16.09.2021 Neue thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Werkstoffe

In elektrischen Bauteilen und Systemen kommen häufig Kunststoffe zum Einsatz. Bei der Materialauswahl gilt es, bestimmte Vorgaben und Anforderungen wie Temperaturbeständigkeit, Entflammbarkeit, Wärmeleitfähigkeit, Flexibilität sowie weitere mechanische Eigenschaften zu berücksichtigen. Darüber hinaus muss das Material aus Sicherheitsgründen einen guten elektrischen Widerstand für die Isolierung des Systems aufweisen. Im Allgemeinen bieten Kunststoffe einen guten elektrischen Widerstand, sind jedoch im Vergleich zu Metallen schlechte Wärmeleiter. Verluste z.B. durch Reibung sowie die Windungen und Wicklungen des Kupferdrahts können in Elektromotoren unerwünschten Wärmestau und in der Folge überhöhte Temperaturen verursachen. Das optimale Material sollte daher sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine gute elektrische Isolierung aufweisen, um die Motorleistung zu optimieren.

Basierend auf den Erfahrungen mit Polymerwerkstoffen wurde daher eine neue Materialfamilie entwickelt, die direkt auf die Anforderungen für den Einsatz im E-Motor zugeschnitten ist. Bei der Entwicklung der neuen TCEI-Werkstoffe (Thermally Conductive, Electrically Insulating – TCEI) konzentrierte man sich  auf technische Polymere, die als Spulenkörper oder Schlitzauskleidungen verwendet werden. Spulenkörper isolieren in erster Linie den Schlitz zwischen der Motorwicklung und der Magnetplatte, dienen aber auch als Kern für die Statorwicklungen. Sie tragen zur Formstabilität bei, sorgen für Steifigkeit und erleichtern die Montage der Wicklungen auf dem Statorkern. Zudem schützen Spulenkörper die Wicklungen vor Beschädigungen und Vibrationen während der Montage und des Betriebs.

Die technischen Eigenschaften von Kunststoffen werden stark von Füllstoffverstärkungen beeinflusst. Während ungefüllte Polymere i.d.R. eine Wärmeleitfähigkeit von ~0,2 W/m/K aufweisen, kann der richtige Füllstoff diesen Wert um ein Vielfaches erhöhen. Entwickelt wurde eine Reihe von Materialtypen, mit deren Hilfe man maßgeschneiderte Lösungen für die jeweiligen Anwendungsanforderungen anbieten kann. Jeder Typ bietet je nach Füllstoff eine einzigartige Mischung aus Materialeigenschaften (Zugfestigkeit und Dehnungseigenschaften) und physikalischen Eigenschaften (elektrische und thermische Eigenschaften). Umfangreiche Materialtests haben die wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften bestätigt. Der höhere Füllstoffgehalt der neuen TCEI-Werkstoffe führt zu einem steifen Material, das mit dünneren Querschnitten geformt werden kann. Auf diese Weise sind feinere Konstruktionsdesigns mit geringerem Materialeinsatz möglich.