Der Stator ist der feststehende Teil eines Elektromotors. Er erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das den drehenden Anker (Rotor) antreibt. Der Kern des Stators ist aufgebaut aus hochwertigen legierten Stahlblechlamellen, in dem Rund- oder Flachdrahtleiter in Nuten gewickelt werden. Sobald die Wicklung des Stators fertiggestellt ist, wird sie in der letzten Herstellungsphase durch ein Imprägnier- Vergussverfahren zu einem Block verklebt. 
 
Weitere Vorteile, die sich aus dem Imprägnier- oder Vergussverfahren ergeben, sind die Füllung von Hohlräumen in der Wicklung, ein verbesserter Wärmefluss, höhere chemische Beständigkeit sowie Schutz gegen Umwelteinflüsse, mechanische Abnutzung und Beschädigung. Das Verfahren gewährleistet also:

• elektrische Isolierung
• Schutz gegen Chemikalien
• Schutz gegen mechanische Belastungen

Verarbeitungsmethoden
Die Methoden, mit denen die Imprägnier- oder Gießharze aufgetragen werden, sind recht unterschiedlich. In jedem Fall muss das Verfahren sicherstellen, dass die gewickelten Spulen in den Nuten vollständig gesättigt und frei von Hohlräumen sind. 
 
Imprägnierverfahren
Es gibt mehrere Verfahren, mit denen Imprägnierharze aufgetragen werden können, abhängig von den Abmessungen des Stators und der Produktionsrate. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die verschiedenen Imprägnierverfahren.

_{* Vakuumdruckimprägnierung}

Vergussverfahren
Auch bei dem Verguss gibt es eine große Bandbreite an Verfahrensvarianten. Gemeinsam ist allen, dass der Stator in eine Form gelegt und Harz über den Wickelkopf gegossen wird. Nach Eindringen des Harzes in die gewickelten Spulen folgt ein Gelier- und Aushärtungsprozess. Die Aushärtung kann bei Raumtemperatur oder bei höheren Temperaturen in einem Ofen erfolgen. Durch Anlagen eines Unterdrucks lassen sich ausgezeichnete, hohlraumfreie Ergebnisse erzielen.

Vorteile und Nachteile der Verguss - und Imprägnierverfahren

Spezielle Anforderungen bei eMobility-Anwendungen
Bei Motoren für Elektrofahrzeuge werden gegensätzliche Anforderungen an die Elektroisolierung gestellt. Diese Motoren müssen für kurze Zeit ein hohes Drehmoment und für längere Zeit ein niedriges Drehmoment liefern. Sie sind sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt, müssen unempfindlich gegenüber Öl, Wasser und (im Winter) Streusalz sein und über die gesamte Lebensdauer zuverlässig funktionieren. Die Elektroisolierung muss so widerstandsfähig sein, dass sie hohen Temperaturen und Chemikalien standhält, aber auch ein gewisses Maß an Flexibilität aufweist, um Temperaturwechseln und mechanischer Belastung der Wicklungen durch das vom Motor generierte Drehmoment standzuhalten.

ELANTAS bietet ein umfangreiches Portfolio an Hochleistungs-Isolierwerkstoffen für die Statorimprägnierung oder –verguss, das alle zentralen Anforderungen erfüllt:

• Hohe chemische Resistenz
• Temperaturwechselbeständigkeit
• VOC-freie Produkte
• Unterstützung aller Verarbeitungsverfahren
• Hoch wärmeleitende Materialien
• Teilentladungswiderstand

Die folgende Tabelle fasst die weltweit erhältlichen ELAN-drive Produkte von ELANTAS für eMobility-Anwendungen zusammen: 

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Rotoren für Elektroautos werden besonders dann, wenn eine höhere Leistungsdichte erforderlich ist, als gewickelte Rotoren oder Permanentmagnetrotoren (PM) ausgeführt. Je nach Rotortyp und gewählter Verfahrenstechnik sind unterschiedliche Materialien erforderlich.

ELANTAS bietet für alle Arten von Rotoren und Verfahrenstechniken das optimale Material zur Stabilisierung des Rotors gegen extreme Fliehkräfte. 

ELANTAS-Produkte zeichnen sich in EV-Motoren durch überlegene Eigenschaften aus:

• Verbundfestigkeit bei hoher Drehzahl
• Temperaturwechselbeständigkeit
• Temperaturmanagementunterstützung
• Beständigkeit gegen chemisch aggressive Öle und Kühlflüssigkeiten

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Verfahrenstechniken und Produkte bei der Herstellung gewickelter Rotoren für Elektromotoren:

Permanentmagnet-Motoren

Anstelle von Spulen verwenden Permanentmagnet-Motoren starke Magnete für das Rotorelement, die das Magnetfeld erzeugen. Diese Magnete müssen fest mit dem Stahlblechpaket oder Gehäuse des Rotors verbunden sein. Die Anordnung der Magnete variiert je nach Motorkonstruktion. Mitunter sind die Magnete in Taschen im Blechpaket des Rotors untergebracht, die mit dünnflüssigem Klebstoff verfüllt werden. In anderen Fällen sind die Magnete an der Außenseite des Rotors befestigt, was natürlich eine andere Haftstärke und Viskosität des Klebstoffs erfordert. In der Regel sollte die maximale Betriebstemperatur der Magnete 80° Celsius nicht überschreiten. Für spezielle High-End-Anwendungen in der Automobilindustrie werden Rotoren bis 150° C getestet.

