Neues Isoliersystem für effizientere elektrische Maschinen

Wicklungen aus elektrisch leitendem Draht sind essenziell für die Erzeugung des Magnetfelds, das den Motor antreibt. Die elektrischen Leiter aus Kupfer- oder Aluminiumdraht werden klassisch mit polymeren Lacken isoliert, die eine sehr hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisen, aber den Nachteil haben, dass sie gleichzeitig auch stark thermisch isolieren und sich die Wicklungen stark erhitzen. Die Erwärmung verringert die Effizienz. Um eine gewünschte Leistung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu erreichen, müssen die Maschinen damit insgesamt grösser gebaut werden.

«Ziel des Klima-Projekts ist es, die bisher eingesetzten organischen Stoffe zur Leiterisolation durch eine keramikähnliche Beschichtung aus Aluminiumoxid zu ersetzen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt», sagt Professor Thomas Schuhmann von der Fakultät Elektrotechnik, der das Forschungsvorhaben an der HTW Dresden leitet. «Die Steigerung der thermischen Leitfähigkeit verbessert die Wärmeabgabe und sorgt so für einen höheren Wirkungsgrad.» Zum Vergleich: Die thermische Leitfähigkeit von klassischem Isolierlack beträgt etwa 0,1 bis 0,2 W/(m·K), bei der Isolation mit Aluminiumoxid liegt der Wert zwischen 3 und 4, ist also um mehr als das Zehnfache besser.

Ein weiterer Vorteil der keramikähnlichen Isolation ist die höhere Hitzebeständigkeit der Wicklungen. Sie hält Temperaturen über 300°C stand, was besonders für zukünftige Antriebe in der E-Aviation von Bedeutung ist.

Die isolierende Aluminiumoxidschicht auf dem Leiterdraht wird in einem elektrochemischen Prozess durch Anodisierung erzeugt. Die HTW Dresden und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) entwickeln gemeinsam 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.

Basierend auf den Testergebnissen wird der Beschichtungsprozess am IKTS optimiert. Prüfung und Anpassung erfolgen in mehreren Zyklen mit der Zielsetzung, die möglichst gleiche elektrische Durchschlagsfestigkeit zu erreichen wie die Lackisolation.

Für Aluminiumdrähte ist die Prozessentwicklung etwas einfacher als bei Kupfer, bei denen eine direkte Anodisierung nicht funktioniert. Auf dem Kupferdraht wird zunächst eine Aluminiumschicht abgeschieden und diese dann in einem weiteren Schritt oxidiert. Eine Anwendung der Beschichtungstechnologie auf Läuferstäbe oder Blechpakete von Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer ist ebenfalls denkbar und wird im Rahmen des Projektes getestet.