Die stille Evolution: Flächenisolierstoffe im modernen Hochleistungselektromotorenbau

Wenn Entwickler über die nächste Motorengeneration sprechen, dominieren Permanentmagnete aus Seltenerdmetallen, hochwertige Elektrobleche mit minimalen Ummagnetisierungsverlusten und optimierte Rotorgeometrien die Diskussion. Doch im Verborgenen, in den Nuten des Stators, an den Wickelköpfen und unter den Deckeln der Nutöffnungen, findet eine ebenso entscheidende Werkstoffinnovation statt: die Weiterentwicklung von Isolationsmaterialien.

Mehr als ein "Schutzmantel": Die gewachsene Rolle der Isolation 

Ein Elektromotor besteht nicht nur aus Kupfer und Eisen. Isolationsmaterial ist in jeder Statornut präsent – als Nutgrundisolation, die den Kupferlackdraht vom Blechpaket trennt, als Phasenisolation zwischen den Spulen verschiedener Phasen, als Deckschieber, der die Nut nach oben hin verschließt, und als Wickelkopfisolation an den freiliegenden Stirnseiten der Wicklung.

Lange Zeit war die Hauptaufgabe dieser Materialien klar und vergleichsweise bescheiden: mechanischer Schutz vor scharfen Blechkanten, Verhinderung elektrischer Überschläge und Mitnahme eines ausreichenden Anteils des Tränkharzes beim Vakuumimprägnieren. Dafür reichten Kompositmaterialien wie NPN (Nomex®/PET/Nomex®) oder DMD (Dacron®/Mylar®/Dacron®) vollkommen aus.

Diese Zeiten sind vorbei. Fünf technologische Treiber haben die Anforderungen in den vergangenen Jahren so drastisch verschärft, dass klassische Materialien zunehmend an ihre physikalischen Grenzen stoßen.

Die fünf Treiber des Wandels bei den verwendeten Flächen-Isolierwerkstoffen 

1. Höhere Leistungsdichten und thermische Belastung

Moderne Traktionsmotoren müssen auf minimalem Bauraum maximale Dauerleistung erbringen. Das erzeugt massive Abwärme in der Wicklung. Die Isolation muss daher nicht mehr nur Wärme aushalten, sondern sie aktiv ableiten. Wer mit der Wärmeklasse F (155 °C) kalkuliert hat, kommt in Hochleistungsanwendungen heute kaum noch aus. Wärmeklasse H (180 °C) ist Standard, Klasse C (200 °C und darüber) wird zunehmend gefordert. Das Grundprinzip der thermischen Alterung ist dabei unerbittlich: Jede Überschreitung der Grenztemperatur halbiert die Restlebensdauer des Isolationssystems in sehr kurzer Zeit.

2. Die 800-Volt-Architektur (und mehr)

Der Übergang von 400-V- auf 800-V-Fahrzeugarchitekturen – heute bei Modellen wie dem Porsche Taycan, dem Hyundai Ioniq 5 und zahlreichen weiteren Plattformen realisiert – verdoppelt den elektrischen Stress für das gesamte Isolationssystem. Was bei 400 V noch sicher unterhalb kritischer Schwellwerte lag, rückt nun gefährlich nahe an die Grenzen herkömmlicher Materialien heran.

3. Teilentladungen: Das unsichtbare Problem

Teilentladungen sind elektrische Mikro-Entladungen in Lufteinschlüssen, an Phasengrenzen oder in Lunkern des Isolationssystems. Sie entstehen, sobald die lokale Feldstärke eine kritische Schwelle überschreitet (der Grenzwert für ihre Entstehung liegt knapp oberhalb 400 V). In einem 800-V-System sind sie nahezu unvermeidbar, wenn das Isolationsdesign nicht explizit dagegen ausgelegt ist.

Das Tückische: Teilentladungen sind nicht sofort destruktiv. Sie erzeugen UV-Strahlung, reaktives Ozon und aggressive Abbauprodukte, die den Isolierstoff schleichend zerfressen. Klassische organische Polymere wie Polyester (PET) sind dagegen äußerst anfällig. Mehrlagige Flächenisolierstoffe aus NMN oder DMD können zudem durch Delaminationen an den Schichtgrenzen Teilentladungen zusätzlich begünstigen.

