Was E-Autos wirklich antreibt – Mikrometer für die Mobilität von morgen
Wenn über die Mobilitätswende gesprochen wird, dreht sich meist alles um Batterien, Reichweiten, Ladestationen oder neueste Trends bei Elektrofahrzeugen. Kaum jemand hat dabei funktionale Lacke und Beschichtungen im Blick. Und doch ist ein Teil des Erfolgs der Elektromobilität ohne die mikrometerdünnen Beschichtungen, die an und in Elektromotoren im Verborgenen ihre Funktionen erfüllen, nicht denkbar.
Lacke, Farben und Druckfarben machen unsere Welt seit Jahrtausenden schöner. Mehr noch: Sie schützen, was uns lieb und teuer ist und machen unsere Umgebung bunt. Doch moderne Beschichtungen können noch viel mehr: Sie schonen Ressourcen, beschleunigen Prozesse, helfen der Umwelt oder retten sogar Leben. In unserer Serie „Smarte Farben“ stellen wir solche unverzichtbaren Lacke, Farben und Druckfarben vor. Diesmal: Moderne Lacke für Elektromotoren.
Moderne Beschichtungssysteme verbessern Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit von Elektromotoren.
Im Inneren eines Elektromotors herrschen hohe Temperaturen, starke elektromagnetische Felder und enorme mechanische Belastungen. Tausende Kupferwindungen, Stahlbleche und Isolationsmaterialien müssen dauerhaft präzise zusammenarbeiten. Bereits geringe Energieverluste können die Effizienz eines Fahrzeugs messbar beeinflussen. Hier kommen spezielle Beschichtungssysteme ins Spiel, die all diesen Herausforderungen wirkungsvoll begegnen. Moderne Elektrofahrzeuge sind weit mehr als Batterien auf Rädern. "Effizienz, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Elektromotoren hängen entscheidend von Materialien ab, deren Wirkung zunächst unterschätzt wird. Elektroblechlacke, Drahtlacke und Tränkharze sorgen dafür, dass elektrische Energie möglichst verlustarm in Bewegung umgesetzt werden kann. Diese Systeme kommen heute in Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren und zunehmend auch in elektrischen Fahrzeugantrieben zum Einsatz“, erklärt Bogdan Moraru, Sr. Technology Manager Industrial Coatings EMEA bei Axalta Coating Systems. Die Anforderungen an Elektromotoren wachsen rasant. Fahrzeughersteller verlangen höhere Reichweiten, kürzere Ladezeiten, geringere Gewichte und kompaktere Bauformen. Gleichzeitig sollen die Systeme langlebiger und nachhaltiger werden. Was zunächst nach einer Aufgabe für Maschinenbauer oder Batterieentwickler klingt, betrifft jedoch ebenso die Beschichtungsindustrie. Jeder Energieverlust im Elektromotor wird zu Wärme. Jede zusätzliche Wärmeentwicklung reduziert die Effizienz. Jeder unnötige Materialeinsatz verteuert die Produktion – genau hier setzen moderne Isolationssysteme an.
Elektroblechlacke: Mehr Reichweite durch weniger Verluste
Das Herz eines Elektromotors besteht aus hunderten dünnen, gestanzten oder lasergeschnittenen Lamellen aus Elektroblechen. Sie bilden die magnetischen Kerne von Rotor, dem drehbaren, und Stator, dem feststehenden Teil eines Elektromotors. Der Stator erzeugt ein Magnetfeld, während der Rotor durch magnetische Anziehung und Abstoßung in Bewegung versetzt wird. Beide wandeln elektrische Energie in mechanische Leistung um. Würden die Bleche von Stator und Rotor direkt aufeinanderliegen, entstünden sogenannte Wirbelströme. Diese verursachen Energieverluste und unerwünschte Wärmeentwicklung. Die Folge wären geringere Wirkungsgrade und eine schlechtere Energieausnutzung. „Elektroblechlacke bieten hier eine entscheidende technologische Lösung. Indem sie die einzelnen Bleche elektrisch voneinander isolieren und den Widerstand zwischen den Lamellen erhöhen, reduzieren sie Wirbelströme effektiv. Das Ergebnis ist eine höhere Effizienz und Leistungsfähigkeit von Motoren und Generatoren“, unterstreicht Matthias Grünberg, Team Manager Technology bei Axalta Coating Systems. Die Beschichtung verbessert darüber hinaus auch die Verarbeitung der Bleche, die als Coils, das heißt als aufgerollte bereits lackierte Blechbänder, bei den Stanzwerken oder Zulieferern für die Automobilindustrie angeliefert werden. “Je nach organischem Anteil im Lack verhält er sich beim Stanzen der Lamellen wie ein Schmierfilm, der sich um die Kanten legt und diese damit schützt“, erläutert Stefan Helfert, Head of R&D Electrical Insulating Coatings bei Kansai Helios. „Gleichzeitig reduzieren moderne Elektroblechlacke damit den Werkzeugverschleiß bei den Verarbeitern”.
