Wie der Verklebeprozess den Füllfaktor beeinflusst.

Warum ist das Elektroband im Motor wichtig?

Eine elektrische Maschine funktioniert nur dann effizient, wenn sie einen Kern aus weichmagnetischem Material wie zum Beispiel Elektroband hat. Stromdurchflossene Spulen erzeugen dabei Magnetfelder, die erst durch die Verwendung von Elektroband im Inneren der Spulen um ein Vielfaches verstärkt werden und so einen Motor effizient betreiben können. Die Bereiche innerhalb der Spulen müssen möglichst dicht mit weichmagnetischen Material gefüllt sein, um diese Verstärkung zu gewährleisten. Ein massiver Block aus Eisen könnte dafür theoretisch eingesetzt werden, hätte aber den Nachteil eines sehr hohen Stromverbrauchs im Betrieb. Um den Stromverbrauch zu minimieren, werden Pakete aus dünnen, gestanzten und gestapelten Blechen verwendet.

Was bedeutet Stapelfaktor und wie wird er berechnet?

Die einzelnen Bleche sind in der Regel mit einem Isolierlack beschichtet (typisch 1-2 µm pro Seite) und weisen eine gewisse Rauheit auf. Werden diese nun gestapelt und verbunden, setzt sich der Stapel vor allem aus Elektroband, aber auch Lack und Lufteinschlüssen zusammen. Das Verhältnis aus tatsächlicher Masse des Paketes (Masse der einzelnen Lamellen summiert) und theoretischer Masse des Paketes (falls es komplett aus Stahl wäre) ergibt den Stapelfaktor. Dieser ist immer kleiner/gleich 1, da nie das gesamte Volumen mit Eisen gefüllt ist.

Wie in der Norm DIN EN 60404-13 beschrieben wird der Stapelfaktor f entsprechend der Beziehung  
(f= m/ρₘ h b l) berechnet:

Der Probenstapel wird mit einem Druck von 1 N/mm2 belastet, anschließend wird die Höhe des Paketes gemessen: Ein Stapelfaktor von 0,97 bedeutet, dass das Paket zu 97% aus Elektroband besteht.

Was beeinflusst den Stapelfaktor?

Zwei Faktoren beeinflussen maßgeblich den Stapelfaktor: die Blechdicke und die Dicke der Beschichtung. Auch sind die Blechoberflächen nicht absolut glatt, sondern weisen eine gewisse Rauheit auf. Selbst bei unisoliertem Material ist der Stapelfaktor kleiner 1, da zwischen den Lamellen immer Lufteinschlüsse im Paket vorhanden sind. Zusätzlich reduziert sich der Stapelfaktor noch mit zunehmender Schichtdicke und das umso deutlicher, je dünner das Blech ist. Je mehr Lack auf der Bandoberfläche ist, desto weniger Eisen ist in einem Blechpaket einer bestimmten Höhe. Dieses Verhältnis wird umso schlechter, je dünner das Elektroband ist (Verhältnis Blech zu Lackdicke wird immer geringer).

Daher: Backlack mit einer typischen Schichtdicke von 3 – 4 µm pro Seite sollte da im Vergleich zu einer C5 Beschichtung mit 1 – 2 µm Schichtdicke klar im Nachteil sein. Das stimmt aber so nicht!

Warum ist 3 + 3 nicht gleich 6?

Während bei einem C5 Lack aufgrund von Füllstoffen im Lack (das sind Teilchen im Lack mit einer Größe von bis zu einigen µm) bzw. der Rauheit des Elektrobandes ein Abstand zwischen den Lamellen entsteht, wird dieser durch den Backlack während des Verklebens weitgehend ausgefüllt und der Abstand zwischen den Lamellen wird reduziert. Der Stapelfaktor des Backlackpakets erhöht sich beim Verklebevorgang (ist eine Kombination aus Temperatur und Druck), d. h. es befindet sich mehr Elektroband nach dem Verkleben im gleichen Volumen als vor dem Verkleben.

Wird nun Backlack mit Füllstoffen verwendet, beeinflussen diese den Stapelfaktor im Gegensatz zu C5 Lacken aus folgenden Gründen kaum bis gar nicht: sowohl Größe als auch Menge der Füllstoffe sind geringer als beim C5 und die Füllstoffe sind während des Verklebeprozesses „mobil“, d. h. sie können sich leicht in Unebenheiten zwischen den Lamellen verteilen im Gegensatz zu den fest im Lack verankerten Füllstoffen im C5 Lack .

Wie die Skizze oben zeigt, füllt Backlack nach dem Verkleben den Bereich zwischen den Lamellen vollständig aus, während sich bei einem herkömmlichen Isoliersystem noch jede Menge Luft zwischen den Lamellen befindet. Der Abstand „d“ zwischen den Lamellen ist vergleichbar, obwohl sich in der Backlackvariante viel mehr Lack zwischen den Lamellen befindet. Eventuell vorhandene Füllstoffe im Backlack können sich beim Verklebevorgang in der Lackmatrix verteilen ohne den Abstand zwischen den Lamellen zu erhöhen.

Dass dieses Modell tatsächlich zutrifft zeigen Messungen des Stapelfaktors an beschichtetem Material: Elektroband in Dicke 0,35 mm beschichtet mit 3 – 4 µm Backlack pro Seite (6 -8 µm Gesamtschichtdicke) erreicht einen gleichen oder sogar besseren Stapelfaktor als gleich dickes Material mit 1 µm C5 Lack pro Seite (2 µm Gesamtschichtdicke).

Neben einem hohen Stapelfaktor gibt es noch eine Reihe anderer Faktoren, die die Performance der elektrischen Maschine positiv beeinflussen. Einer davon ist die Reduzierung der interlaminaren Wirbelstromverluste, was durch eine gute elektrische Isolation zwischen den Lamellen erreicht wird. Dabei kommen wieder die Vorteile der Backlackbeschichtung zum Tragen: durch die hohe Schichtdicke wird speziell im verbackenen Zustand (C-Zustand) ein sehr hoher Isolationswiderstand zwischen den Lamellen erreicht. Zusätzlich sind beim Verkleben der Lamellen keine Kontaktstellen wie Schweißnähte oder Paketiernoppen wie bei anderen Fügeverfahren notwendig.

Fazit

Die Backlacktechnologie als Fügeverfahren für Elektrobandpakete bietet viele Vorteile im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren wie z. B. Designfreiheit, mechanische Stabilität oder verbesserte Wärmeleitfähigkeit (siehe https://www.voestalpine.com/isovac/ Mediathek/News/Backlack-die-Verbindungstechnologie-fuer-perfekte-Blechpakete). Durch die höhere Schichtdicke des Backlacks erhöht sich zwar der Isolationswiderstand, es werden aber oft negative Auswirkungen auf den Stapelfaktor des Paketes befürchtet. Diese Angst ist jedoch unbegründet, denn durch das vollständige Auffüllen der Bereiche zwischen den Lamellen während des Verbackvorgangs wird ein sehr kompakter und dichter Bauteil mit hohem Stapelfaktor gewährleistet.