ELANTAS-Produkte zur Magnetbefestigung

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Elektromotoren für eMobility-Anwendungen müssen mehr Leistung und ein höheres Drehmoment liefern, sollen aber gleichzeitig so kompakt und leicht wie möglich sein. Erreicht werden kann dies durch eine Erhöhung des Kupferfüllfaktors in den Nuten des Stators. Deshalb werden in neuen Motoren, insbesondere im Premiumbereich, Flachdrähte verwendet. 

Hairpin-Technologie
Während runde Drähte in die Nuten gewickelt werden, müssen Flachdrähte mit der i-Pin- oder Hairpin-Technik in den Stator eingeführt werden und erfordern ein- oder beidseitiges Schweißen der Kupferstiftverbindungen mit anschließender Isolierung der geschweißten Stifte. Hierfür können verschiedene Verfahren eingesetzt werden: 

• Epoxid-Pulverbeschichtung
• Vergießen
• Imprägnieren

ELANTAS-Lösungen zum Schutz von Hairpin-Motoren sparen Zeit und Geld

Weil Epoxid-Pulverbeschichtung einen zusätzlichen Verfahrensschritt erfordert, hat ELANTAS Isolierstoffe im Angebot, die in einem Schritt und mit ähnlichen wie den heute verwendeten Verarbeitungsanlagen aufgebracht werden können. Mit ELANTAS-Lösungen lassen sich weitere Prozessvorteile wie geringere Investitionen und kürzere Durchlaufzeiten realisieren. 

Im Vorfeld der Entwicklung neuer Isolierstoffe für den Hairpin-Schutz wurden umfangreiche Studien mit verschiedenen elektrisch isolierenden Materialien und Anwendungsverfahren durchgeführt (Link). Die daraus hervorgegangenen ELANTAS-Produkte zeichnen sich aus durch:

• Hervorragende Kantenabdeckung
• Ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit
• Ölbeständigkeit
• Unterstützung konventioneller Anwendungsverfahren

Da weitere Anforderungen, die sich aus der Motorkonstruktion und den Betriebsbedingungen ergeben, berücksichtigt werden müssen, können Kunden durch eine individuelle technische Beratung in der Design-, Test- und Produktionsphase von unserem umfangreichen Know-how profitieren.

Die folgende Tabelle zeigt die am häufigsten verwendeten ELAN-drive Produkte für Hairpin-Schutz:

Um in einem Elektromotor ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, braucht man eine leitende Spule, bei der jeder Leiter elektrisch isoliert sein muss. Bei Nieder- und Mittelspannungsmotoren wird die elektrische Isolierung – auch als Primärisolierung bezeichnet – durch das Aufbringen von Isolierlack in mehreren Durchgängen hergestellt. Daraus entsteht ein Wickeldraht. Wickeldrähte können rund oder rechteckig (flach) sein und haben folgende Eigenschaften:

• Sehr gute dielektrische Eigenschaften
• Hohe Wärmebeständigkeit
• Chemische Beständigkeit
• Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften

Verarbeitungsmethoden
Motorspulen werden in der Regel auf Hochgeschwindigkeits-Wickel- oder -Einlegemaschinen hergestellt. Hersteller von Elektromotoren müssen aus Kostengründen so rasch und effizient wie möglich produzieren. Um sicherzustellen, dass die Spulen dicht gewickelt und kompakt sind, wird der Magnetdraht in die Nuten gezogen oder gefädelt, wodurch eine sehr hohe Kraft auf den Draht und die Primärisolierung ausgeübt wird. Die gewickelten Spulen werden mitunter noch einem Formgebungs­verfahren unterzogen, bei dem ebenfalls mechanische Kräfte auf den Magnetdraht einwirken.

Anforderungen für eMobility-Anwendungen
Wickeldrähte für Elektromotoren müssen hervorragende thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Form des Wickeldrahts ist – abhängig vom Motordesign – entweder rund oder rechteckig. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Hochspannungs- und Hochleistungs­motoren werden immer häufiger Profil- oder Flachdrähte mit höherem Füllfaktor verwendet. 