Isolierschichten hauchdünn
Die Isolierschicht jedes einzelnen Blechs ist nur hauchdünn – meist nur wenige Mikrometer dick. Dies ist notwendig, da für die Effizienz eines Elektromotors ein hoher sogenannter Eisenfüllfaktor gefordert ist. Der Eisenfüllfaktor, auch Stapelfaktor genannt, beschreibt das Verhältnis des Eisenvolumens zum Gesamtvolumen des laminierten Blechpakets. „Es ist logisch, dass Bleche mit besonders dünnen Lackschichten diesen Faktor erhöhen, da weniger Platz durch das Isoliermaterial verloren geht“, erklärt Helfert. Je höher der Eisenfüllfaktor, desto mehr magnetisch leitfähiges Eisen befindet sich im Kern, was einen kompakteren Motor, eine höhere Leistungsdichte und ein stärkeres Drehmoment zur Folge hat. Neben den isolierenden Elektroblechlacken sind sogenannte Backlacke für die Leistung und Laufruhe von Elektromotoren essenziell. Ein Backlack ist eine thermisch aktivierbare Beschichtung auf den Lamellen, der diese bei einer Temperatur zwischen 150 und 220 Grad Celsius zu einem festen Block miteinander verbindet. Während die Isolierlacke die elektrischen Eigenschaften regelt, schafft der Backlack gleichzeitig die mechanische Verbindung. Gerade in den Antriebsmotoren moderner Elektrofahrzeuge kommen heute häufig Beschichtungssysteme zum Einsatz, die beide Funktionen kombinieren: Sie isolieren die Lamellen zuverlässig gegeneinander und ermöglichen zugleich deren dauerhafte Verklebung zu einem hochpräzisen Blechpaket. Dadurch lassen sich Energieverluste reduzieren, Vibrationen und Geräusche minimieren sowie kompakte, leistungsstarke Elektromotoren realisieren. "Moderne Dünnschicht-Isolationssysteme und leistungsfähige Backlacke zählen zu den wichtigsten
Meilensteinen in der Beschichtungstechnologie für Elektromotoren“, stellt Helfert fest. „Denn die Kombination dieser beiden Systeme ermöglicht kompaktere Konstruktionen, einen besseren Eisenfüllfaktor sowie eine effizientere Fertigung ohne zusätzliche Fügetechniken wie Schweißen oder Nieten.“ Auch im Produktionsprozess der beschichteten Stahlbänder hat die Innovationsfreude der Lackhersteller dabei geholfen, die rapide steigende Nachfrage nach Elektromotoren überhaupt bewältigen zu können. „Der Verbackungsprozess der Lamellen war in der Vergangenheit der Flaschenhals bei der Produktion von Motoren“, erklärt Tamara Löffler, verantwortlich für das Sales & OEM Management Electrical Insulating Varnishes bei Kansai Helios„Wir konnten mit der Entwicklung von Schnellklebe-Backlacken die Aushärtezeit der Beschichtung von damals rund 1,5 Stunden drastisch auf wenige Minuten senken. Ein entscheidender Schritt für die Erhöhung der Produktionsmengen.“
Drahtlacke: Die Schutzschicht der Kupferadern
Für die Funktion und Leistungsfähigkeit von Motoren sind sogenannte Drahtlacke mindestens ebenso wichtig. Sie bilden die primäre elektrische Isolation der Kupferdrähte, aus denen die Wicklungen eines Elektromotors bestehen. Die Anforderungen sind enorm. Die Lackschicht ist oft nur wenige Mikrometer dick muss aber hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen und elektrischen Spannungen dauerhaft standhalten. Besonders relevant für moderne Drahtlacke ist die sogenannte Corona-Beständigkeit. Moderne Antriebssysteme arbeiten mit schnellen Schaltzyklen von Frequenzumrichtern. Dadurch entstehen hohe Spannungsspitzen, die zu Mikrolichtbögen, das heißt Teilentladungen auf der Drahtoberfläche, führen. Sie bombardieren gleichsam die Isolierung und zersetzen