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Die Power hinter der Elektromobilität
Neben der Antriebsbatterie und der Leistungselektronik gehört auch der Motor zu den wesentlichen Bestandteilen eines Elektrofahrzeugs. Im Betrieb erreicht er Temperaturen von bis zu 200 °C, wodurch hinsichtlich der verbauten Materialien neue Herausforderungen entstehen. Silicone sind die perfekte Lösung, da sie mechanisch und thermisch hoch belastbar sind und dadurch für maximale Betriebssicherheit sorgen.
In konventionellen Fahrzeugen erzeugt der Verbrennungsmotor das notwendige Drehmoment. In Elektrofahrzeugen kommen stattdessen Drehstrommotoren zum Einsatz, die trotz kompakter Bauweise und ihres geringen Gewichts hohe Leistungen erzielen. Dabei handelt es sich in der Regel um einen sogenannten Innenrotor, der auf einer Welle montiert ist. Der Rotor dreht sich im Inneren des Stators, der als Hohlkörper ausgeführt ist. Der Stator (d. h. der feststehende Geräteteil) ist fix im Motorgehäuse verbaut, wohingegen der Rotor drehbar gelagert ist. Das Gehäuse wird in der Regel aktiv gekühlt.
Ein Blick ins Innere des Elektromotors
Siliconprodukte sind in Blau dargestellt.
Wicklungsimprägnierung mit Siliconharzen
Vergossener Wicklungsstecker mit Ring, Anschlussbox
Vergossener Wicklungsstecker mit Ring, Anschlussbox
Wicklungsimprägnierung mit Siliconharzen, vergossene Wicklung
Aktivkühlung mit Siliconöl
So funktioniert ein Elektromotor
Schematischer Querschnitt eines permanenterregten Synchronmotors
Die wichtigsten Komponenten des Stators sind das Blechpaket bzw. der Kern (ringförmiger Stapel aus gestanzten Blechteilen mit nach innen gerichteten Nuten) und ein System aus Wicklungen, die sich in den Nuten befinden. Diese Spulen bzw. Wicklungen werden mit Drehstrom versorgt. Dadurch erzeugen sie ein magnetisches Drehfeld, das im Inneren des Stators permanent um die eigene Achse rotiert. Die am Rotor angebrachten Dauermagneten erzeugen ein Dauermagnetfeld, das dem Drehfeld im Stator folgt. Dadurch werden Rotor und Motorwelle in Drehung versetzt. Die Motordrehzahl wird durch die Frequenz und das Drehmoment durch die Amplitude des Drehstroms bestimmt.
So funktioniert ein Elektromotor
Die wichtigsten Komponenten des Stators sind das Blechpaket bzw. der Kern (ringförmiger Stapel aus gestanzten Blechteilen mit nach innen gerichteten Nuten) und ein System aus Wicklungen, die sich in den Nuten befinden. Diese Spulen bzw. Wicklungen werden mit Drehstrom versorgt. Dadurch erzeugen sie ein magnetisches Drehfeld, das im Inneren des Stators permanent um die eigene Achse rotiert. Die am Rotor angebrachten Dauermagneten erzeugen ein Dauermagnetfeld, das dem Drehfeld im Stator folgt. Dadurch werden Rotor und Motorwelle in Drehung versetzt. Die Motordrehzahl wird durch die Frequenz und das Drehmoment durch die Amplitude des Drehstroms bestimmt.
Schnellere Fertigung dank Hairpin-Wicklung
Die verbauten Wicklungen können verschieden ausgelegt sein. Das konventionelle Fertigungsverfahren ist die (eher komplexe) Wellenwicklung mit Kupferrunddraht. Der aktuelle Trend geht allerdings in Richtung Hairpin-Technologie. Dabei werden die Wicklungen aus dünnen Segmenten geformt, die aus Kupfer-Rechteckdraht bestehen. Die Segmente werden ähnlich wie Haarnadeln in Form gebogen, in die Nuten im Blechpaket eingebracht und gemäß einem vorgegebenen Fertigungsmuster verlötet. Die Hairpin-Technologie eignet sich für zeitoptimierte Verfahren in der Großserienfertigung.
Schlüsselfaktor Wärmeableitung
Im Betrieb entsteht in den Wicklungen und dem Blechpaket des Stators Wärme. Diese Wärme muss aus mehreren Gründen abgeführt werden: Zum einen gilt es, den auf die Statorwicklungen aufgetragenen Drahtlack vor thermischer Alterung zu schützen. Zum anderen enthalten permanenterregte Synchronmotoren magnetische Materialien aus Seltenerdmetallen, die bei Temperaturen über 130 °C ihre Magnetisierung verlieren können. Außerdem kann die aus dem Elektromotor abgeführte Wärme problemlos an anderer Stelle genutzt werden, beispielsweise zur Beheizung des Fahrgastraums und der Windschutzscheibe. Dadurch wird nicht nur die Batterie geschont, sondern auch die Reichweite verlängert – besonders in der kalten Jahreszeit.
Siliconlösungen zur Optimierung von Elektromotoren
Im Bereich der Wärmeableitung verfolgen die Hersteller von Elektromotoren zurzeit mehrere Ansätze. Es bleibt abzuwarten, welcher davon sich letztlich durchsetzen wird. Es ist jedoch klar, dass wärmeleitfähige Siliconprodukte für diese Anwendungen eine wichtige Rolle spielen können. Derzeit wird etwa geprüft, ob sich wärmeleitfähige Silicon-Vergussmassen wie die Reihe ELASTOSIL ® RT 7xx TC für die Abfuhr von Wärme entlang der Kupfer-Hairpins zu den Kühlkörpern eignen.
Aktuell wird auch der Einsatz hitzebeständiger Siliconöle zur aktiven Kühlung des Elektroantriebs erwogen. Chemisch stabile, nicht brennbare Siliconöle wie POWERSIL ® Fluid TR 50, das schon seit langem zur Kühlung von Transformatoren eingesetzt wird, haben gegenüber herkömmlichen Wasser-Glykol-Gemischen zur Kühlung moderner Verbrennungsmotoren den Vorteil, dass sie elektrisch nicht leitend sind. Außerdem bleiben sie bis -50 °C fließfähig und können dadurch auch bei einem Kaltstart im tiefsten skandinavischen Winter eine optimale Kühlung gewährleisten.
Das Produktangebot von WACKER zur Optimierung von Elektromotoren umfasst auch die als Ein- oder Zwei-Komponenten-Lösungen erhältlichen Siliconharze SILRES ® H 60 C und H 62 C. Beide Produkte eignen sich ideal für die Imprägnierung von Wicklungen in Motoren und Generatoren. Sie ermöglichen die Hydrophobierung poröser Werkstoffe und dienen als Bindemittel für Verbundmaterialien aus Faserfüllstoffen und Geweben sowie Einlagerungsmaterial aus Web- und Vliesstoffen. Diese Spezialprodukte sind bei 60 °C niedrigviskos, sodass sie einfach in die Hohlräume zwischen Hairpins und Blechpaket geträufelt werden können. Die wärmeleitfähige Variante SILRES ® H 68 TC kann zudem thermische Energie im Umfang von 1,1 W/mK abführen.