Feldspulenisolationen
Feldspulenisolationen bezeichnen alle isolierenden Schichten und Bauteile, die eine Feldspule elektrisch sicher gegen Polkern, Gehäuse und benachbarte Wicklungen trennen. Einfach gesagt: Sie verhindern, dass Strom aus der Spule unkontrolliert zur Masse abfließt, Kurzschlüsse entstehen oder die Isolationslacke thermisch und mechanisch versagen. In Gleichstrommaschinen, Erregern großer Generatoren, Bahnantrieben und industriellen DC-Antrieben sind Feldspulenisolationen sicherheitskritisch. Sie beeinflussen Wirkungsgrad, Dauerfestigkeit und Lebensdauer der Maschine.
Aufbau einer Feldspulenisolation
Eine Feldspule besteht im Kern aus einem leitfähigen Wicklungsleiter, der um einen Polschuh bzw. Polkern gelegt ist. Die Isolation ist mehrlagig aufgebaut:
Windungsisolation: meist emailierter Kupferdraht. Bei höheren Anforderungen zusätzliche Zwischenlagenbänder.
Lagenisolation: Bänder oder Folien zwischen Wicklungslagen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit.
Grund- bzw. Gehäuseisolation (Groundwall): mehrlagige Barriere zwischen Wicklungspaket und Polkern.
Kanten- und Eckschutz: zusätzliche Verstärkungen an Biegeradien und Kanten, um Kerb- und Abriebrisiken zu minimieren.
Anschluss- und Ausführungsisolation: Schläuche, Schrumpfschläuche, Kapton- oder Nomex-Abdeckungen an Anschlussfahnen und Lötstellen.
Imprägnierung: Tränklacke oder Harze füllen Poren, erhöhen Kriechstreckenfestigkeit und mechanische Verbundeigenschaften.
Der Schichtaufbau wird auf die Betriebsbedingungen abgestimmt: Spannung, Temperatur, Schwingungen, Mediumseinflüsse wie Öl, Feuchte oder Staub sowie die geforderte Lebensdauer.
Materialien und Isolierstoffklassen
Die Wahl des Materials richtet sich nach der Isolierstoffklasse und der mechanisch-thermischen Beanspruchung.
Aramidpapier (Nomex): hervorragende thermische Stabilität, gute Durchschlagsfestigkeit, häufig als Lagen- und Groundwall-Material sowie als Abdeckelement.
Polyesterfolien (PET, zum Beispiel Mylar oder HOSTAPHAN): gute elektrische Kennwerte, wirtschaftlich, in Laminaten mit Vlies verbreitet.
Polyimidfolien (Kapton): sehr hohe Temperaturfestigkeit, geeignet für Klasse H und darüber.
Mica-Produkte (Glimmerband, Mikanit): exzellente Spannungsfestigkeit, unempfindlich gegenüber Teilentladungen, Standard in Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen.
Laminatverbunde wie DMD (Polyestervlies/Polyesterfolie/Polyestervlies) oder NMN (Nomex/Polyesterfolie/Nomex): kombinieren mechanische Robustheit mit elektrischer Festigkeit.
Glasgewebe und Glimmer-Glas-Bänder mit wärmehärtenden Harzen: für bandagierte Groundwall-Aufbauten und Harzsysteme.
Imprägnierharze und Tränklacke: lösemittelhaltig oder lösemittelfrei, VPI-fähig oder Resin-Rich, abgestimmt auf Temperaturklasse und chemische Beständigkeit.
Typische Isolierstoffklassen nach IEC 60085: Klasse A 105 °C, B 130 °C, F 155 °C, H 180 °C. Je höher die Klasse, desto strenger die Material- und Verbundanforderungen.
Fertigung und Prozessschritte
Materialzuschnitt: Rollen- und Bogenzuschnitte, Stanzteile oder Kiss-Cut-Elemente für Abdeckungen, Lagenzwischenlagen und Groundwall-Platten.
Wickeln der Feldspule: Beachtung von Mindestbiegeradien, Führung über Kanten mit Schutzlagen, definierte Zugkräfte.
Aufbringen der Lagen- und Groundwall-Isolation: Bandagieren mit Glimmer- oder Glasbändern, Einlegen von Nomex- oder Laminatstücken, Eckverstärkungen.
Imprägnierung: Trickle, Tauch-Tränk-Back-Prozess oder VPI. Ziel ist die Porenfreiheit, eine feste Verbundstruktur und verbesserte Teilentladungsfestigkeit.
Aushärten und Tempern: definierte Temperaturprofile zur vollständigen Aushärtung des Harzsystems.
Endbearbeitung: Anfasen, Nachisolation von Anschlussfahnen, Montage von Schutzschläuchen.
Qualitätssicherung: Maßprüfung, elektrische Prüfungen, Dokumentation der Prozessparameter.
Saubere Kanten, kerbfreie Übergänge und reproduzierbare Bandagierlängen sind entscheidend, um lokale Feldüberhöhungen und mechanische Schwachstellen zu vermeiden.
