Hochleistungsisolierungen für moderne Traktionsmotoren

Die Anforderungen an Isolationswerkstoffe in elektrisch angetriebenen Fahrzeugantrieben haben sich in den letzten Jahren dramatisch gewandelt. Klassische Lackrunddrähte mit organischen Imidlacken, etwa Polyimid (PI), Polyetherimid (PEI) oder Polyamidimid (PAI), galten lange als industrieller Standard für Runddrahtwicklungen in Motoren. Bei den hohen Zwischenkreisspannungen von 400 V bis 800 V und darüber hinaus, wie sie in modernen Traktionsantrieben üblich sind, stoßen diese Systeme jedoch an fundamentale physikalische, elektrische und chemische Grenzen.

(Die ausführliche Dokumentation: PDF-Download)

Der erste wesentliche Treiber dieser Entwicklung an die Grenzen klassischer Lackdrähte ist die drastisch gestiegene Betriebsspannung. Während klassische Industriemotoren bei 400-V-Netzen betrieben wurden, arbeiten Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge heute mit Zwischenkreisspannungen von 400 V bis 800 V, mit klarer Tendenz zu noch höheren Spannungsebenen. Dies erhöht die dielektrische Belastung der Windungsisolierung erheblich.

Der zweite, in seiner Wirkung oft unterschätzte Faktor ist der Einsatz schnellschaltender Siliziumkarbid-Wechselrichter (SiC). Diese ermöglichen Schaltfrequenzen und Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten (dU/dt), die um ein Vielfaches höher liegen als bei herkömmlichen IGBT-basierten Systemen. Die resultierenden transienten Überspannungen können an der ersten Windung eines Stators ein Mehrfaches der Nenn-Zwischenkreisspannung erreichen. Diese Spannungsspitzen werden nicht gleichmäßig über die gesamte Wicklung verteilt, sondern konzentrieren sich auf die ersten Windungslagen – genau dort, wo die Isolierschicht am stärksten belastet wird.

Die direkte Folge sind Teilentladungen (Partial Discharge, PD): Lokale elektrische Entladungen in mikroskopisch kleinen Lufteinschlüssen oder Grenzflächen innerhalb des Isoliersystems. Teilentladungen erodieren das Isoliermaterial durch Ionenbeschuss und lokale Erhitzung kontinuierlich und führen letztlich zum vorzeitigen dielektrischen Versagen der Wicklung. Klassische PI- und PEI-Lacke sind gegen diesen Mechanismus nur begrenzt resistent. Ihre organische Polymermatrix wird unter dem ständigen Plasma-Angriff der Teilentladungen relativ schnell abgetragen, was die Lebensdauer der Maschine erheblich verkürzt (Maßnahmen dagegen sind z.B. keramikgefüllte Drahtlacke).

Hinzu kommt die Hydrolyseempfindlichkeit konventioneller Imidlacke. Unter dem kombinierten Einfluss von Feuchtigkeit (ggf. Ölspritzkühlung) und erhöhter Temperatur – beides typische Betriebsbedingungen in Fahrzeuganwendungen – neigen PI- und PEI-Polymere zur Depolymerisation. Die Isolierschicht verliert dabei ihre Flexibilität, wird spröde und reißanfällig. In feuchten Umgebungen oder bei starken Temperaturschwankungen, wie sie Fahrzeuge in verschiedenen Klimazonen erleben, beschleunigt dieser Mechanismus den Alterungsprozess erheblich.

Schließlich stoßen klassische Rundlackdrähte auch bei den dielektrischen Verlusten an Grenzen. Die Dielektrizitätskonstante (εr) von PI-Lacken liegt im Bereich von 3,4 bis 3,6. In Hochfrequenzanwendungen, wie sie durch SiC-Inverter entstehen, führt dies zu messbaren kapazitiven Verlusten innerhalb der Wicklung und zu einer unerwünschten Eigenerwärmung des Isolationssystems, die den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs mindert.