4. SiC-Inverter und hohe Flankensteilheit (dU/dt)

Die Umrichter moderner Elektrofahrzeuge verwenden zunehmend Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) statt herkömmlicher IGBTs. SiC ermöglicht höhere Schaltfrequenzen und reduziert Schaltverluste erheblich. Allerdings schalten diese Transistoren mit extrem steilen Spannungsflanken: dU/dt-Werte von mehreren kV pro Mikrosekunde sind keine Seltenheit. Das Isolationssystem des Motors wird dadurch millionenfach pro Sekunde mit impulsförmigen Überspannungen belastet. Materialien müssen elektrisch stabil sein – und zwar über einen breiten Frequenz- und Temperaturbereich.

5. Bauraum und Kupferfüllfaktor

Jedes Zehntel Millimeter an Isolationsdicke, das eingespart wird, steht dem Kupfer zur Verfügung. Der Kupferfüllfaktor – das Verhältnis von Kupferquerschnitt zur Nutfläche – ist ein entscheidender Parameter für Wirkungsgrad und Leistungsdichte – nicht umsonst werden Formdrähte anstelle von Runddrahtwicklungen verwendet. Moderne Hochleistungsisolation muss daher dünn und trotzdem leistungsstark sein. Das ist ein grundlegender Zielkonflikt, den nur neuartige Materialien auflösen können.

Das Materialportfolio: Vom Laminat zur Hochleistungsfolie 

Der Markt bietet heute ein breites Spektrum an Flächenisolierstoffen, das von bewährten Laminaten bis hin zu Hochleistungsmonofolien reicht. Die Hauptanbieter – darunter DuPont (bzw. Arclin und Qnity) (Nomex®, Kapton®), Victrex (APTIV™), SynFlex, Hauler & Hermann, Krempel und Isovolta – bedienen dabei sehr unterschiedliche Anforderungsprofile.

Klassische Laminate, robuste Allrounder

NPN (Nomex®/PET/Nomex®; NMN); NMN (Nomex®, Mylar®, Nomex®): Das Arbeitstier für Standard-Elektromotoren. Die beidseitige Auflage aus kalandriertem Nomex®-Aramidpapier liefert hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften, die Polyesterfolie (PET) im Kern sorgt für elektrische Durchschlagsfestigkeit. NPN-Produkte wie das weit verbreitete NPN/80 sind für Wärmeklassen F und H zugelassen, bieten ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und sind für die automatisierte Fertigung auf Einziehmaschinen bestens geeignet. Die Imprägniermittel-Aufnahmefähigkeit der Außenlagen verbessert zudem die Verbindung aller Wicklungskomponenten nach dem Tränken. Die Imprägniermittel-Aufnahmefähigkeit der Außenlagen verbessert zudem die Verbindung aller Wicklungskomponenten nach dem Tränken. Anbieter wie Pucaro (TriFlexil®), SynFlex und Krempel (Trivoltherm®) vertreiben entsprechende Produkte in zahlreichen Stärken, Kombinationen und Bandmaßen.

DMD (Dacron®/Mylar®/Dacron®): Ein Verbund aus Polyestervlies und Polyesterfolie. DMD ist besonders flexibel, leicht verarbeitbar und eignet sich gut für automatisierte Fertigungsprozesse in der Massenproduktion. Temperaturklasse F (155 °C). Überall dort, wo Kosteneffizienz und gute Verarbeitbarkeit im Vordergrund stehen, ist DMD erste Wahl.

Hochwertige Laminate mit Polyimid - NKN (Nomex®/Kapton®/Nomex®): Ein wesentlicher Qualitätssprung gegenüber NPN. Im Kern sitzt statt der Polyesterfolie eine Polyimid-Folie (Kapton®), die eine deutlich höhere thermische und elektrische Leistungsfähigkeit mitbringt. Die Nomex®-Außenlagen schützen den empfindlichen PI-Kern vor mechanischer Beschädigung beim Einziehen. Der hohe spezifische Durchgangswiderstand und die dielektrische Festigkeit bleiben bis über 200 °C stabil.

NKN (auch als SynTherm® NKN oder AHA-Varianten mit reinen Aramidpapier-Lagen erhältlich) wird in hochausgenutzten Motoren als Nutisolation, Phasenisolation und Deckschieber eingesetzt – überall dort, wo NPN an seine Grenzen stößt. Arclin (ehem. DuPont) bietet mit den Nomex®-400 Produkten die Grundmaterialien für verschiedene Laminate (NK, NKN) an, die von Konfektionären wie Hauler & Hermann, SynFlex oder Gotthardt zu einbaufertigen Teilen verarbeitet werden. Für Bahnantriebe und andere großvolumige Traktionsanwendungen bleibt NKN aufgrund seiner Robustheit und Zuverlässigkeit erste Wahl.