sie durch Elektronenbeschuss und Ozon. Das können Drahtlacke verhindern, deren integrierte Nanofüllstoffe den Durchschlag und die Erosion des Lackes durch Teilentladungen blockieren. Sie wirken als physische Barriere für die elektrischen Entladungen. Durch solche Lacke kann die Lebensdauer der Wicklung um ein Vielfaches verlängert werden. „Teilentladungsbeständige Drahtlacke eignen sich besonders für moderne 800-Volt-Systeme“, führt Grünberg aus. „Basis dafür sind innovative organisch- anorganische Hybridbeschichtungen, bei denen die Nanopartikel kovalent an das Polymerrückgrat angebunden sind. Dieser Verbund ermöglicht sehr flexible Beschichtungen mit hohem Füllstoffgehalt, die extrem robust und widerstandsfähig sind. Der Einsatz hauchdünner Schichten ermöglicht einen hohen Kupferfüllfaktor und damit kompakte, langlebige Motoren mit hoher Leistungsdichte.“ Ein moderner Drahtlack muss gleich mehrere Eigenschaften gleichzeitig erfüllen: Er muss elektrisch isolieren, mechanisch belastbar sein, Wärme aushalten und möglichst wenig Platz beanspruchen. Je dünner die Isolationsschicht bei gleicher Leistungsfähigkeit ausfällt, desto mehr Kupfer kann auf gleichem Raum untergebracht werden. Dadurch steigt die Leistungsdichte des Motors. Und den Konstrukteuren von Motoren verschafft dies mehr Freiheit: Denn je leistungsfähiger die Isolation, desto kompakter lässt sich der Motor bauen.
Tränkharze: Aus Einzelteilen wird ein System
Während Elektroblechlacke und Drahtlacke einzelne Komponenten schützen, sorgen Tränkharze dafür, dass aus vielen Einzelteilen ein robustes Gesamtsystem entsteht. Nach dem Wickeln werden Motoren häufig mit speziellen Harzsystemen imprägniert. Sie durchdringen die Wicklungen und verbinden Drähte, Isolationsmaterialien und Blechpakete zu einer mechanisch stabilen Einheit. Die Vorteile sind vielfältig: Die Harze schützen vor Feuchtigkeit, Chemikalien und Vibrationen. Gleichzeitig verbessern sie die Wärmeübertragung innerhalb des Motors. Dadurch kann entstehende Verlustwärme effizienter abgeführt werden. Gerade im Automobilbereich ist dies von großer Bedeutung. Die sogenannten Traktionsmotoren – also Motoren, die für den Antrieb der Radsätze eines Fahrzeugs verantwortlich sind – müssen über viele Jahre hinweg Vibrationen, Temperaturschwankungen und wechselnde Lastzustände verkraften. Die Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen wirkt sich nicht zuletzt auch positiv auf den Fahrkomfort aus. Während Elektroblechlacke und Drahtlacke einzelne Komponenten schützen, sorgen Tränkharze dafür, dass aus vielen Einzelteilen ein robustes Gesamtsystem entsteht. Nach dem Wickeln werden Motoren häufig mit speziellen Harzsystemen imprägniert. Sie durchdringen die Wicklungen und verbinden Drähte, Isolationsmaterialien und Blechpakete zu einer mechanisch stabilen Einheit. Die Vorteile sind vielfältig: Die Harze schützen vor Feuchtigkeit, Chemikalien und Vibrationen. Gleichzeitig verbessern sie die Wärmeübertragung innerhalb des Motors. Dadurch kann entstehende Verlustwärme effizienter abgeführt werden. Gerade im Automobilbereich ist dies von großer Bedeutung. Die sogenannten Traktionsmotoren – also Motoren, die für den Antrieb der Radsätze eines Fahrzeugs verantwortlich sind – müssen über viele Jahre hinweg Vibrationen, Temperaturschwankungen und wechselnde Lastzustände verkraften. Die Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen wirkt sich nicht zuletzt auch positiv auf den Fahrkomfort aus.
