Hochfrequenzlitzen in elektromotorischen Anwendungen - Vor- und Nachteile

In der modernen Leistungselektronik und Antriebstechnik entstehen durch die stetig steigende Betriebsfrequenzen und den Drang zu maximaler Effizienz (Energie, die gar nicht erst verbraucht wird, muß man auch nicht erzeugen) neue Anwendungsmöglichkeiten für Hochfrequenz-Litzen. Während bei Gleichstromanwendungen der ohmsche Widerstand eines Leiters primär durch seinen Querschnitt und das Material bestimmt wird, treten bei Wechselstromanwendungen im Kilohertz- und Megahertzbereich Effekte auf, die den effektiven Widerstand massiv erhöhen. Hochfrequenzlitzen (HF-Litzen) stellen eine potentielle technologische Antwort auf diese Herausforderungen dar. Ihr Aufbau unterscheidet sich grundlegend von massiven Kupferleitern, da sie nicht aus einem einzelnen Draht, sondern aus einer Vielzahl feiner, einzeln isolierter Einzelleiter bestehen.

Der zentrale konstruktive Aspekt einer HF-Litze ist die elektrische Isolierung jedes einzelnen Strangs, zumeist durch eine dünne Lackschicht aus Polyurethan oder Polyesterimid. Diese Isolation stellt sicher, dass der Stromfluss nicht ungehindert zwischen den Drähten springen kann, was die Voraussetzung für die Bekämpfung der Stromverdrängungseffekte ist. Ein weiteres kritisches Merkmal ist die präzise Verdrillung oder Verseilung dieser Einzelleiter. Durch eine spezifische Flechtstruktur oder Transposition nimmt jeder einzelne Draht über die gesamte Länge der Litze im Durchschnitt jede radiale Position innerhalb des Gesamtbündels ein. Dieser mechanische Aufbau sorgt dafür, dass alle Drähte denselben magnetischen Bedingungen ausgesetzt sind und somit eine gleichmäßige Stromverteilung über den gesamten Leiterquerschnitt erreicht wird.

Elektrotechnische Wirkmechanismen: Skin-Effekt und Proximity-Effekt 

Die Notwendigkeit für den Einsatz von Litzen ergibt sich aus zwei physikalischen Phänomenen: dem Skin-Effekt und dem Proximity-Effekt. Der Skin-Effekt beschreibt den Umstand, dass sich die Stromdichte bei steigender Frequenz zunehmend an die Oberfläche eines Leiters verlagert. Dies geschieht aufgrund von Wirbelströmen im Inneren des Leiters, die durch das sich ändernde Magnetfeld induziert werden und den Stromfluss im Zentrum behindern. Die sogenannte Skintiefe gibt dabei an, ab welcher Tiefe die Stromdichte auf etwa 37 Prozent des Oberflächenwertes abgesunken ist. Bei einer Frequenz von 50 bis 100 kHz beträgt diese Tiefe im Kupfer lediglich etwa 0,100 mm, während sie bei Frequenzen zwischen 500 und 850 kHz sogar auf 0,050 mm sinkt. Massive Leiter mit großem Querschnitt werden dadurch bei hohen Frequenzen ineffizient, da ihr Kern kaum noch zum Stromtransport beiträgt.

Der Proximity-Effekt, auch Nachbarschaftseffekt genannt, verstärkt diese Problematik in gewickelten Bauteilen wie Motoren oder Transformatoren erheblich. Hier beeinflussen die Magnetfelder benachbarter Windungen die Stromverteilung im Leiter. In eng gepackten Wicklungen, wie sie in Statoren von Elektromotoren oder in Transformatoren vorkommen, ist der Proximity-Effekt oft noch dominanter, so dass der Strom in noch kleinere Teilbereiche des Leiterquerschnitts gedrängt wird. Dies steigert den Wechselstromwiderstand (RAC) weit über den Wert des Gleichstromwiderstands (RDC) hinaus. Die resultierenden Verluste, berechnet nach der Formel P=Iexp2 x RAC, führen zu einer starken Wärmeentwicklung, die den Wirkungsgrad senkt und die thermische Belastung der Isolationssysteme erhöht. HF-Litzen minimieren diese Effekte, indem sie den Leiter in Durchmesser aufteilen, die signifikant kleiner als die Skintiefe sind, und durch ihre Verseilung die induzierten Spannungen über die Länge des Leiters ausgleichen.

