussummantelung mit silikonharzbasierten Kompositen stellten sich grundsätzliche Probleme hinsichtlich der mechanischen Stabilität und Gestaltung dünnwandiger Schichten heraus, sodass hier ein alternativer Lösungsansatz mittels Verarbeitung durch eine Tauch- bzw. Streichbeschichtung entwickelt und erfolgreich erprobt wurde.

Anhand der experimentellen Vergleichsuntersuchung einer hochausgenutzten permanentmagneterregten Synchronmaschine für den Einsatz in einem Elektrozweirad konnte nachgewiesen werden, dass mit dem keramikähnlichen Isoliersystem die Wicklungstemperatur um bis zu 58 % reduziert und damit die Leistungsdichte um bis zu 44 % erhöht werden kann. Anwendungsmöglichkeiten liegen in hochausgenutzten elektrischen Antrieben bspw. für elektrische Fahrzeuge, elektrisches Fliegen oder Werkzeugmaschinen.