ELAN-Film® HT-180 von Elantas: Diese Kombination aus einer Polyesterfolie mit zwei Deckfolien aus PEI (Polyetherimid) bildet eine Übergangslösung zu den reinen Folien-Varianten. Sie kombiniert die hohe Temperaturbeständigkeit von PEI mit der geringeren Materialdicke und dem Preisvorteil einer günstigen PET-Lage zwischen den beiden dünnen PEI-Layern.

Hochleistungs-Monofolien: Die neuen Protagonisten

Polyimidfolie (PI) – Kapton® HN von Qunity / SynTherm® H von SynFlex / Zenimid® von Arkema: Polyimidfolien sind thermisch nahezu unschlagbar. Kapton® HN kann kurzfristig von –269 °C bis +400 °C eingesetzt werden und besitzt eine garantierte Dauertemperaturbeständigkeit von 230 °C (Wärmeklasse C). Polyimid ist schwer entflammbar, hat keinen Schmelzpunkt und bietet hohe chemische Beständigkeit. Die exzellente Durchschlagsfestigkeit selbst bei hohen Temperaturen macht Polyimid-Folien zur ersten Wahl bei hohen elektrischen Spannungen. SynFlex bietet mit SynTherm® H eine kostengünstigere PI-Alternative gegenüber dem "Original" Kapton® HN mit vergleichbarem elektrischen und thermischen Profil an. Zenimid® erreicht vergleichbare Eigenschaften wie Kapton®. Der Nachteil: Standard-PI ist empfindlicher gegenüber Hydrolyse als z.B. PEEK oder PPSU.

Kapton® CRC von Qnity: Diese speziellen Polyimidfolien kombinieren die exzellenten Eigenschaften von Kapton® HN mit einer zusätzlich glimmentladungsbeständigen Oberfläche. Die Belastbarkeit des Isolationssystems gegenüber Teilentladungen wird damit deutlich verbessert – wichtig für Hochspannungsmotoren und -generatoren, in denen sich Koronaentladungen nicht vollständig vermeiden lassen.

PEEK-Folie (APTIV™ XPI von Victrex): PEEK – Polyetheretherketon – ist derzeit das Spitzenmaterial für 800-V-Hochleistungsanwendungen. APTIV™-Folien werden in einer vollintegrierten Lieferkette direkt aus VICTREX® PEEK-Polymer extrudiert. Die Eigenschaften sind bemerkenswert: Betriebstemperatur von –40 °C bis 260 °C (Klasse 220 °C), chemische Resistenz gegen praktisch alle aggressiven Getriebeöle und ATF-Fluide – wichtig für direkt gekühlte Motoren –, hohe Durchschlagsfestigkeit, geringe Wasseraufnahme und eine Teilentladungsresistenz, die laut Solvay (Hersteller des konkurrierenden KetaSpire® PEEK) etwa siebenmal höher liegt als bei Nomex®-Laminaten. Hinzu kommt eine rund doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit verglichen mit anderen Hochleistungspolymeren.

In der Praxis ermöglicht PEEK-Folie als Nutisolation geringe Wandstärken von 50 bis 175 Mikrometern anstelle der 250 bis 375 Mikrometer, die bei NKN-Laminaten üblich sind. Victrex gibt an, dass dadurch der Kupferfüllfaktor um rund 10 % gesteigert werden kann. Die verbesserte Wärmeleitfähigkeit (bis zu 0,43 W/mK) führt laut Simulationsdaten zu einer Senkung der Statorwicklungstemperatur um 3 bis 13 °C – was je nach Motordesign entweder die Dauerleistung erhöht oder eine signifikante Verkleinerung des Motors bei gleicher Leistung erlaubt.

Materialien am richtigen Ort: Differenzierung nach Einbauposition 

Die Wahl des optimalen Materials ist nicht generell zu beantworten – sie hängt stark vom Einbauort und dem jeweiligen Anforderungsprofil ab:

Nutisolation (Slot Liner): Hier sind Durchschlagsfestigkeit, Wärmeableitung und Teilentladungsresistenz am kritischsten. In Standard-Motoren bis Wärmeklasse H dominieren NPN- und NKN-Laminate. Für 800-V-Hochleistungsmotoren, insbesondere mit SiC-Inverter und direkter Ölkühlung, wird zunehmend PEEK-Folie eingesetzt.

