Auswahl der Isolationsklasse für Laminatpakete: Öl, Wasser und Wärme

Die meisten Diskussionen über Isolationsklassen finden auf der falschen Ebene der Maschine statt.

Jemand fragt nach “Laminaten der Klasse H”. Damit ist in der Regel ein Laminat der Klasse H gemeint. Motor. Das sind verschiedene Käufe. Ein Laminierstapel verfügt über eine dünne, im Mikrometerbereich gemessene Beschichtung zwischen den Lagen sowie über ein Verbindungsverfahren – Schweißen, Verriegelung, Kleben, Nieten, Klammern. Die Wicklung weist die auf dem Typenschild angegebene Wärmeklasse auf. Beide Faktoren beeinflussen sich gegenseitig, doch keiner übernimmt die Nennleistung des anderen, und die Ausfälle, die aus einer Verwechslung resultieren, treten langsam und geräuschlos auf und sind vor Ort nur kostspielig zu diagnostizieren.

In diesem Beitrag werden die beiden Systeme voneinander abgegrenzt und anschließend erläutert, was sich tatsächlich ändert, wenn der Stapel in Öl, in feuchter Umgebung oder bei Temperaturen über 180 °C betrieben wird.

Zwei Dämmsysteme, ein Kern

Die interlaminare Beschichtung Sie dient dazu, zu verhindern, dass Wirbelströme von Blech zu Blech übergreifen. Sie muss das Stanzen, etwaige Spannungsarmglühvorgänge, Fügevorgänge, Lack- oder Harzimprägnierungen sowie anschließend jahrzehntelange Einwirkung der in der Maschine auftretenden Flüssigkeiten und Temperaturen überstehen. Es ist dünn – typischerweise 0,5 bis 5 µm – und seine Eignung wird anhand des Oberflächenisolationswiderstands, des Glühwiderstands und der chemischen Beständigkeit angegeben, nicht anhand einer Buchstabenklasse.

Das Wicklungsisolationssystem Dies ist, was eine thermische Klasse beschreibt: Schlitzauskleidung, Phasen- und Schichtisolierung, Lackdraht, Keile, Bleisoleierung, Imprägnierharz – alles zusammen qualifiziert. Die Klasse ist eine Eigenschaft des Kombination, das als System gealtert ist.

Wo es hakt: Der Stapel befindet sich innerhalb des thermischen Bereichs des Wicklungssystems. Wenn sich die Schlitzauskleidung zusammenzieht, wenn das Harz weich wird oder wenn sich der Lack chemisch zersetzt, ändert sich der Wärmepfad vom Kupfer zum Kern, und der Stapel läuft mit einer geringeren Sicherheitsmarge, als die Laborvalidierung gezeigt hat. Der Stahl ist in Ordnung. Die magnetischen Eigenschaften sind in Ordnung. Das thermische Bild unterhalb der Maschine hat sich verändert.

Was ein Thermik-Kurs eigentlich verspricht

Die Buchstabenklassen – B bei 130 °C, F bei 155 °C, H bei 180 °C, 200, 220 – beziehen sich auf die Temperatur an der heißesten Stelle, die das System bei akzeptabler Lebensdauer aushalten kann. Nicht die Umgebungstemperatur. Nicht die Gehäusetemperatur. Nicht auf den Durchschnittswert im Ölwanne. Der heißeste Punkt in der Wicklung, in der Regel in der Mitte des Schlitzes.

Die folgende Rechnung ist der Teil, den man sich verinnerlichen sollte:

Betribt man ein System an der Grenze seiner Klasse, liegen die Ergebnisse der thermischen Belastbarkeitstests in der Regel bei etwa 20.000 Stunden. Bei Dauerbetrieb entspricht das etwas mehr als zwei Jahren. Für ein Elektrowerkzeug ist das in Ordnung. Für eine Pumpe, die ein Jahrzehnt lang laufen soll, ist das jedoch nicht ausreichend. Aus diesem Grund ist es gängige Praxis, eine Klasse höher als der Temperaturanstieg zu spezifizieren: Isolierung der Klasse F, Temperaturanstieg der Klasse B. Die grobe Faustregel – die Hälfte der Lebensdauer pro 10 K darüber, etwa das Doppelte pro 10 K darunter – ist ein gutes Planungsinstrument für die Alterung der Isolierung, auch wenn Lagerfett, Temperaturwechselbeanspruchung und spannungsbedingte Belastungen auf der Antriebsseite oft schon vor der Isolierung über die Zuverlässigkeit entscheiden.

