EnduroTemp® 260+ verbessert den Wärmeübergangskoeffizienten

Als das Essex MagForceX® Innovation Center mit der Entwicklung von EnduroTemp® 260+ begann, ging es darum, das Problem der Teilentladung – auch als Korona bekannt – zu lösen und gleichzeitig die Betriebstemperatur eines Traktionsmotors zu erhöhen.

Beide Probleme wurden gelöst; dabei könnte sich jedoch auch der Wärmeübergangskoeffizient verbessert haben.

Matt Leach, Leiter des MagForceX®-Innovationszentrums, erklärt, dass die Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten zwar ein unbeabsichtigter Erfolg gewesen sein mag, dem Produkt jedoch einen zusätzlichen Mehrwert verleiht – und, was noch wichtiger ist, den Motorenentwicklern einen exponentiellen Mehrwert bietet.

„Wenn Sie die Leistungsdichte erhöhen oder die Leistung dieses Motors steigern, entsteht durch den Widerstand mehr Wärme; wenn Sie diese Wärme jedoch schneller abführen können, wird der Motor effizienter“, sagte er. „Das Isolationssystem hält einer höheren Betriebstemperatur stand, sodass selbst bei etwas höheren Betriebstemperaturen die Isolation selbst die Wärme schneller ableitet als herkömmliche Isolierungen. Dadurch können Sie den Motor buchstäblich länger bei höheren Temperaturen betreiben, und das bei geringerem Risiko einer Beschädigung der Leitungen.“

EnduroTemp® 260+ ist ein Produkt, das Konstrukteuren die Möglichkeit bietet, die Leistungsdichte zu maximieren oder Magnetdrähte in neuen Hochtemperaturanwendungen und anspruchsvollen Einsatzbereichen, einschließlich Antrieben mit variabler Drehzahl, einzusetzen.

Beispiel für EnduroTemp® 260+

Es handelt sich um eine Isolierung für Magnetdraht, die die Lebensdauer von Traktionsmotoren in kritischen Transportanwendungen verlängert – sie wurde speziell dafür entwickelt, höheren Betriebstemperaturen standzuhalten, und weist mit 265 °C die branchenweit beste thermische Beständigkeit auf. Das Produkt schützt den Motor zudem vor Verschleißerscheinungen, die durch die moderne Leistungselektronik zur Steuerung des Motors verursacht werden. Es verfügt über eine Lackfilmoberfläche, die die bei Klebebandprodukten auftretenden Unebenheiten beseitigt, da Überlappungen oder Lücken vermieden werden. Der Reibungskoeffizient ist zudem deutlich besser als bei einem mit Klebeband umwickelten Produkt, wodurch Spulen in kürzerer Zeit hergestellt werden können.

EnduroTemp® 260+ eignet sich vor allem für den Einsatz im Transportwesen, jedoch nicht nur in herkömmlichen Fahrzeugen, da es auch im Offroad-Einsatz, bei schweren Bergbaumaschinen und in elektrifizierten Nutzfahrzeugen einen großen Beitrag leisten kann und sich zudem als perfekte Lösung für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt bewährt hat. Andere Hochtemperatur-Wicklungen werden einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein, wie beispielsweise der Wärmeableitung in Tunneln auf den europäischen Märkten oder giftigen Dämpfen an unterirdischen Arbeitsstätten.

„Ich kann mir vorstellen, dass dieses Material für Anwendungen mit hoher Hitzeeinstrahlung eingesetzt wird, wie beispielsweise bei Motoren, Lichtmaschinen und Anlassern, die unter jeglichen klimatischen Bedingungen mit hoher Hitzeeinstrahlung zum Einsatz kommen“, sagte Leach. „In der Vergangenheit wurde für einige dieser Anwendungen Polyimid verwendet, doch dies ist ein guter, ja sogar noch besserer Ersatz für Polyimid.“

„Ein weiterer wichtiger Markt wären umrichtergesteuerte Motoren, beispielsweise in Industriemotoren, die in Bereichen mit hoher Wärmeentwicklung eingesetzt werden, oder in Bohrlochpumpen für die Öl- und Gasförderung.“

Allan Knerr, ein Forschungs- und Entwicklungschemiker bei Essex Magnet Wire, war der Hauptentwickler des Produkts.

Er erklärte, dass das Zusammenspiel dieser drei Hauptvorteile ein revolutionäres Produkt ergeben dürfte.

Es handelt sich um eine Entwicklung, die die Sichtweise der Menschen auf die Motorkonstruktion verändern könnte, indem sie es ihnen ermöglicht, die vermeintlichen Grenzen des heutigen Stands der Technik zu überwinden.