Spezifische Fertigungsanforderungen bei Hairpin- und Wellenwicklung-Technologie und Wicklungen mit hohem Füllgrad

Die Hairpin-Technik hat sich für Traktionsmotoren etabliert: Vorgeformte, rechteckige Kupferleiter werden in Statornuten eingeführt, verschränkt und verschweißt. Der Vorteil liegt in einem deutlich höheren Kupferfüllfaktor (typisch 60–75 %), was magnetische Ausnutzung und Wärmeabfuhr verbessert. Diese geometrisch definierte Packung erzeugt jedoch auch hohe lokale Feldstärken und mechanische Belastungen, die klassische Lacke nur unzureichend beherrschen. Ähnlich verhält sich das auch bei der Flachdraht Wellenwicklungstechnologie.

Mechanische Anforderungen resultieren aus dem Biegeprozess der Hairpins: Die Isolierung muss plastische Verformung ohne Risse oder Ablösungen überstehen; klassische Imidlacke zeigen hier erhöhte Mikrorissbildung. Zusätzlich ist der elektrische Abstand zwischen eng benachbarten Leitern exakt definiert, wodurch Feldstärken insbesondere zwischen Phasenleitern erheblich werden – ein Belastungsfall, der bei zufällig gewickelten Runddrähten in dieser Form nicht existiert. Die Folge ist eine erhöhte Gefährdung durch Teilentladungen in Grenzflächen. Darüber hinaus muss das Isolationsmaterial für die Laserablation am Hairpin-Ende reproduzierbar abtragbar sein und nachfolgend beim Schweißprozess keine toxischen Rückstände erzeugen. Und schließlich erfordern die Anforderungen an die Imprägnierung ausgezeichnete Haftung zu Harzen und Klebstoffen. Diese prozesstechnischen Anforderungen zusammen verdeutlichen, warum klassische Lackdrähte allein für moderne Hairpin-Statoren nicht mehr ausreichen.

Als leistungsfähige Alternative gewinnt die Wellenwicklung an Bedeutung, bei der ein Leiter kontinuierlich sinusförmig durch die Nuten geführt wird. Da hierbei kaum Schweißverbindungen nötig sind, reduziert sich die mechanische Belastung der Isolation während der Montage. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der Minimierung von Wechselstromverlusten und Stromverdrängungseffekten, da die Leiterpositionen über die Windungen hinweg ausgeglichen sind. Dies führt zu einer homogeneren Temperaturverteilung und vermeidet kritische Hotspots. Trotz unterschiedlicher Bauweisen stellen beide Verfahren ähnlich hohe Anforderungen an die Flexibilität und Abriebfestigkeit der Beschichtung, weshalb moderne Hochleistungswerkstoffe wie PEEK für beide Technologien essenziell sind.

Leistungsmerkmale und Vorteile von PEEK und fluormodifizierten Systemen

(Klassische PI/PEI/PAI-Emaillelacke: ausgereiftes Serienverfahren, niedrige Materialkosten, hervorragende Kupferhaftung, bewährte Tränkharzkompatibilität, gute Verarbeitbarkeit in etablierten Anlagen.)

PEEK – thermoplastische Hochleistungsausführung: Polyetheretherketon (PEEK) ist ein semikristalliner Hochleistungsthermoplast mit Spitzengebrauchstemperaturen bis etwa 260 °C. Die mechanische Festigkeit, Abrieb- und Druckbeständigkeit dieses Materials sind Vorteile bei der mechanischen Beanspruchung durch Biegen und Einziehen in die Nuten. Anders als klassische Nassemailliersysteme wird PEEK mittels Schmelzextrusion (oder elektrostatische Pulverbeschichtung) direkt auf Kupfer aufgebracht, ohne lösungsmittelbasierte Prozesse – ein Vorteil hinsichtlich Arbeitsschutz und Ökologie.

Die dielektrischen Kennwerte von PEEK liegen mit εr ≈ 3,2–3,4 im Bereich klassischer Imide, und die Teilentladungsfestigkeit des reinen Materials ist ebenfalls begrenzt, da die organische Grundstruktur gegenüber Plasma abriebempfindlich ist. Zudem zeigt reines PEEK bei engen Biegeradien eine Tendenz zur Sprödigkeit, was die Flexibilität in anspruchsvollen Hairpin-Geometrien einschränkt.