Die Frage zum Kurs besteht also eigentlich aus zwei miteinander verknüpften Fragen. Welchen „Hot Spot“ erzeugt das Design tatsächlich – nachgewiesenermaßen, nicht nur geschätzt? Und in welcher chemischen Umgebung befindet sich dieser „Hot Spot“?

Die Beschichtungsfamilien und wie sich die Umgebung auf sie auswirkt

Interlaminare Beschichtungen werden in eine C-Serie unterteilt, die von natürlichem Walzoxid über organische Lacke bis hin zu vollständig anorganischen Phosphat- und Silikatsystemen sowie Hybridbeschichtungen reicht. Anstatt die gesamte Liste aufzuzählen, finden Sie hier die Version, die bei der Auswahl unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen von Bedeutung ist.

Aus dieser Tabelle lassen sich zwei Dinge ableiten, die in der Katalogsprache oft in den Hintergrund geraten.

Erstens bedeutet eine “höhere Klassennummer” nicht automatisch “besser”. Eine gefüllte anorganische Beschichtung ist abrasiver gegenüber Hartmetallwerkzeugen und kann den Wartungsaufwand für die Matrizen im Vergleich zu einem organischen System deutlich erhöhen. Handelt es sich bei dem Bauteil um eine 0,25-mm-Statorlamelle, die in einer Stückzahl von mehreren zehn Millionen hergestellt wird, ist die Standzeit des Werkzeugs ein wesentlicher Kostenfaktor und keine Nebensache.

Zweitens ist der Glühschritt eine Voraussetzung, keine Option. Wenn Ihre magnetischen Werkstücke nach dem Stanzen eine Spannungsentlastung erfordern – und bei dünnwandigen, siliziumreichen Werkstücken mit kleinen Zähnen ist dies häufig der Fall –, scheiden alle Beschichtungen mit organischen Bestandteilen aus oder erfordern einen dokumentierten Widerstandswert nach dem Glühen. Legen Sie den Fertigungsweg fest, bevor Sie eine Vorauswahl an Beschichtungen treffen. Stanzverfahren, Gratgrenze, Fügeverfahren, Glühen oder kein Glühen, Passgenauigkeit im Gehäuse. Wählen Sie dann eine Beschichtung aus, die danach noch sinnvoll ist.

Ölhaltige Umgebungen

Die Ölkühlung erhöht nicht die erforderliche Klasse. Sie senkt in der Regel die Temperatur, der die Isolierung ausgesetzt ist – und genau darum geht es ja. Was sich durch das Öl ändert, ist Welche Materialien fallen unter diese Kategorie?.

Chemiefilter, der zusätzlich zur thermischen Entscheidung angewendet wird. Eine Polymerfolie, die in Mineralöl aufquillt oder plastifiziert, ist unabhängig von ihrer Temperaturbeständigkeit ungeeignet. Esterflüssigkeiten verhalten sich anders als Mineralöle, und Automatikgetriebeöle unterscheiden sich wiederum davon – hinsichtlich Additivpaketen, Wassergehalt und Säuregehalt über die gesamte Lebensdauer. Verbundwerkstoffe auf Aramidbasis haben eine lange Erfolgsgeschichte in ölgefüllten Anlagen, da ihre chemische Zusammensetzung sowohl in Mineralölen als auch in Esterflüssigkeiten stabil ist. Diese Erfolgsbilanz ist mehr wert als ein unter Laborbedingungen ermittelter Wert aus einem Datenblatt.

Die Anleihegrenze ist in der Regel die eigentliche Grenze. Dies ist der Aspekt, der in den meisten Spezifikationen übersehen wird. Ein Stapel kann in einer Maschine der Klasse H eingebaut sein und dennoch eine Klebeschicht enthalten, deren Glasübergangstemperatur im Bereich von 80–100 °C liegt. In veröffentlichten Arbeiten zu wasserbasierten Epoxidlacksystemen für Elektrostahl wurden ausgehärtete Schichten mit Glasübergangstemperaturen zwischen etwa 81 °C und 102 °C festgestellt, wobei die Roll-Peel-Festigkeit bei 100 °C bei 50% und bei 140 °C bei etwa 75% abfiel. Die Klasse des umgebenden Isoliersystems bot keinen Schutz für die Verbindung. Prüfen Sie den Klebstoff auf Laminier-Hotspot, nicht die Klassenbezeichnung auf dem Motor.