„Nun, da die thermische Beständigkeit bei 265 °C liegt, gehört dieser Lackdraht – wenn nicht sogar der mit der höchsten Einstufung – zu den Materialien mit der höchsten Einstufung, was sehr spannend ist. Die Tatsache, dass er der Koronaentladung standhält und eine so gute Wärmeübertragung aufweist – ich bin mir sicher, dass der Wärmeübergangskoeffizient bei der thermischen Beständigkeit eine Rolle gespielt hat –, dürfte das Leben für Hersteller von Elektromotoren insgesamt erleichtern“, sagte er. „Das scheint mir einfach ein entscheidender Vorteil zu sein.“

„Sie wissen, dass wir uns den Grenzen der Metallmaterialien nähern. Kupfer eignet sich für bestimmte Temperaturbereiche. Aluminium eignet sich für bestimmte Temperaturbereiche, und wir nähern uns der Einsatzgrenze dieser Werkstoffe immer mehr an. Daher bin ich mir nicht sicher, wie es von hier aus weitergehen wird, aber jeder noch so kleine Fortschritt, den wir erzielen können, wird es uns ermöglichen, noch mehr zu erreichen.“

Leach pflichtete dem bei und erklärte, dass die Betriebsfähigkeit bei 265 °C über die Testgrenzen von 20.000 Stunden hinaus sicherstelle, dass die Produkte, in denen EnduroTemp® 260+ verbaut ist, die Anforderungen an die Lebensdauer der jeweiligen Anwendung übertreffen.

„Dies wird dazu beitragen, einen Motor effizienter zu machen, was wiederum das gesamte Fahrzeug – sofern es in ein Auto eingebaut wird – effizienter macht. Möglicherweise erzielen Sie mit derselben Batterie eine längere Fahrzeit oder können aufgrund des effizienteren Motors eine kleinere Batterie verwenden“, sagte er. „Andere Teile des Motors würden zuerst ausfallen.“

EnduroTemp® 260+ wurde hinsichtlich der dielektrischen Durchschlagspannung an verdrillten Adernpaaren der Stärke 12 AWG bei Umgebungstemperatur getestet und überschritt dabei 11.000 Volt. Der Impulsfestigkeitstest an verdrillten Adernpaaren der Stärke 12 AWG wurde nach 72 Stunden ohne Ausfälle beendet, gemessen gemäß der Prüfmethode GB/T 21707-2008 mit einer Anstiegszeit von 100 ns. Der Impulsfestigkeitstest an 18-AWG-verdrillten Adernpaaren wurde nach 20 Stunden ohne Ausfälle beendet, gemessen gemäß der Prüfmethode GB/T 21707-2008 mit einer Anstiegszeit von 100 ns. Der Lebensdauertest des Wechselrichters an 18-AWG-verdrillten Adernpaaren dauerte 294 Stunden, gemessen im UL-zertifizierten Kabeltestlabor des Essex MagForceX® Innovation Center. Dieser Zeitrahmen ist dreimal besser als der des nächsten Wettbewerbers in der Branche.

Chris Richardson, Motorkonstrukteur und Ingenieur am MagForceX® Innovation Center, erklärte, dass die erzielten Werte schlichtweg revolutionär seien, insbesondere hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit.

„Wir haben Erfahrungsberichte von einigen unserer Kunden erhalten, wonach einige dieser Motoren 10 bis 20 Grad kühler liefen“, sagte er. „Bei einigen dieser Fälle mit hoher Teilentladung würden die Anwendungen andernfalls eine sehr dicke Lackschicht benötigen, um zu funktionieren. Indem man diesen Wärmepfad leitfähiger macht, kann man die Wärme im Grunde leichter abführen – und das mit deutlich weniger Lack. Dies ermöglicht es dem Konstrukteur, das Design in verschiedener Hinsicht zu verbessern, unter anderem hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistungsdichte.“

„Diese großen Automobilhersteller bemühen sich um eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und der dielektrischen Eigenschaften. Dies ist eine jener Eigenschaften, von denen jeder weiß, dass sie verbessert werden müssen. Wenn man also sagt, dass die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu einem Standard-Polyimid in Lack um das Zwei- bis Dreifache verbessert ist, dann bedeutet das sehr viel.“

Da EnduroTemp® 260+ herkömmlichen Emaillen weit überlegen ist, könnten sich Anwendungsfälle ergeben, bei denen mehr Leitermaterial auf gleichem Raum untergebracht und die Leistungsdichte erhöht werden kann. Es mag jedoch auch Anwendungsfälle geben, in denen ein Konstrukteur eine dünnere Schicht wünscht, was zu unterschiedlichen Ergebnissen führen könnte.

Leach erklärte, dass die Liste der Anwendungsmöglichkeiten für das Produkt immer länger werde und dass der beste Weg, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, darin bestehe, sich mit seinem Team zu beraten.

„Es ist schwierig, diesem Produkt in einem kurzen Gespräch gerecht zu werden, aber wir verfügen über die Daten, die all dies untermauern“, sagte er. „Jemand mit einem Hintergrund in Elektrotechnik oder Motorenkonstruktion wird sich sicherlich dafür interessieren, was bereits umgesetzt wurde und was noch möglich ist, und wir begrüßen solche Gespräche.“

„Unsere Marktexperten bringen fast täglich neue Ideen für Anwendungsmöglichkeiten ein, und das ist spannend. Wir kennen uns mit der technischen Seite aus, aber ich glaube, wir haben erst an der Oberfläche gekratzt, was die Einsatzmöglichkeiten von EnduroTemp® 260+ angeht.“

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EnduroTemp® 260+ – Datenblatt