Nachhaltigkeit beginnt im Inneren des Motors
Neben dem Beitrag, den die Elektromobilität zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes leistet, tragen auch moderne Beschichtungen selbst zu mehr Nachhaltigkeit bei. Ihre Rolle wird dabei häufig unterschätzt. Dabei verbessern sie die Energieeffizienz elektrischer Maschinen. Jeder vermiedene Energieverlust bedeutet einen geringeren Stromverbrauch. Darüber hinaus verlängern hochwertige Isolationssysteme die Lebensdauer von Motoren und Generatoren. „Bei unserer Forschung und Entwicklung von modernen Beschichtungssystemen steht auch das Thema Nachhaltigkeit klar im Fokus“, hebt Moraru hervor. „Nehmen wir etwa klassische Drahtlacke: Hier ist es uns gelungen, Rohstoffe wie Phenole und Kresole durch umweltfreundliche und weniger gesundheitsgefährdende Alternativen zu ersetzen. Auf diese Weise verbessern wir nicht nur den Arbeitsschutz in der Produktion, sondern minimieren auch den ökologischen Fußabdruck. Das ist eines von vielen Beispielen dafür, das sich Nachhaltigkeit und technologischer Fortschritt nicht ausschließen.“
Ideen für die Zukunft
"Wir stehen mit unseren Beschichtungstechnologien zwar ziemlich am Beginn der Produktionskette von Elektromotoren, aber dennoch haben unsere Produkte maßgeblichen Einfluss auf ihre Funktion“, weiß Tamara Löffler. „Wir erwarten für die Zukunft steigende Anforderungen an die Effizienz: höhere Drehzahlen, neue Elektrostähle und innovative Fertigungstechnologien werden die Entwicklung prägen.“Das wird sich auch auf die Spezifikationen der Beschichtungstechnologien auswirken. Sie werden zukünftig möglicherweise zusätzliche Funktionen übernehmen – beispielsweise zur Verbesserung des Wärmemanagements. „Ein entscheidender Faktor, der für die Leistungsfähigkeit der Motoren in Zukunft eine ebenso wichtige Rolle wie die Batteriekapazität spielen wird, ist das Thermomanagement innerhalb des Motors“ so Helfert. „Hier können wir uns vorstellen, dass Beschichtungen in Zukunft auch eine Rolle bei der Kühlung übernehmen.“ Damit die Motoren Spitzenleistung bringen können und möglichst lange auf hohem Niveau funktionieren, müssen sie in einem engen Temperaturfenster arbeiten. Gleichzeitig erhöht sich durch schnellere Ladezeiten, größere Reichweiten und einer immer kompakteren Fahrzeugarchitektur die thermische Belastung, was die Zellalterung beschleunigen und damit die langfristige Leistung mindern kann. Hier könnten innovative Lacktechnologien eine wichtige Rolle spielen. Die Energiewende wird häufig mit Windparks, Solaranlagen und Batteriespeichern verbunden. Auch dort spielen elektrische Isolationssysteme eine zentrale Rolle. Generatoren in Windkraftanlagen, Transformatoren in Stromnetzen und Elektromotoren in Industrieanlagen nutzen dieselben Grundprinzipien wie
Fahrzeugantriebe. Überall helfen Drahtlacke, Elektroblech- und Backlacke und Tränkharze dabei, Energieverluste zu minimieren und die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme zu erhöhen. Gerade deshalb gehören diese Produkte zu den unverzichtbaren Technologien der Transformation. Die Zukunft der E-Mobilität entscheidet sich damit auch in den Laboren der Beschichtungsindustrie – dort, wo wenige Mikrometer Material darüber entscheiden, wie effizient die Energie von morgen genutzt werden kann.Autor: Shining, Matthias Beiderbeck