Deckschieber (Slot Wedge / Nutenkappe): Der Deckschieber verschließt die Nut nach der Wicklung mechanisch und muss Vibrations- und Zentrifugalkräften standhalten. Hohe Eigensteifigkeit ist hier entscheidend. NPN-Laminate mit dicken PET-Lagen sind hierfür wegen ihrer mechanischen Festigkeit etabliert; für Hochleistungsanwendungen kommen verstärkte NKN-Laminate oder steife PEEK-Komponenten zum Einsatz.

Phasenisolation: Zwischen den Spulen verschiedener Phasen können im 800-V-System erhebliche Potentialdifferenzen auftreten. Mehrlagige NKN-Laminate oder PI-Folien bieten hier die notwendige Sicherheitsmarge.

Wickelkopfisolation: An den Stirnseiten des Stators ist die Geometrie komplex und der Platz eng. Flexibilität ist hier die Schlüsseleigenschaft, kombiniert mit ausreichender Teilentladungsresistenz. Nomex®-basierte Laminate (PET-Nomex®; Glasgewebe-Nomex®), streifenbeschichtete, gut durchtränkbare Vliese und spezielle PI-Folien sind bevorzugte Lösungen; für besonders kritische Anwendungen kommen auch hier Kapton® CRC oder PEEK-basierte Systeme in Frage.

Die Fertigungsperspektive 

Doch Materialinnovation allein genügt nicht. Dünnere und hochwertigere Isolierstoffe müssen auch in der Massenproduktion prozesssicher eingebracht werden können. Schaeffler ELMOTEC STATOMAT und andere Maschinenbauer haben ihre Nutisolationsmaschinen entsprechend weiterentwickelt: Präzises Rillen, Falzen und Einbringen der Isolierhülsen bei Taktraten von bis zu drei Hülsen pro Sekunde, zugleich mit der Sensibilität, dünne PEEK-Folien ohne Beschädigung zu verarbeiten. Die Einhaltung des Kragens (Überstand des Papiers an den Planflächen) als Schutz vor Kanten des Blechpakets ist dabei ebenso kritisch wie die Vermeidung von Fehlstellen, die später zu Teilentladungen führen könnten.

Die Isolation ist inzwischen ein strategisches Designelement 

Die Entwicklung im Hochleistungselektromotorenbau zeigt einen klaren Trend: Die Isolation wandelt sich von einer passiven Barriere zum wichtigen Bestandteil gesteigerter Motorleistung, Kompaktheit und Langlebigkeit. Während bewährte Laminate wie NKN weiterhin ihre Berechtigung haben – insbesondere in Bahnantrieben und kostensensitiven Anwendungen –, setzt sich PEEK-Folie (hohe chemische Resistenz, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Einsetzspannung (PDIV) und geringe Materialdicke bei hoher Spannungsfestigkeit) in kompakten Hochleistungs-PKW-Motoren mit 800-V-Architektur zunehmend durch.

Die Wahl des richtigen Isolierstoffs ist heute genauso strategisch wie das Design des Rotors oder die Auswahl der Magnete. Wer bei steigenden Systemspannungen, schnell schaltenden SiC-Invertern und wachsendem Druck zur Bauraumreduktion noch auf Materialien aus den 1980er-Jahren setzt, riskiert, entweder Leistung zu verschenken oder die Lebensdauer seiner Maschinen zu gefährden.

Quellen und weiterführende Informationen: Victrex APTIV™ / XPI™ (victrex.com), Qunity Kapton® ((https://www.qnityelectronics.com/kapton-polyimide-film.html), Arclin Nomex® 400-Serie (https://www.arclin.com/de/nomex/), SynFlex SynTherm®-Produktfamilie (synflex.com), Hauler & Hermann Isolierstoffe (hauler-hermann.de), Schaeffler ELMOTEC STATOMAT Nutisolation (elmotec-statomat.eu), CMC Klebetechnik: Versagensgründe für Isolation (cmc.de), BEN Buchele Motorauslegung (benbuchele.de), Solvay / e-motec.net: Material Solutions for 800V EVs.

 (03/2026)