Öl ist nicht unbedingt der ausschlaggebende Faktor für die Alterung. Ermüdungs- und Delaminationsversuche an epoxidverklebtem Elektroblech haben gezeigt, dass das Risswachstumsverhalten in Heißluft und in einem ölbasierten Kühlmedium unter bestimmten Bedingungen weitgehend ähnlich war – wobei der Übergangspunkt der Ermüdungsschwelle eher dem Übergangsbereich des Klebstoffs als dem des Fluids folgte. Wärme und viskoelastische Erweichung können ebenso wichtig sein wie der Kontakt mit der Flüssigkeit. Manchmal sogar noch wichtiger.

Die Alterung in Öl unterliegt anderen Gesetzmäßigkeiten als die Alterung an der Luft. Durch das Eintauchen wird Sauerstoff ausgeschlossen, was den oxidativen Abbau organischer Bestandteile verlangsamt. Gleichzeitig wirken jahrzehntelang Wärme, Flüssigkeit und Vibrationen auf die Klebeverbindungen ein. Ein Laminat der Klasse F, das ordnungsgemäß in Öl qualifiziert wurde, hält in der Regel länger als ein Material einer nominell höheren Klasse, dessen Klebstoff ausschließlich im trockenen Zustand validiert wurde. Fragen Sie nach der Alterungsgrundlage. Lautet die Antwort “Die Folie ist für 180 °C ausgelegt”, bezieht sich diese Angabe auf eine einzelne Schicht.

Dicke der Klebefuge. Ab einem bestimmten Punkt gilt: Dicker ist nicht gleich stärker. In einer Studie stieg die Abziehfestigkeit mit zunehmender Klebstoffdicke bis zu etwa 20 µm an und stagnierte danach. Zusätzlicher Klebstoff geht zu Lasten des Stapelfaktors und bringt keinen zusätzlichen Nutzen.

Praktische Anforderungen an ölgekühlte Stapel: Abziehen oder Abscheren nach der Ölalterung bei Betriebstemperatur, nicht das Eintauchen bei Raumtemperatur und auch kein 48-stündiges Eintauchen. Außerdem zyklische Belastung im selben Medium, wenn es sich um einen tragenden Stapel handelt.

Wasser, Feuchtigkeit und Umgebungen mit eingeschlossenen Flüssigkeiten

Feuchtigkeit wirkt sich auf unterschiedliche Weise aus. Es handelt sich dabei um einen chemischen und keinen thermischen Mechanismus, der ein System zum Ausfall bringen kann, das noch weit von seiner Klassengrenze entfernt ist.

Polyesterfolie – das kostengünstige Arbeitstier, aus dem die meisten Schlitzauskleidungen bestehen und das je nach Qualität in die Klassen E bis B eingestuft wird – ist anfällig für Hydrolyse. Heiße, feuchte und versiegelte Umgebungsbedingungen verringern das Molekulargewicht und die Durchschlagfestigkeit. Die Folie wird spröde. Verbundpapiere mit einem Polyesterkern weisen diese Schwäche in der Kernschicht auf, selbst wenn die äußeren Aramidschichten davon unberührt bleiben. Aus diesem Grund ist die Lagerung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit unter etwa 60% eine echte Spezifikation für diese Materialien und keine übertriebene Anforderung seitens des Lagers. Hydrolytische Stabilität, grob eingestuft: Polyphenylensulfid- und Polyimidfolien halten gut stand, Polyethylennaphthalat liegt dazwischen, Polyester ist der schwächste Vertreter.

In einem hermetisch abgeschlossenen Kompressor verschärft sich die Situation noch. Feuchtigkeit, Schmiermittel, Kältemittel und Wärme können gemeinsam zur Bildung von Säure führen. Sobald an einem Polyesterbauteil die Hydrolyse einsetzt, bleibt der Schaden nicht auf diese Schicht beschränkt – er breitet sich durch die gesamte Isolierung aus. Der Zustand der Schlitzauskleidung, der Lackierung und der Leitungsisolierung verändert sich, und damit ändert sich auch das thermische Verhalten.

