Leistungssteigerung durch Vergußmassen am Beispiel Elektromobilität
In der Elektromobilität ist ein effektives Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung, um die Leistung, Effizienz und Langlebigkeit von Komponenten wie Elektromotoren, Batterien und Leistungselektronik zu gewährleisten. Diese Bauteile erzeugen während des Betriebs Wärme, die abgeführt werden muss, um Leistungsverluste und potenzielle Schäden zu vermeiden.
Eine Strategie zur Optimierung des Wärmemanagements, insbesondere bei Elektromotoren und Leistungselektronik, ist der Einsatz von wärmeleitfähigen Vergussmassen. Diese Materialien ermöglichen durch das Ausfüllen von Zwischenräumen und das Verdrängen von Luft (0,026 W/m*K), die ein schlechter Wärmeleiter ist, eine verbesserte Wärmeableitung. Ausserdem schützen sie vor Umwelteinflüssen (Verbesserung des Verschmutzungsgrads gemäß IEC 60664-1 erlaubt kleinere Abstände der Leiter). Vergußmassen dienen zusätzlich auch zur Verfestigung der Wicklung bei hochtourig drehenden Elektromotoren.
Die Formulierung wärmeleitfähiger Vergussmassen beinhaltet die Auswahl und das Zusammenspiel verschiedener Füllstoffe und deren Partikelgrößen, um ein gutes Fließverhalten, eine gleichmäßige Partikelverteilung und eine effektive Wärmeleitung zu erzielen. Eine niedrige Viskosität ist dabei wünschenswert, um auch enge Zwischenräume zu füllen und Oberflächenunebenheiten auszugleichen. Reine Polymermatrizes auf Basis von Epoxidharz oder Polyurethan weisen eine merklich geringere Wärmeleitfähigkeit (~0,2 W/m*K) auf als gefüllte Systeme. Durch den Einsatz geeigneter Füllstoffe können demgegenüber deutlich höhere Wärmeleitfähigkeiten erreicht werden. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sind Vergusssysteme mit guten Fließeigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit (1…5 W/m*K) erforderlich. Mit zunehmendem Füllstoffgehalt steigt jedoch die Viskosität an.
Zur Verbesserung des Vergussprozesses und zur Reduzierung der Viskosität kann ein Vorwärmen der Vergussmasse sowie des zu vergiessenden Bauteils sinnvoll sein. Dies verbessert das Fließverhalten und die Imprägnierqualität, wodurch kritische Lufteinschlüsse und damit verbundene Fehlstellen (Lunker) sowie daraus resultierend z.B. Teilentladungen vermieden werden können. Polyurethane stellen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften wie Zähigkeit und geringer Neigung zu Spannungsrissen eine Alternative zu Epoxidharzen (~150°C) dar, auch wenn ihr typischer Dauereinsatztemperaturbereich (~130°C) begrenzt ist.
Vorteile eines Vergusses
Die Anwendung wärmeleitfähiger Vergussmassen kann zu einer signifikanten Leistungssteigerung und Effizienzerhöhung bei Elektromotoren führen. Die verbesserte Wärmeableitung reduziert die Betriebstemperatur und erhöht dadurch die Lebensdauer. Man kann allerdings auch die höhere Leistungsdichte für eine höhere Leistungsabgabe nutzen. Optimal verteilte Vergußmittel verhindern zudem effektiv lokale Überhitzungen (Hotspots) durch Lufteinschlüsse und Teilentladungen. Die reduzierte Betriebstemperatur und eine homogenere Temperaturverteilung tragen schlußendlich dazu bei, den elektrischen Widerstand in den Wicklungen gering zu halten, was den Wirkungsgrad des Motors verbessert. Dabei muß im Einzelfall abgewogen werden, welcher Bereich des Elektromotors vergossen wird (z. B. nur der Wickelkopf oder ein Vollverguss), da dies auch das Gewicht beeinflusst.
Ergänzende Strategien im Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen umfassen die bedarfsgerechte Zufuhr und Abfuhr von Heiz- und Kühlenergie für verschiedene Komponenten wie Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor (z.B. mit Hilfe von Hochvolt-Kompressoren und Wärmepumpen). Dabei ist die Energieeffizienz des Systems ein wichtiger Faktor, um die Reichweite zu maximieren. Je nach Hersteller und Anwendung kommen dazu unterschiedliche Kühlmedien und -methoden wie Luft-, Flüssigkeits- oder Phasenchangekühlung zum Einsatz.
Ein durchdachtes Wärmemanagementkonzept ist für kompakte elektrische und elektronische Einrichtungen in der Elektromobilität unerlässlich, um Hitzestaus zu vermeiden. Dabei besteht oft ein Zielkonflikt zwischen guter thermischer Leitfähigkeit und guter elektrischer Isolation sowie dem zulässigen Gewicht (spielt nur im Fahrzeug eine Rolle, nicht bei den stationären Ladeeinrichtungen).
Lösungsansätze umfassen den Einsatz wärmeleitender Produkte zur Verbesserung des Wärmepfades (z.B. Gapfiller), die Vermeidung von Verlustwärme durch hocheffiziente Bauteile (z.B. SiC-Leistungselektronik), die Abstimmung zwischen der Applikation und dem dazu optimal passenden Produktionsprozess, forcierte Kühlmaßnahmen sowie konstruktive Anpassungen zur Schaffung großer Kontaktflächen. Das Vermeiden von Lufteinschlüssen im Kontaktbereich (Wärmeübergangsbereich, Thermal Interface) ist dabei besonders wichtig, da diese den Wärmeübergang stark reduzieren.
Zusammenfassend kann man sagen, dass wärmeleitfähige Vergusslösungen eine wichtige Teillösung im Wärmemanagement von Elektromotoren und Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen spielen, indem sie die Wärmeableitung verbessern. In zahlreichen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass eine erhebliche Steigerung von Leistung und Effizienz mit diesen Maßnahmen möglich ist (>>10% ohne Änderung der grundlegenden Konstruktion).
Weitere Informationen zum Wärmemanagement finden Sie in diesem Leitfaden:
- Strategien zum Wärmemanagement - Leitfaden (ZVEI)