Isoliermaterial

Isoliermaterial ist ein Werkstoff mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit, der spannungsführende Teile voneinander trennt und den Strom auf seinem vorgesehenen Weg hält. In der Elektrotechnik heißt dieser Werkstoff Isolierstoff oder Elektroisolierstoff. Er hat mit dem Dämmstoff aus dem Baumarkt nichts gemein, obwohl beide im Alltag Isoliermaterial genannt werden. Dieser Beitrag sortiert die Materialgruppen, nennt je Gruppe die typische Wärmeklasse und den typischen Einbauort, führt in sechs Schritten durch die Auswahl und zeigt, in welchen Lieferformen GOBA diese Isoliermaterialien seit 1959 verarbeitet.

• Elektrisches Isoliermaterial beschreibt man über Durchschlagfestigkeit in Kilovolt je Millimeter und über die Wärmeklasse nach IEC 60085, thermisches Dämmmaterial über die Wärmeleitfähigkeit in Watt je Meter und Kelvin.
• Sieben Materialgruppen decken die Elektroisolierung ab: Folien, Papiere und Vliese, Laminate, Glimmer, feste Kunststoffe, Gieß- und Tränkharze sowie Gewebe.
• Die Auswahl beginnt bei der Betriebstemperatur und endet bei der Fertigungsform, in der das Material ins Bauteil kommt.
• Am teuersten wird eine knapp bemessene Wärmeklasse. Rund 10 Kelvin dauerhafte Übertemperatur halbieren die Lebensdauer der Isolierung.

Was ist Isoliermaterial in der Elektrotechnik?

Ein Isolierstoff leitet keinen nennenswerten Strom, weil seine Elektronen fest im Atomverband gebunden bleiben. Sein spezifischer elektrischer Widerstand liegt bei mindestens 10¹⁰ Ohm mal Zentimeter, also um viele Zehnerpotenzen über dem von Kupfer. Physikalisch arbeitet der Werkstoff als Dielektrikum: Er verschiebt im elektrischen Feld nur Ladungen, statt sie fließen zu lassen. Wie stark ein Feld werden darf, bevor der Werkstoff durchschlägt, sagt die Durchschlagfestigkeit. Wie gut er im Betrieb tatsächlich trennt, misst der Isolationswiderstand.

Beide Werte allein reichen für eine Materialentscheidung nicht aus. Ein Isolierstoff altert, sobald er warm wird, und er altert schneller, je wärmer er wird. Deshalb ordnet die Elektrotechnik jeden Werkstoff einer Wärmeklasse zu, auch Isolierstoffklasse genannt. Die Klassen reichen von Y bei 90 °C über die im Motorenbau üblichen Klassen F bei 155 °C und H bei 180 °C bis zu Klasse C ab 220 °C. Welche Klasse ein Werkstoff erreicht, klärt eine Langzeitprüfung nach IEC 60216, festgeschrieben in den Isolierstoffklassen nach IEC 60085.

Isoliermaterial oder Dämmmaterial: die häufigste Verwechslung

Wer nach Isoliermaterial sucht, landet je nach Quelle bei Mineralwolle oder bei Aramidpapier. Die deutsche Umgangssprache benutzt dasselbe Wort für zwei Aufgaben, die physikalisch nichts miteinander zu tun haben. Das eine Material hält Spannung zurück, das andere Wärme. Ein Werkstoff, der elektrisch hervorragend trennt, kann Wärme sehr gut leiten, und umgekehrt. Die folgende Tabelle trennt beide Felder.

Zwischen beiden Feldern gibt es genau eine Überschneidung, die im Gerätebau zählt: die thermische Isolierung in Batteriesystemen, wo eine dünne Trennlage zugleich Spannung sperren und den Wärmedurchgang zwischen benachbarten Zellen begrenzen soll. Dort verlangt das Lastenheft beide Kennwerte gleichzeitig. Alles Übrige gehört sauber getrennt.