Was den Stapel selbst betrifft, wirft Wasser zwei separate Probleme auf:

• Korrosion an der Schnittkante. Die Beschichtung bedeckt die Oberfläche des Blechs. Die gestanzte Kante besteht aus blankem Stahl und weist einen Grat auf. Im Kondensationsbetrieb oder bei Wet-Rotor- und Canned-Konstruktionen ist diese Kante die Ausbruchsstelle. Eine strenge Gratkontrolle und eine korrosionsbeständige Beschichtungszusammensetzung sind hier wichtiger als der Oberflächenwiderstand.
• Interlaminare Kurzschlüsse durch Feuchtigkeitsschichten. Oxidbeschichtungen mit geringem Widerstand, die im trockenen Zustand vollkommen ausreichend sind, können ihre Sicherheitsmarge verlieren, wenn ein leitfähiger Film die Lamellen überbrückt. Falls die Maschine Kondensationszyklen ausgesetzt ist, geben Sie einen gemessenen Oberflächenisolationswiderstand sowie eine Feuchtigkeitsbelastungsbedingung an, unter der dieser Wert eingehalten werden muss.

Antikondensationsheizung, Entwässerung, Entlüftungsvorrichtungen und die Schutzart sind Teil der Entscheidung über die Isolierung, auch wenn sie in einer anderen Zeichnung aufgeführt sind. Eine Maschine, die nie so kalt wird, dass es zur Kondensation kommt, hat geringere Anforderungen an die Isolierung, als es ihre Klasse vermuten lässt.

Über 180 °C

Sobald der Hotspot die Klasse-H-Linie überschreitet, verengt sich der Materialbereich rasch, und die Kosten steigen sprunghaft an, anstatt gleichmäßig anzusteigen.

Folien auf Polyesterbasis gibt es nicht mehr. Aramidpapiere, Polyimidfolien, Polyphenylensulfidfolien, Glimmerverbundwerkstoffe und Hochtemperaturharze übernehmen diese Aufgabe. Reines Aramidpapier ist für den Dauereinsatz bei etwa 220 °C ausgelegt und schmilzt nicht, nimmt jedoch mehr Feuchtigkeit auf als folienbasierte Alternativen – ein Kompromiss, den man bewusst und nicht aus Versehen eingeht.

Auf der Stapelseite lässt sich die Klebeverbindung als primäre Fügeverfahren bei Temperaturen über etwa 180 °C nur noch schwer rechtfertigen, es sei denn, das Klebstoffsystem wurde speziell dafür entwickelt und es liegen Daten zur Temperaturbeständigkeit vor. Schweißen und Verriegelung werden strukturell attraktiver, gehen jedoch zu Lasten der interlaminaren Leistung an der Verbindungsstelle. Gefüllte anorganische Beschichtungen überstehen Ausbrennreparaturen und Hochtemperatur-Prozessschritte; einige werden als thermisch beständig bis etwa 420 °C angegeben, was für Wickelbetriebe von Bedeutung ist, die Wicklungen ausbrennen und den Kern wiederverwenden.

Achten Sie auch auf den Ablauf. Dünne Beschichtungen, die aufgrund ihres Verhaltens beim Schweißen oder beim automatischen Stapeln ausgewählt wurden, sind möglicherweise nicht dieselben Beschichtungen, die auch nach einer langen thermischen Einwirkzeit die elektrische Trennung aufrechterhalten. Nur sehr wenige Beschichtungen sind in beiden Bereichen optimal geeignet.

Ein Auswahlverfahren, das sich bewährt

1. Legen Sie zunächst den Fertigungsablauf fest. Stanzen oder Laserschneiden, Grattziel, Glühen oder kein Glühen, Fügeverfahren, Gehäuseschnittstelle.
2. Sichere dir einen verifizierten Hotspot, Keine berechnete Umgebungstemperatur. Daten von Thermoelementen oder integrierten Sensoren aus einer repräsentativen Anlage unter Worst-Case-Betriebsbedingungen – höchste Umgebungstemperatur, geringster Kühlmitteldurchfluss, Ende der Lebensdauer des Wärmetauschers.
3. Stellen Sie die Wicklungsklasse eine Stufe über den Auslegungsanstieg ein es sei denn, die Nutzung erfolgt tatsächlich nur sporadisch.
4. Setzen Sie den Flüssigkeitsfilter ein. Geben Sie die genaue Flüssigkeit an: Mineralöl, synthetischer Ester, natürlicher Ester, Getriebeöl, Kältemittel mit Schmierzusatz, entionisiertes Wasser-Glykol-Gemisch. Einschließlich Konzentration und Additivpaket.
5. Die Klebeschicht und die Beschichtung separat prüfen gegen denselben Hotspot. Das Systemklasse darf keines der beiden ersetzen.
6. Definieren Sie die Qualifikationsbedingung so, dass sie der Dienstleistung entspricht. Reifung in der tatsächlichen Flüssigkeit, bei der tatsächlichen Temperatur, unter den tatsächlichen Belastungsbedingungen und über einen Zeitraum, der aussagekräftig ist.
7. Dann legen Sie den Preis fest. Die überdimensionierte Auslegung eines Hochtemperatur-Aramids für einen Motor der Klasse B in einem Haushaltsgerät kann die Kosten für die Isolierung um ein Vielfaches erhöhen, ohne dass sich dies positiv auf die Zuverlässigkeit auswirkt.

