Bei der Auslegung eines Elektromotors kommt es auf viele Faktoren an, um für die jeweilige Anwendung die bestmögliche Konfiguration festzulegen. In diesem Beitrag beleuchten wir, welchen Einfluss die Isolation der Wicklung für die Performance, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit eines Motors hat. Als Bindeglied zwischen elektrischer Sicherheit und thermischer Belastbarkeit ist die Isolation weit mehr als nur ein „Schutzmantel“.
Ein robustes Isolationssystem ist mehrstufig aufgebaut, um unterschiedliche Fehlerszenarien abzusichern. Die Primärisolation bildet die erste Barriere direkt am Kupferleiter. Ihre Aufgabe ist es, Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Windungen innerhalb einer Nut zu verhindern. Bei der Sekundärisolation handelt es sich um ein umfassendes Schutzsystem, das die bereits isolierten Drähte zusätzlich gegen das Elektroblech (die Nutwand) abschirmt. Bei mehrsträngigen Wicklungen kommen darüber hinaus Phasentrenner zum Einsatz, um die Phasen oder Wicklungsstränge besser untereinander zu isolieren. Zudem benötigen die Anschlussleitungen aus dem Klemmbrett heraus eine gesonderte Isolation.
Zielkonflikt: Kupfer vs. Isolation
Wünschenswert ist bei der Auslegung ein hoher Nutfüllfaktor, der sich aus dem Verhältnis von Kupfer und Isolationsmaterial in der Nutfläche berechnet. Das Ziel ist, möglichst viel Kupfer in der Nut unterzubringen, um ohmsche Verluste zu minimieren und den Wirkungsgrad zu steigern. Hier entsteht ein physikalischer Konflikt: Jeder Mikrometer an zusätzlichem Isolationsmaterial reduziert den verfügbaren Platz für das leitende Kupfer. Unsere Aufgabe in der Auslegung ist es, genau jenes Maß an Isolation zu definieren, das die Betriebssicherheit gegen Überschläge garantiert, ohne die Performance durch einen zu geringen Kupferanteil zu schwächen.
Isolation im Detail bei einer Zweischichtwicklung: Nutgrundisolationspapier (Nutkasten), Deckschieber und Zwischenstreifen.
Die Rolle der Temperaturklassen
Die Lebensdauer und Performance eines Motors ist direkt an die Betriebstemperatur gekoppelt. Motoren werden in verschiedene Temperaturklassen mit einer jeweiligen Höchsttemperatur eingeordnet, die nicht überschritten werden darf. Sie setzt sich aus der maximalen Umgebungstemperatur am Einsatzort des Kunden und der betriebsbedingten Eigenerwärmung des Motors aufgrund der zu erwartenden Verlustleistung zusammen. Eine präzise kundenseitige Angabe der Einsatzbedingungen inklusive der Umgebungstemperaturen ist daher essenziell. Mit der Zuordnung einer Temperaturklasse geht auch die Festlegung der Isolierstoffklasse nach DIN EN 60085 einher, die die thermische Beständigkeit von Isolierstoffen beschreiben. Entsprechend der Temperaturklasse muss auch die Isolierstoffklasse mit einer zulässigen Höchsttemperatur für die Isolierung des Motors festgelegt werden.
Herausforderung Umrichterbetrieb: Schutz vor Teilentladungen
Moderne Antriebe werden häufig über Frequenzumrichter gesteuert. Ein Umrichterbetrieb bringt jedoch eine spezifische Belastung mit sich: hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten. Diese können zu sogenannten Teilentladungen führen. Die winzigen Entladungsfunken verursachen über die Zeit eine schleichende chemische und mechanische Erosion des Materials. Für einen dauerfesten Umrichterbetrieb muss die Primärisolation daher explizit auf diese dynamischen Spannungsspitzen abgestimmt sein, um einen Durchschlag der Wicklungsisolierung langfristig zu vermeiden.
Isolation als Schlüssel für Leistung und Beständigkeit
Eine gute Wicklungsisolation ist einer der Kernpunkte unserer Motorauslegung. Die sorgfältige Abstimmung zwischen Materialstärke, thermischer Beständigkeit und elektrischer Belastbarkeit ist der Schlüssel für Motoren, die auch unter extremen Bedingungen ihre Leistung dauerhaft abrufen.