Elektrische, thermische und mechanische Anforderungen
Elektrisch: ausreichende Durchschlagsfestigkeit, begrenzte Teilentladung, stabile Kriech- und Luftstrecken. Isolationswiderstand und Polarisationsindex dienen als Zustandskennzahlen.
Thermisch: Temperaturwechselbeständigkeit und Alterungsreserven entsprechend der Isolierstoffklasse. Harz-Material-Kompatibilität verhindert Rissbildung und Delamination.
Mechanisch: Vibrations- und Stoßfestigkeit, Scheuerbeständigkeit gegen Polkernkanten und Wickelhilfen, ausreichende Festigkeit der Bandagierung.
Umwelt: Beständigkeit gegen Feuchte, Staub, Öle, Kühlmittel und Reinigungschemikalien.
Prozess: gute Imprägnierbarkeit, definierte Ablöse- und Kantenfestigkeit, geeignet für automatisierte Wickel- und Bandagierprozesse.
Prüfungen und Qualitätsnachweise
Gängige Prüfungen entlang der Fertigung:
Maßprüfung der Isolierteile und des Wicklungspakets, Einhaltung technischer Toleranzen.
Isolationswiderstand IR und Polarisationsindex PI vor und nach Imprägnierung.
Hochspannungsprüfung (DC/AC) gegen Masse zur Verifikation der Groundwall.
Teilentladungsmessung bei höheren Spannungsniveaus.
Wärmealterungstests und Thermoschock für Materialfreigaben.
Mechanische Prüfungen der Bandagierung sowie Sichtprüfung auf Kantenrisse, Falten, Lunker.
Eine dokumentierte Prozessführung mit Freigabemustern, Rückverfolgbarkeit der Chargen und definierten Prüfplänen ist Best Practice im Serienbetrieb.
Anwendungen und Branchen
Gleichstrommotoren in Werkzeugmaschinen, Fördertechnik, Mining und Stahlwerken.
Erreger-Feldspulen großer Synchrongeneratoren in Kraftwerken.
Bahnantriebe und Traktionsmotoren mit hohen thermischen und mechanischen Lasten.
Sonderantriebe in rauer Umgebung, etwa Offshore, Chemie oder Zementindustrie.
Vorteile und typische Herausforderungen
Vorteile
Hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer durch zuverlässige Groundwall- und Lagenisolation.
Verbesserte Wärmeabfuhr und reduzierte Teilentladung durch porenfreie Imprägnierung.
Prozesssichere Montage durch passgenaue Zuschnitte und Kantenverstärkungen.
Herausforderungen
Einhaltung von Mindestbiegeradien bei engen Wickelgeometrien.
Vermeidung von Kerben und lokalen Feldüberhöhungen an Ecken.
Sicherstellung gleichmäßiger Harzdurchdringung bei dicken Wicklungspaketen.
Materialkompatibilität zwischen Harzsystem, Bandmaterial und Leiterlack.
Auswahlkriterien für Einkauf und Konstruktion
Betriebsdaten: Spannungsniveau, Stromwärme, Temperaturklasse, Umgebung.
Geometrie: Polschuhform, verfügbare Einbauräume, Radien, Kanten.
Materialsystem: Mica-Bänder, Nomex-Lagen, PET- oder Kapton-Folien, passende Harzsysteme.
Fertigungsroute: VPI oder Trickle, manuelles Bandagieren oder automatisiert, geforderte Taktzeit.
Qualität: Prüfplan, Prozessfähigkeitskennwerte, Rückverfolgbarkeit, Erstmusterprüfung.
Wirtschaftlichkeit: Werkzeug- und Rüstkonzept für Zuschnitte, Lohnschneiden bei Variantenvielfalt.
GOBA Fazit
Feldspulenisolationen sind das Rückgrat der elektrischen und thermischen Zuverlässigkeit von DC-Maschinen und Erregern. Der Schlüssel liegt im abgestimmten Isolationssystem: der richtige Materialmix aus Mica, Aramidpapier, Polyester oder Polyimid, kombiniert mit einem geeigneten Harzprozess und sauberer mechanischer Ausführung. Wer Mindestbiegeradien, Kantenmanagement und Imprägnierqualität von Beginn an konstruktiv mitdenkt, senkt Ausfallrisiken, steigert die Effizienz und stabilisiert die Lebenszykluskosten. Für Techniker, Einkäufer und Qualitätsmanager gilt: Materialkompetenz, Normensicherheit und prozessfähige Fertigung entscheiden über die Lebensdauer der Maschine.
Kontaktieren Sie uns gerne, um die optimale Lösung für Ihre Anforderungen zu finden.
*Link zum Datenschutzhinweis
FAQ zur Feldspulenisolationen
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Sie trennt das gesamte Wicklungspaket sicher vom Polkern und verhindert Durchschläge zur Masse.
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Wenn hohe Spannungen, Teilentladungsfestigkeit und Temperaturbeständigkeit gefordert sind, etwa bei großen Maschinen oder rauer Umgebung.
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Sie füllt Poren, erhöht die mechanische Festigkeit, verbessert die Wärmeleitung und reduziert Teilentladungen.