Thermische Isoliermaterialien: Kennwerte und Temperaturbereiche

Thermische Isoliermaterialien bremsen den Wärmestrom, statt Spannung zu sperren. Zwei Werte beschreiben sie: die Wärmeleitzahl λ in W/(m·K) und die zulässige Anwendungstemperatur. Je kleiner λ, desto besser dämmt der Werkstoff bei gleicher Dicke. Je höher die Temperaturgrenze, desto näher darf er an die Wärmequelle. Fünf Gruppen decken den technischen Bedarf ab.

Mineralwolle, Schaumstoffe und Kalziumsilikat gehören an die Wand, ans Rohr und in den Ofen. Dort liefert GOBA nichts, und wer eine Fassade dämmt, kauft beim Baustoffhändler. Im thermischen Feld liefern wir genau dort, wo die Dämmung als dünne Lage ins Gerät geht: thermische Trennlagen und Isolierzuschnitte für Batteriesysteme und den Gerätebau. Wir schneiden und stanzen sie aus Aerogel-Vliesverbund, Glimmer und Keramikpapier, auf die Kontur der Zelle, meist unter einem bis wenige Millimeter dick. Die Barrieren zwischen den Zellen müssen beides können: den Wärmeübergang zur Nachbarzelle bremsen und die Potenziale auseinanderhalten. Dieser Zuschnitt entsteht in denselben Werkzeugen wie eine Nutauskleidung, nur aus anderem Material.

Wer die Dämmung einer Anlage, einer Rohrleitung oder eines Ofens plant, findet Materialwahl und Schichtdicke unter Isolierung von Anlagen und Rohrleitungen. Wer einen einzelnen Kennwert braucht, findet die Wärmeleitzahl λ mit Tabellen für Metalle, Dämmstoffe und Elektroisolierstoffe. Für ein Bauteil, das beide Aufgaben trägt, gilt die Reihenfolge aus der Konstruktion: erst die Temperatur am heißesten Punkt bestimmen, dann die Dicke, zuletzt das Fabrikat.

Welche Materialgruppen zählen zum Isoliermaterial?

Die Elektroisolierung arbeitet mit sieben Materialgruppen. Sie unterscheiden sich nach Ausgangsstoff und Fertigungsform, und jede Gruppe deckt einen typischen Temperaturbereich ab. Die Wärmeklassen in der Tabelle nennen den üblichen Bereich der Gruppe, nicht den Extremwert eines einzelnen Fabrikats.

Die ersten vier Gruppen kommen als Bahnware auf die Rolle und werden geschnitten, gestanzt oder geformt. Das sind die Flächenisolierstoffe, und sie machen den größten Teil des Bedarfs im Motoren- und Transformatorenbau aus. Feste Kunststoffe entstehen dagegen im Spritzguss oder in der spanenden Bearbeitung, Harze werden flüssig verarbeitet und härten im Bauteil aus. Wer ein Halbzeug sucht, sucht in den ersten vier Gruppen. Wer ein Formteil aus dem Vollen sucht, in Gruppe fünf.

Innerhalb der Folien führt die Polyesterfolie den Bedarf an, unter den Markennamen Mylar, Hostaphan oder DyFilm. Sie deckt Klasse B ab und reicht damit für den Großteil der Standardmotoren. Wird es heißer, übernimmt Polyimid in Klasse C, im Handel meist als Kapton. Bei den Papieren ist Nomex 410 der Bezugswert für Klasse H. Diese drei Werkstoffe erklären zusammen die meisten Materiallisten, die uns aus der Konstruktion erreichen.

Welche Kennwerte entscheiden über die Eignung?

Ein Datenblatt für Elektroisolierstoffe führt schnell zwanzig Zeilen. Für die Auswahl zählen davon sechs.

• Durchschlagfestigkeit in kV/mm, gemessen nach IEC 60243. Sie legt fest, wie dünn das Material bei gegebener Betriebsspannung ausfallen darf.
• Isolationswiderstand in Megaohm oder Gigaohm, der Betriebswert für die Prüfung am fertigen Gerät.
• Wärmeklasse nach IEC 60085, die zulässige Dauergebrauchstemperatur des Werkstoffs.
• Der CTI-Wert für die Kriechstromfestigkeit, wichtig überall dort, wo Feuchtigkeit oder Staub auf die Oberfläche gelangen und ein Kriechstrom entstehen kann.
• Dielektrischer Verlustfaktor tan delta, der bei hohen Frequenzen und im Umrichterbetrieb über die Eigenerwärmung des Isolierstoffs bestimmt.
• Brandverhalten nach UL 94, in vielen Lastenheften eine Freigabebedingung.