Fluormodifiziertes PEEK – hybride Verbesserung: PEEK kann mit fluorierten Segmenten modifiziert werden, um die mechanischen Schwächen des Reinstoffs zu adressieren. Die fluormodifizierten Polymere kombinieren die mechanische Härte und Abriebfestigkeit von PEEK mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften und der chemischen Trägheit der Fluorchemie. Die erhöhte molekulare Flexibilität reduziert Sprödigkeit; die Dielektrizitätskonstante sinkt, was kapazitive Verluste bei hohen Frequenzen reduziert; verbesserte Oberflächenenergie erleichtert die Haftung an Kupfer und Imprägniermitteln – ein Parameter, bei dem reines PEEK Nachteile zeigt. Durch Fluormodifikation wird auch der dielektrische Verlustfaktor (tan δ) günstiger, was die Eigenerwärmung bei hochfrequenten Anteilen des SiC-Anregungssignals minimiert.

ETFE – mechanisch robust mit fluorierter Dielektrik: Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) ist ein teilfluoriertes Copolymer mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit, Abrieb- und Biegewechselbeständigkeit und nahezu null Wasseraufnahme. Gleichzeitig bietet es eine geringere Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu PI/PEI. Mit ETFE modifizierte Harze besitzen über einen weiten Temperaturbereich stabile mechanische und elektrische Eigenschaften. Sie werden per Extrusion verarbeiten, was für reproduzierbare, fehlerfreie Isolationsschichten auf Flatwire/Flachleitern entscheidend ist.

Ein zentraler Vorteil von ETFE im Hairpin-Fertigungsprozess ist die definierte Laserablation: Die fluorierte Schicht lässt sich reproduzierbar entfernen, ohne Kupfer zu schädigen – ein Qualitätsmerkmal in der Serienfertigung. Die kontinuierliche Betriebstemperatur liegt typischerweise bis etwa 150 °C mit kurzfristigen Peaks bis etwa 200 °C, für viele Traktionsanwendungen ausreichend. Für extreme Hochleistungsfälle kann dies jedoch eine Einschränkung darstellen.

PFA – Spitzenleistung unter Fluorpolymeren: Perfluoralkoxy-Polymer (PFA) repräsentiert die leistungsfähigste Klasse unter den betrachteten Systemen. Als vollständig fluoriertes Polymer bietet es höchste chemische Inertheit, nahezu komplette Hydrolysebeständigkeit und höchsten thermischen Einsatzbereich mit Dauergebrauchstemperaturen bis circa 260 °C und kurzfristigen Belastbarkeitsspitzen bis etwa 300 °C. Die Dielektrizitätskonstante von PFA liegt deutlich niedriger als klassische Lacke oder ETFE, was zu minimalen kapazitiven Verlusten und geringster intrinsischer Eigenerwärmung im hochfrequenten Betrieb führt.

Dank der starken C–F-Bindung ist PFA praktisch immun gegen Hydrolyse, Öle und Kühlmittel – Medien, denen Traktionsmotoren im Fahrbetrieb ausgesetzt sind. Untersuchungen zeigen, dass PFA-beschichtete Flachdrähte die relevanten Prüfparameter für Hairpin-Anwendungen erfüllen, einschließlich Haftung, Dehnung, Federbalk-Verhalten sowie Durchschlag- und PDIV-Leistung. Nachteile fluorierter Systeme – insbesondere schlechte Haftung zu Kupfer – werden durch adhäsive PFA-Compounds adressiert, die die Haftung erheblich verbessern, ohne die charakteristischen dielektrischen und thermischen Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen.

Mehrlagen- und Hybridkonzepte: In der industriellen Praxis werden Hüllen aus PI-Grundlack und eine äußere Schicht aus ETFE oder PFA oft kombiniert. Eine dünne PI-Emaillacklage nutzt die exzellente Haftung und mechanische Performance bei geringer Wandstärke; darüber applizierte fluorierte Schichten verbessern die dielektrische Leistungsfähigkeit, PDIV-Festigkeit und Hydrolyseresistenz. PEEK- und PFA-basierte Fluon+-Compounds unterstützen diese Hybridkonzepte, indem sie Haftung, Flexibilität und Schlagfestigkeit optimieren.