Konstruktionsparameter und Materialauswahl in der Litzen-Fertigung 

Eine Hochfrequenzlitze ist ein technisch hochkomplexer Leiter, der aus einer Vielzahl einzeln isolierter Einzelleiter besteht. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Würgelitze, bei der die Drähte lediglich gebündelt werden, zeichnet sich die HF-Litze durch eine präzise geometrische Anordnung aus. Als Basismaterial dient in der Regel hochreiner Kupferlackdraht. Die Durchmesser dieser Einzelleiter bewegen sich oft im Bereich von wenigen Mikrometern bis zu Zehntelmillimetern, wobei Hersteller wie Elektrisola ein Spektrum von 0,010 mm bis 0,700 mm abdecken.

Je nach Anwendungsfall werden diese Litzenkonstruktionen durch zusätzliche äußere Schichten ergänzt. Eine Umspinnung aus Naturseide oder Polyamidgarn dient der mechanischen Stabilisierung und verbessert die Abriebfestigkeit beim Wickelprozess. Für Anwendungen, die eine verstärkte Isolation erfordern, setzen Firmen wie Pack Litz Wire Bandierungen mit speziellen Folien wie Polyimid oder Polyester  ein. Diese zusätzlichen Schichten beeinflussen nicht nur die mechanische Robustheit, sondern auch die parasitären Kapazitäten und die Spannungsfestigkeit des Leiters.

Isolationstechnische Aspekte und Teilentladungsfestigkeit bei Vollverguß 

Ein kritischer Faktor bei der Auslegung moderner elektrischer Antriebe, insbesondere bei Systemen mit 800V-Technologie und schnell schaltenden Siliziumkarbid-Invertern (SiC), ist die Teilentladungsfestigkeit. Teilentladungen treten auf, wenn die lokale elektrische Feldstärke die Durchschlagsfestigkeit des Isoliermediums überschreitet, ohne dass es sofort zu einem vollständigen Durchschlag kommt. Diese Mikro-Entladungen erodieren langfristig das Isolationssystem und führen zum Ausfall der Maschine.

Die Verwendung von HF-Litzen in Kombination mit einem vollständigen Verguß (Encapsulation) bietet hier signifikante Vorteile. Ein wesentlicher Aspekt ist die Geometrie der Leiter. Während massive Flachleiter oder Hairpins rechteckige Querschnitte aufweisen, die selbst bei abgerundeten Kanten zu lokalen Feldstärkeüberhöhungen an den Ecken führen, bestehen Litzen aus runden Einzelleitern. Diese runden Oberflächen sorgen für eine deutlich homogenere Verteilung des elektrischen Feldes. Inhomogenitäten, die als Startpunkte für Teilentladungen dienen könnten, werden so minimiert.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Umspinnung und Vergußmasse. Die textile Umhüllung der Litze fungiert im Vergußprozess wie ein Docht, der das Harz durch Kapillarkräfte tief in das Innere des Litzenbündels saugt. Bei einem fachgerechten Vakuum-Vergußprozess werden so kleinste Lufteinschlüsse (Voids) zwischen den Einzeldrähten eliminiert. Da Teilentladungen bevorzugt in gasgefüllten Hohlräumen stattfinden, erhöht der vollständige Ersatz der Luft durch ein dielektrisch hochwertiges Vergußharz die Teilentladungs-Einsetzspannung (PDIV) massiv.

Zudem ermöglicht die Konstruktion der Litze ein "Triple-Insulation"-Konzept: Die Primärisolation des Lackdrahtes, die Sekundärisolation durch die Umspinnung oder Bandierung und die Tertiärisolation durch das Vergußharz bilden ein redundantes und robustes System. Die Umspinnung dient hierbei auch als definierter Abstandshalter zwischen den einzelnen Windungen, wodurch sichergestellt wird, dass die Vergußmasse auch bei mechanischen Vibrationen oder thermischen Ausdehnungen zuverlässig zwischen den Leitern verbleibt. Dies führt zu einer deutlich höheren Lebensdauer des Isolationssystems unter der hohen Belastung moderner Umrichter.

Einsatz von HF-Litzen in Elektromotoren und Vergleich mit der Hairpin-Technologie 

In der Elektromobilität hat sich in den letzten Jahren die Hairpin-Wicklung als Standard für Traktionsmotoren in der Großserie etabliert. Diese Technik nutzt massive, rechteckige Kupferstäbe, die in die Statornuten gesteckt und anschließend verschweißt werden. Während die Hairpin-Technik mechanische und thermische Vorteile bietet, stößt sie bei den steigenden Drehzahlen (>>1000 RPM) und Schaltfrequenzen moderner Siliziumkarbid-Inverter an ihre physikalischen Grenzen. Hier rückt die HF-Litze als alternative Wicklungstechnologie in den Fokus, wobei sie spezifische Vorteile gegenüber der Hairpin-Technik aufweist.