Bei der Durchschlagfestigkeit liegen die Werkstoffe weit auseinander. Polyimid erreicht über 200 kV/mm, Glimmer 100 bis 200 kV/mm, PTFE rund 60 kV/mm, Polyesterfolie je nach Typ 15 bis 20 kV/mm. Luft schafft unter Normalbedingungen etwa 3 kV/mm. Diese Spanne zeigt, warum eine dünnere Folie aus dem richtigen Werkstoff einer dickeren aus dem falschen oft überlegen ist: Sie spart Bauraum in der Nut und erhöht die Kupferfüllung.

Wie wählen Sie das richtige Isoliermaterial aus?

Die Reihenfolge der Prüfung ist wichtiger als die Zahl der geprüften Kriterien. Wer bei Schritt eins zu knapp rechnet, holt den Fehler in Schritt sechs nicht mehr ein.

1. Betriebstemperatur und Wärmeklasse. Ermitteln Sie die tatsächliche Temperatur am heißesten Punkt im Bauteil, nicht die Umgebungstemperatur, und wählen Sie die Klasse mit Reserve darüber.
2. Spannungsbelastung und Durchschlagfestigkeit. Aus Betriebsspannung, Prüfspannung und Sicherheitsfaktor ergibt sich die Mindestdicke im gewählten Werkstoff.
3. Mechanische Beanspruchung. Beim Einziehen in die Nut, beim Wickeln und im Betrieb unter Vibration zählen Reißfestigkeit, Weiterreißwiderstand und Kantenstabilität.
4. Medienbeständigkeit. Tränkharz, Transformatorenöl, Kühlmittel, Reinigungsmedien und Feuchtigkeit greifen Werkstoffe unterschiedlich an. Pressspan quillt in Feuchte, Polyesterfolie nimmt praktisch kein Wasser auf.
5. Verarbeitbarkeit und Fertigungsform. Klären Sie früh, ob das Teil geschnitten, gestanzt, gefalzt oder warm verformt wird. Ein Werkstoff, der sich nicht sauber falzen lässt, scheidet für ein Formteil aus, egal wie gut seine elektrischen Werte sind.
6. Verfügbarkeit und Preis. Erst wenn die fünf technischen Punkte stehen, lohnt der Blick auf Lieferzeit, Mindestmenge und Quadratmeterpreis.

Der teuerste Auswahlfehler ist die knapp bemessene Wärmeklasse

In der Praxis scheitert ein Isolierstoff selten am Durchschlag. Er scheitert an der Temperatur. Die thermische Lebensdauerbewertung nach IEC 60216 arbeitet mit einer einfachen Faustregel: Rund 10 Kelvin dauerhafte Übertemperatur halbieren die Lebensdauer der Isolierung. Ein Motor, den ein Kunde mit Klasse B statt Klasse F bestückt und der im Feld 15 Kelvin über Auslegung läuft, verliert damit rund zwei Drittel seiner Isolationslebensdauer. Der Isolierstoff versprödet, die Nutauskleidung reißt beim nächsten Temperaturwechsel, und der Ausfall kommt Jahre vor der geplanten Wartung.

Wir raten deshalb zu einer Klasse Reserve, wo das Bauteil es zulässt. Der Aufpreis von Klasse B auf Klasse F liegt im Materialpreis meist im niedrigen zweistelligen Prozentbereich, gerechnet auf ein Teil, das im Motor Cent-Beträge kostet. Ein Wicklungsschaden im Feld kostet die Demontage, den Neubau der Wicklung und den Anlagenstillstand. Diese Rechnung geht in der Serie fast immer zugunsten der höheren Klasse aus.

Der zweitteuerste Fehler folgt daraus: die Materialwahl ohne Blick auf die Fertigungsform. Wer den Werkstoff festlegt und erst danach fragt, wie das Teil entstehen soll, entdeckt beim Musterbau, dass sich das Laminat nicht falzen lässt oder die Folie beim Stanzen ausfranst. Dann beginnt die Auswahl von vorn, nur diesmal unter Termindruck.

