14.10.2022 Intelligentes Wärmemanagement für E-Motoren

Die geforderte Leistung trotz des limitierten Bauraums in Fahrzeugen zu ermöglichen, ist eine Herausforderung in der Entwicklung von E-Motoren. Vor allem, wenn es um Motoren im hohen Leistungsbereich geht, bei denen deutlich mehr Wärmeenergie in der Statorwicklung entsteht. Um einem Leistungsabfall des Motors durch zu hohe Betriebstemperaturen entgegenzuwirken, ist ein ausgefeiltes Wärmemanagement des Motors nötig. Dazu hat Wevo speziell auf Elektromotoren abgestimmte Vergussmassen für den Vollverguss von Statoren sowie den Verguss von Wickelköpfen entwickelt.

Beim Verguss von Wickelköpfen wird mithilfe eines wärmeleitfähigen Vergussmaterials die thermische Anbindung der Wickelköpfe an das Statorgehäuse sichergestellt. Dadurch ist eine effiziente Ableitung der entstehenden Wärme möglich – dies ist besonders wichtig, da die im Stator entstehende Verlustwärme in den Wickelköpfen anteilig am größten ist. Zusätzlich bewirkt ein Verguss am Wickelkopf, dass die Schweißkontakte elektrisch isoliert, Lötstellen gegen Vibrationen und Schweißkontaktstellen vor Korrosion geschützt werden. Darüber hinaus wird durch die geringeren Abstände der einzelnen Schweißkontakte des Wickelkopfes eine Reduktion der Nuten, der sogenannten Winding-Slots, möglich.

Auch ein Vollverguss des Stators bewirkt eine gezielte Ableitung der entstehenden Wärmeverluste durch die Anbindung der Statorwicklung an das Statorgehäuse. Somit bietet ein Vollverguss eine Alternative zu herkömmlichen Kühlmöglichkeiten, wie der direkten Kühlung der Blechpakete oder innengekühlten Kupferdrähten bzw. -leitungen. Durch den Wegfall des flüssigen Kühlmediums in Verbindung mit einem verbesserten Wärmemanagement kann zudem die Bauteilgröße reduziert werden, was eine Einsparung von Rohstoffen wie Kupfer ermöglicht. Zusätzlich ist ein Schutz vor Vibrationen innerhalb des Stators gegeben, was zur Vermeidung von potenziellem Verschleiß, Rissen in der Primärisolierung sowie Kurzschlüssen innerhalb der Wicklungen beiträgt. Darüber hinaus reduziert der Vollverguss des Stators hochfrequente Geräusche, die beim Betrieb des E-Motors auftreten und für den Fahrer störend sein können.

Die  Materialien auf Basis von Epoxidharz und Silikon bieten eine sehr gute Beständigkeit gegenüber den hohen Betriebstemperaturen von bis zu 180 °C im Dauergebrauch, die insbesondere bei E-Motoren im hohen Leistungsbereich vorherrschen. Darüber hinaus verfügen sie auch über einen hohen Füllstoffgehalt und können dadurch nicht nur eine hohe thermische Wärmeleitfähigkeit vorweisen, sondern auch einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten. In Kombination mit der daraus resultierenden guten Rissbeständigkeit können die Materialien den anspruchsvollen Anforderungen von Thermoschocktests gerecht werden, bei denen durch kurzfristige starke Temperaturwechsel Bauteile gezielt unter Stress gesetzt werden. Auch gegenüber Chemikalien wie Kühlmedien und ATF-Ölen sind die Materialien resistent – die Epoxidharz-Systeme verfügen zudem über eine sehr gute Adhäsion gegenüber Metallen. Durch die spezielle Auswahl der Füllstoffe in den Epoxidharz- und Silikon-basierten Vergussformulierungen wird zudem die Bildung von Rissen über den gesamten Lebenszyklus vermieden.

Im Produktionsprozess kommt es vor allem im Automobilbereich auf schnelle Taktzeiten an, die durch das angepasste Fließverhalten sowie eine schnelle Aushärtung der Materialien ermöglicht werden. Die gute Fließfähigkeit stellt ein lunkerfreies Ausfüllen von Spalten sicher – besonders bei einem Verguss unter Vakuum. Dies ermöglicht einen vollständigen Verguss von Kupferwicklungen und Hairpins. Die Materialien verfügen trotz ihres sehr hohen Füllgrades über ausgezeichnete Fließeigenschaften und füllen auch designbedingte kleinste Spaltmaße. Dadurch wird ein wesentlicher Beitrag zur Vermeidung von Teilentladungen und elektrischen Durchschlägen geleistet. Nach dem eigentlichen Verguss härten die Materialien je nach individuellen Anforderungen aus, was eine schnelle Weiterverarbeitung gewährleistet.

Neben E-Motoren im Hochleistungsbereich ist eine kundenindividuelle Anpassung der Materialien für Hilfsaggregate von elektrischen Motoren oder autonomen Fahrzeugen möglich – dazu gehören z.B. Steuergeräte. Batteriemanagementsysteme oder On-Board-Charger. Darüber hinaus können weitere Komponenten des E-Antriebsstrangs, wie Batterien oder Inverter, genauso wie Leistungselektronik im Allgemeinen, mit den beschriebenen Produkten vergossen werden.