In Schritt 6 entscheidet sich in der Regel über Erfolg oder Misserfolg eines Programms. Aktuelle Daten aus Lap-Shear-Tests bei Raumtemperatur haben nahezu keinen Vorhersagewert für einen geklebten Stapel in heißem Öl unter zyklischer Belastung.

FAQ

Benötigt ein ölgekühlter Motor eine höhere Isolationsklasse? Meistens ist es genau umgekehrt. Eine effektive Flüssigkeitskühlung senkt die Temperatur an den Hotspots, wodurch Sie eine niedrigere Klasse wählen können. Das Öl schränkt hingegen ein, welche Werkstoffe innerhalb der von Ihnen gewählten Klasse zulässig sind. Geben Sie bei der Spezifikation sowohl die Klasse als auch die genaue Flüssigkeit an.

Kann ich die auf dem Typenschild des Motors angegebene Klasse zur Auswahl des Klebstoffs für den Stapel heranziehen? Nein. Die Klasse beschreibt das als Ganzes gealterte Wicklungsisolationssystem. Eine Klebeschicht im Inneren des Stapels kann eine Glasübergangstemperatur aufweisen, die 80–100 K unter dem Grenzwert der Klasse liegt, und dennoch für diese Maschine verkauft werden. Schützen Sie die Klebstoffe vor dem Hotspot der Laminierung.

Ist eine Beschichtung aus organischem Material plus Füllstoff bei ölgetauchten Kernen zulässig? Wird im Allgemeinen als die riskantere Wahl angesehen. Der organische Anteil ist derjenige, der über Jahre hinweg mit heißer Flüssigkeit in Kontakt kommt. Vollständig oder überwiegend anorganisch gefüllte Beschichtungen sind die herkömmliche Lösung für den langfristigen Einsatz in Ölbädern und vertragen zudem das Spannungsarmglühen.

Was geht in einer feuchten Umgebung als Erstes kaputt? Bauteile auf Polyesterbasis durch Hydrolyse und gestanzte Kanten durch Korrosion. Bei keinem dieser Ausfälle muss die Maschine nahe an ihre thermische Belastungsgrenze gebracht werden.

Wie groß sollte die thermische Reserve bei einem Entwurf sein? Eine Erhöhung um 10 K halbiert oder verdoppelt in etwa die thermische Lebensdauer der Isolierung, weshalb bei den meisten industriellen Konstruktionen ein Temperaturanstieg angestrebt wird, der eine Klasse unterhalb der Isolierung liegt. Maschinen im Aussetzbetrieb werden manchmal absichtlich heißer betrieben, um eine höhere Leistungsdichte zu erzielen, wobei eine kürzere Lebensdauer der Isolierung in Kauf genommen wird.

Hat das Spannungsarmglühen Einfluss auf die Wahl des Isoliermaterials? Das ist entscheidend. Glühbeständige Beschichtungen halten Temperaturen von etwa 800–850 °C unter inerter oder leicht reduzierender Atmosphäre stand, auch wenn der Oberflächenwiderstand danach sinken kann. Organische Systeme verbrennen entweder oder hinterlassen Kohlenstoffrückstände, die den Widerstand verringern. Entscheiden Sie sich für die Glühbehandlung, bevor Sie eine Vorauswahl an Beschichtungen treffen, nicht erst danach.

Welche einzelne Information trägt am meisten zur Verbesserung eines Angebots bei? Die bestätigte Temperatur am Hotspot und die genaue Flüssigkeit in der ersten Nachricht. Diese beiden Werte schließen den Großteil des Materials sofort aus und ersparen eine Woche langes Hin und Her.