In welchen Formen liefert GOBA Isoliermaterial?

Das Material entscheidet die Funktion, die Lieferform entscheidet den Fertigungsaufwand beim Kunden. GOBA verarbeitet Elektroisolierstoffe in vier Stufen, von der Rolle bis zum eingepassten Formteil.

• Schnittrollen entstehen beim Rollenschneiden im Scherschnitt, in Breiten von 5 bis 1.600 mm bei einer Breitentoleranz von plus minus 0,1 mm, gewickelt auf Hülsenkerne mit 25, 55, 76 oder 152 mm Innendurchmesser.
• Zuschnitte als flache Formate für Kunden, die selbst weiterverarbeiten oder kleine Stückzahlen ohne Werkzeug brauchen.
• Stanzteile aus Materialdicken von 0,023 bis 3,0 mm, gefertigt im Bandstahlschnitt oder mit Vollstahlwerkzeug, in Abmessungen bis 1.000 x 2.000 mm. Das ist der Weg über Stanzen und Formen.
• Formteile, die durch Falzen, Prägen, Biegen und Bördeln aus der Fläche in die dritte Dimension kommen, bei komplexen Geometrien unter Wärmeeinwirkung. Sie werden als Isolierteile und Formteile in das Blechpaket des Kunden eingepasst.

Verarbeitet werden dabei die Fabrikate der europäischen Hersteller: Hostaphan von Mitsubishi, Mylar von DuPont Teijin Films, Nomex und Kapton von DuPont, Triflexil von Pucaro, Trivoltherm und Evitherm von Krempel, DyTerm und DyFilm von Coveme sowie Viledon von Freudenberg. Bei Hostaphan-Dickfolien ist GOBA der größte europäische Converter. Alle genannten Fabrikate sind UL-gelistet, die Fertigung läuft nach ISO 9001 und ISO 14001.

Aus der Fertigung heraus zählt ein Detail, das kein Datenblatt nennt: Beim Schneiden dünner Folien fährt die Messerwelle langsamer an, sonst franst die Kante aus. Bei Aramidpapier ist es umgekehrt, dort trägt eine zu langsame Schnittgeschwindigkeit Staub ein. Diese Erfahrung entscheidet über die Kantenqualität, und die Kantenqualität entscheidet, ob sich das Teil in der Montage sauber in die Nut ziehen lässt.

Reicht nicht ein Standardmaterial aus dem Katalog?

Für viele Anwendungen tatsächlich ja. Eine Polyesterfolie in Klasse B, 0,25 mm dick, deckt einen großen Teil der Standardmotoren ab, und wer dafür ein Sonderlaminat spezifiziert, zahlt ohne Gegenwert. Wir sagen das Kunden auch so, wenn die Anforderung es hergibt.

Eng wird es an drei Stellen: bei hohen Dauertemperaturen ab Klasse H, bei Umrichterbetrieb mit steilen Spannungsflanken und Teilentladungsrisiko, und bei knappem Bauraum, wo jeder Zehntelmillimeter Isolierung Kupferquerschnitt kostet. Dort schlägt der passende Werkstoff den Katalogartikel deutlich, und dort lohnt die Beratung vor der Zeichnung statt nach dem ersten Muster.

GOBA Fazit

Isoliermaterial in der Elektrotechnik entscheidet sich entlang einer Kette aus Temperatur, Spannung, Medium und Fertigungsform. Wer sie in dieser Reihenfolge abarbeitet, kommt mit wenigen Werkstoffen sehr weit: Polyesterfolie für Klasse B, Aramidpapier und Laminate für Klasse F und H, Polyimid und Glimmer darüber. Für Rollenware und Standardformate führt der Weg über unsere Materialübersicht, für Teile nach Zeichnung über kundenspezifische Produkte. Schicken Sie uns Ihre Zeichnung mit der geforderten Wärmeklasse, dann klären wir Werkstoff und Fertigungsform in einem Durchgang.

Häufige Fragen zu Isoliermaterial

Was ist Isoliermaterial?