Runddraht muss einer Hochgeschwindigkeitswicklung standhalten. Da die Wicklung auch Teil­entladungen ausgesetzt sein kann, bietet ELANTAS spezielle korona- und teilentladungsbeständige Isolierlacke. Für Wicklungen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, stehen Polyamidimid- und Polyimid-basierte Lösungen zur Verfügung, die auch mit koronabeständigen Eigenschaften kombinierbar sind.

Für Profil oder Flachdraht hat ELANTAS spezielle Produkte mit herausragenden Eigenschaften entwickelt:

• Hohe Konformität (Kantenabdeckung)
• Schichtdicke bis zu 150 µ
• Koronabeständigkeit
• Hohe Flexibilität
• Gute Haftung auf Leiter und Sekundärisolierung

ELANTAS bietet ein umfangreiches Portfolio an Hochleistungs-  Drahtlacken, das alle Anforderungen erfüllt. Mit den Primern und selbstschmierenden Lacken von ELANTAS lassen sich weitere Drahtstrukturen realisieren und die Leistung auf ein noch höheres Niveau steigern.

Die folgende Tabelle fasst die weltweit erhältlichen ELAN-drive Produkte von ELANTAS für eMobility-Anwendungen zusammen: 

 ^{*Um die Eigenschaften des Wickeldrahts zu optimieren, werden verschiedene Drahtlacke kombiniert. Polyester- oder Polyamid-basierte Lacke mit Polyamidimid- Deckschicht haften besonders gut und bieten ausgezeichnete dielektrische und thermische Eigenschaften. Der thermische Index einer solchen Kombination liegt bei über 220 °C (EIC und ASTM).} 

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In jüngster Zeit sind Teilentladungen bei Niederspannungsmotoren zu einem Problem geworden, insbesondere im Bereich der Elektromobilität. Diese Motoren arbeiten mit variabler Drehzahlregelung (VSD). Dabei wird die Motordrehzahl über hochfrequente Rechteckwellen im Gegensatz zu den üblichen Sinuswellen geregelt. Die Frequenzen liegen oft bei bis zu 20 kHz – normalerweise sind es 50 oder 60 Hz. VSD passen die Drehzahl mittels Wechselrichter an, was große Vorteile bietet, z. B. einen hohen Wirkungsgrad und eine schnelle, präzise Drehzahlregelung.

Wechselrichter können allerdings zu Problemen wie Spannungsüberschwingungen und reflektierten Wellen führen:

• Spannungsüberschwingungen können unterschiedlich stark ausgeprägt sein, bauen sich aber häufig sehr schnell auf.
• Reflektierte Wellen sind eine Folge fehlangepasster Impedanz.

Die reflektierte Welle addiert sich mit einer anderen eintreffenden Welle, was zu einer Wellenform führt, die dem Doppelten der erwarteten Spannung entspricht. Da die Anstiegszeit dieser reflektierten Wellen kurz ist, bleibt nicht genügend Zeit, um die Energie auf die Wicklungen des Motors zu verteilen. So entsteht eine hohe Windungsspannung zwischen benachbarten Litzen des Magnetdrahts. Diese Spannungen können Teilentladungen in den Wicklungen des Motors erzeugen.

Eine Teilentladung ist definiert als „eine elektrische Entladung, die den Raum zwischen zwei leitenden Elektroden nicht vollständig überbrückt“. Zu solchen Teilentladungen kann es in Bereichen mit Hohlräumen, Rissen oder Fehlstellen kommen.

Sie führen zu einer Beschädigung des Isoliersystems.

Schutz durch Verguss
ELANTAS bietet ein vollständiges Spektrum an Isoliermitteln, mit denen sich die Lebensdauer von Elektromotoren unter dem Einfluss von Spannungsspitzen oder Teilentladungen verbessern lässt.

Eine Lösung für das Problem der Teilentladung besteht darin, das Eindringen von Luft zu verhindern. Der vollständige Verguss des Motors mit ELAN-tron^® MC 62/W363 oder ELAN-tron^® MC 622/W363 ist eine gute Möglichkeit, dies zu realisieren.

Schutz mit dem Co-Shield^® System
Wenn auf einen vollständigen Verguss verzichtet wird, ist das Co-Shield^® System die beste Alternative. Durch die Kombination von Drahtlacken, den oben beschriebenen Imprägnierharzen (gegebenenfalls mit Koronaschutz) und flexiblen Isolierwerkstoffen wie ELAN-Film wird eine hervorragende Teilentladungsfestigkeit erreicht.

Der positive Einfluss von ELANTAS-Drahtlacken auf die Lebensdauer wurde in Impuls-Dauertests nachgewiesen. Hierzu gehören die Produkte Corona Clear und Allotherm CR sowie Tongmid CR.

Bei den Imprägnierharzen hat Corona Protect^® 82-80A3 gezeigt, dass es die Lebensdauer von EV-Motoren, insbesondere für Elektrofahrzeuge, verlängert.