Der primäre wirtschaftliche Nachteil fluorierter Systeme sind die erheblich höheren Materialkosten. PFA und ETFE kosten im Vergleich zu Standard-PI-Lack ein Vielfaches, fluormodifiziertes PEEK noch mehr. Dies beschränkt ihren wirtschaftlich sinnvollen Einsatz derzeit vorwiegend auf leistungsstarke Traktionsmotoranwendungen. Gleichzeitig steht die gesamte Klasse der fluorierten Polymere im Kontext der PFAS-Debatte unter wachsendem regulatorischem Druck, insbesondere in der EU. Hochmolekulare Fluorpolymere wie ETFE und PFA gelten als deutlich weniger problematisch als die kürzerkettigen PFAS-Verbindungen (PFOS, PFOA). Dennoch erfordert die Entwicklung neuer Formulierungen eine sorgfältige Prüfung unter den sich verschärfenden gesetzlichen Rahmenbedingungen

Vorteile, Nachteile und Lösungsstrategien

Die systematische Umstellung auf PEEK- und vor allem fluormodifizierte Isolationssysteme bringt klare Vorteile:

Erhöhte Teilentladungsfestigkeit und höhere PDIV-Werte im Vergleich zu klassischen PI/PEI-Systemen, was die Betriebssicherheit bei hohen Zwischenkreisspannungen verbessert.
Geringere Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktoren, was kapazitive Verluste und Eigenerwärmung bei hohen Schaltfrequenzen reduziert.
Mechanische Robustheit, insbesondere bei ETFE und fluormodifiziertem PEEK, verbessert die Prozessstabilität in Hairpin-Geometrien.
Chemische Inertheit und Hydrolysebeständigkeit fluorierter Systeme erhöhen Lebensdauer und Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen.

Dem stehen allerdings auch einige Herausforderungen gegenüber:

Material- und Prozesskosten: Die Preise für PEEK, ETFE und vor allem PFA liegen deutlich über denen klassischer Lacke und erfordern spezialisierte Extrusionsanlagen (hohe Schmelztemperaturen).
Haftbarkeit zu Kupfer und Harzen: Fluorpolymere haben niedrige Oberflächenenergie; adhäsive Compound-Grades bzw. Oberflächenvorbehandlungen sind erforderlich.
Regulatorische Anforderungen: Fluorpolymere fallen unter PFAS-Regulierungen, was eine kontinuierliche Beobachtung des rechtlichen Umfelds erfordert. Dies kann eines der wichtigsten Kriterein für den Serieneinsatz sein!
Recycling und Umweltaspekte: Die chemische Stabilität erschwert biologischen Abbau und erfordert thermische Verwertungsverfahren.

Die Anforderungen moderner Traktionsmotorentechnik - steigende Betriebsspannungen bis 800 V und darüber, schnell schaltende SiC-Inverter mit hohen dU/dt-Werten, hohe Füllgrade, durch Hairpin-Technologie extreme mechanische Belastungen in der Fertigung - definieren ein Anforderungsprofil, das klassische PI- und PEI-basierte Isolierlacke an ihre physikalischen Grenzen führt.

PEEK, ETFE, PFA und fluormodifizierte PEEK-Compounds bieten jeweils spezifische Antworten auf diese Herausforderungen. Kein einzelnes Material ist universell optimal; die Wahl des Isoliersystems erfordert eine sorgfaeltige Abwägung zwischen Teilentladungsfestigkeit, mechanischer Belastbarkeit, Verarbeitungsprozess, Kompatibität mit dem Tränksystem sowie wirtschaftlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen. Fluormodifizierte Systeme sind fuer Hochvolt-Traktionsanwendungen der kommenden Generation häufig die technisch überlegene Wahl - vorausgesetzt, die Gesamtprozesskette wird konsequent auf ihre spezifischen Anforderungen ausgelegt. Mit fortschreitender Skalierung der Elektromobilitaet und steigendem Kostendruck werden die heute noch hohen Materialpreise durch steigende Abnahmemengen und Prozessoptimierungen voraussichtlich sinken und fluormodifizierte Isoliersysteme damit einer breiteren Marktdurchdringung zuführen.