Isoliermaterial ist ein Werkstoff mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit, der spannungsführende Teile voneinander oder von geerdeten Bauteilen trennt. In der Elektrotechnik zählen dazu Folien, Papiere, Vliese, Laminate, Glimmer, feste Kunststoffe, Gieß- und Tränkharze sowie Gewebe. Umgangssprachlich meint der Begriff auch Dämmstoffe wie Mineralwolle, die aber eine ganz andere Aufgabe erfüllen.

Was ist der Unterschied zwischen Isoliermaterial und Dämmmaterial?

Elektrisches Isoliermaterial sperrt Spannung und wird über die Durchschlagfestigkeit in Kilovolt je Millimeter beschrieben. Thermisches Dämmmaterial bremst Wärme und wird über die Wärmeleitfähigkeit in Watt je Meter und Kelvin beschrieben. Ein Isolierstoff in einem Elektromotor ist typisch 0,023 bis 3,0 mm dick, eine Gebäudedämmung 40 bis 300 mm.

Welches Isoliermaterial hält die höchste Temperatur aus?

Unter den Bahnwaren erreichen Glimmerprodukte und Polyimidfolie die Wärmeklasse C ab 220 °C und liegen damit an der Spitze. Aramidpapier deckt Klasse H bis 180 °C ab, Polyesterfolie Klasse B bis 130 °C. Oberhalb von 220 °C kommen Keramik und Glas zum Einsatz, die GOBA nicht verarbeitet.

Welches Isoliermaterial hat die höchste Durchschlagfestigkeit?

Polyimid liegt mit über 200 kV/mm vorn, Glimmer erreicht 100 bis 200 kV/mm, PTFE rund 60 kV/mm und Polyesterfolie 15 bis 20 kV/mm. Zum Vergleich: Luft schafft unter Normalbedingungen nur etwa 3 kV/mm. Der Wert allein entscheidet nicht, weil er ohne Wärmeklasse und Fertigungsform keine Materialwahl trägt.

Wie dick muss ein Isoliermaterial sein?

Die Mindestdicke ergibt sich aus Betriebsspannung, Prüfspannung, Sicherheitsfaktor und der Durchschlagfestigkeit des gewählten Werkstoffs. In der Nutisolation von Motoren liegen die üblichen Dicken zwischen 0,05 und 0,5 mm. GOBA verarbeitet Bahnware von 0,023 bis 3,0 mm.

Welche Isoliermaterialien verarbeitet GOBA?

Wir schneiden, stanzen und formen Polyesterfolie, Polyimidfolie, PTFE-Folie, Aramidpapier, Pressspan, Vliese, Kraft- und Kreppapiere, DMD- und NMN-Laminate, Glimmerprodukte sowie Glasgewebe. Verarbeitet werden die Fabrikate von Mitsubishi, DuPont, Krempel, Pucaro, Coveme und Freudenberg, alle UL-gelistet.

Welches thermische Isoliermaterial dämmt am besten?

Unter den gängigen Werkstoffen dämmt Aerogel am besten. Aerogelmatten erreichen 0,015 bis 0,021 W/(m·K) und bleiben bis rund 650 °C einsetzbar, deshalb sitzen sie dort, wo der Platz knapp ist, etwa als Barriere zwischen Batteriezellen. Mineralwolle liegt bei 0,035 bis 0,045 W/(m·K), Kalziumsilikat bei 0,05 bis 0,07 W/(m·K). Oberhalb von 1.000 °C entscheidet die Klassifikationstemperatur nach EN 1094 über die Auswahl, dort übernimmt Keramikfaser.

Worin unterscheiden sich thermische und elektrische Isoliermaterialien?

Thermische Isoliermaterialien bremsen den Wärmestrom und werden über die Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K) ausgelegt. Elektrische Isolierstoffe sperren Spannung und werden über die Durchschlagfestigkeit in kV/mm und die Wärmeklasse nach IEC 60085 ausgelegt. Vom Werkstoff allein lässt sich das nicht ablesen: Glimmer isoliert elektrisch hervorragend und hält zugleich Hitze auf, eine 0,05 mm dünne Polyesterfolie sperrt Spannung und lässt Wärme fast ungehindert durch. In Batteriesystemen fordert das Lastenheft beide Kennwerte am selben Bauteil.