Ein wesentlicher Vorteil der Litze ist die drastische Reduzierung der Wechselstromverluste bei hohen Drehzahlen. In Hairpin-Wicklungen führen die großen Leiterquerschnitte zu massiven Stromverdrängungseffekten und unerwünschten Umlaufströmen, was den Wirkungsgrad des Motors bei hohen Frequenzen einbrechen lässt. Litzen hingegen bewahren durch ihre feingliedrige Struktur eine homogene Stromverteilung und minimieren die Wirbelstromverluste im Kupfer. Dies ermöglicht es, Motoren für höhere Drehzahlen auszulegen, ohne thermische Probleme im Stator zu riskieren. Zudem bietet die Flexibilität der Litze mehr Freiheiten bei der Gestaltung des Wickelkopfs, was theoretisch zu kürzeren Baulängen des Motors führen kann. Auch die elektromagnetische Belastung des Gesamtsystems wird durch die gleichmäßigere Stromführung reduziert, was sich positiv auf das thermische Verhalten unter Last auswirkt.

Anwendungen wie der Axialflussmotor (YASA) mit sehr hoher Leistungsdichte, Motoren von Koenigsegg mit noch höherer Energiedichte oder Entwicklungen für die Luftfahrt (Gewicht ist King) sind zwar noch spezielle technische Nischen, aber zahlreiche Automobilzulieferer setzen in ihren Entwicklungsabteilungen HF-Litzen ein.

Allerdings stehen den Vorteilen signifikante Nachteile gegenüber, die den Einsatz der Litze in der Massenfertigung von Motoren erschweren. Der kritischste Punkt ist der mechanische Füllfaktor. Während Hairpin-Wicklungen durch ihre präzise Rechteckform Füllfaktoren von bis zu 90 Prozent erreichen können, liegt dieser Wert bei Litzen konstruktionsbedingt meist nur zwischen 50 und 60 Prozent. Der hohe Anteil an Isolation und die Luftzwischenräume zwischen den runden Einzeldrähten führen dazu, dass bei gleichem Bauraum weniger leitfähiges Kupfer untergebracht werden kann. Dies resultiert in einem höheren Gleichstromwiderstand, was besonders bei niedrigen Drehzahlen und hohen Drehmomenten zu Effizienzeinbußen führt.

Ein weiterer Nachteil ist die Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Nut. Massive Hairpins können die im Leiter entstehende Wärme effizient an das Statoreisen abführen. Bei einer Litze wirken die zahlreichen Lackschichten und die eingeschlossene Luft wie thermische Isolatoren, was die Entwärmung der Wicklung erheblich erschwert. Auch die Produktionstechnik stellt eine Hürde dar: Die automatisierte Handhabung flexibler Litzen ist weitaus komplexer als das Einstecken starrer Kupferstäbe. Besonders die Kontaktierung der Enden ist problematisch, da sichergestellt werden muss, dass alle hunderten von Einzeldrähten zuverlässig abisoliert und elektrisch leitend verbunden werden. Verfahren wie das Ultraschallschweißen oder das Tauchlöten sind hier zwar erprobt, aber prozessseitig aufwendiger als das Laserschweißen von Hairpins. Form-Litzen (hofer powertrain) könnten dafür eine Lösung sein.

Technologische Perspektiven: kein Vorteil ohne Nachteil 

Die Entscheidung zwischen Litze und Hairpin ist neben dem Preis pro Laufmeter somit eine Abwägung zwischen der Maximierung des Kupferanteils und der Beherrschung der Stromverteilung bei hohen Frequenzen. Aktuelle Entwicklungen zielen darauf ab, die Lücke zwischen beiden Welten zu schließen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von profilierten oder kompaktierten Litzen. Hierbei wird das Litzenbündel in eine rechteckige Form gepresst, um den Füllfaktor zu erhöhen und gleichzeitig die Vorteile der feindrähtigen Struktur zu erhalten (z.B. Form-Litzen/ hofer powertrain).

HF-Litzen sind bedeutende Komponenten für hocheffiziente elektrische Systeme, in denen hohe Frequenzen dominieren. In Elektromotoren bieten sie eine überlegene Performance bei hohen Drehzahlen, kämpfen jedoch mit systemimmanenten Nachteilen bei der Packungsdichte und der thermischen Anbindung. Inwieweit sich die Litze gegen die Hairpin-Technik durchsetzen wird, hängt maßgeblich davon ab, ob die systemweiten Effizienzvorteile durch die Reduzierung der AC-Verluste die höhere Komplexität und die Kosten in der Fertigung aufwiegen können. Angesichts der Trends zu schneller drehenden Motoren und effizienteren Invertern ist jedoch davon auszugehen, dass die Litze in spezialisierten Hochleistungsantrieben eine zunehmend zentrale Rolle spielen wird.

 (04/2026)