Phasenisolation ist die isolierende Trennung zwischen den Wicklungssträngen unterschiedlicher Phasen im Stator eines Drehstrommotors. Sie liegt vor allem im Wickelkopf, wo Leiter der drei Phasen dicht nebeneinander liegen und die volle verkettete Spannung anliegt, bei einem 400-Volt-Netz also rund 690 Volt zwischen zwei Phasen. Fällt diese Trennung aus, schlägt der Motor zwischen zwei Phasen durch und fällt sofort aus. Ausgeführt wird die Phasenisolation meist als gestanztes und gefaltetes Phasenpapier aus Aramidpapier oder Laminat. GOBA fertigt diese Teile seit 1959.
Aufgabe der Phasenisolation im Stator
Im Stator treffen drei elektrische Trennaufgaben aufeinander, und die Phasenisolation ist die anspruchsvollste davon. Die Nutisolation trennt die gesamte Wicklung gegen das geerdete Blechpaket, die Lagenisolation trennt übereinanderliegende Windungslagen. Die Phasenisolation dagegen trennt zwei Stränge, zwischen denen die höchste Spannung im ganzen System anliegt, die verkettete Spannung.
Kritisch ist der Wickelkopf. Dort verlassen die Drähte die geschützte Nut und biegen sich um, Leiter verschiedener Phasen kreuzen und berühren sich fast. Ein eingelegtes Phasenblatt hält sie auf sicherem Abstand. Ohne diese Barriere reichen eine Scheuerstelle am Drahtlack und die Vibration im Betrieb, damit sich zwei Phasen kurzschließen. Das ganze System ist im Beitrag zur Statorisolation beschrieben, die Phasenisolation ist eine ihrer vier Lagen.
Die Trennung erfolgt auf zwei Wegen: über die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Strängen und über das eingelegte Phasenblatt dort, wo der Abstand allein nicht reicht. Im dicht gepackten Wickelkopf ist der Abstand fast immer zu klein. Deshalb ist das Phasenpapier die Regel und nicht die Ausnahme. Bei kompakten Servo- und Traktionsmotoren mit hohem Nutfüllfaktor gilt das erst recht, weil dort für Luftstrecken kaum Platz bleibt.
Materialien für die Phasenisolation
Die Werkstoffe entsprechen denen der Nutisolation, weil beide dieselbe Wärmeklasse und Tränkbarkeit brauchen. Die Wahl richtet sich nach Temperatur und Budget.
- Aramidpapier wie Nomex 410, Klasse H bis 220 °C, ist der Standard für anspruchsvolle Motoren und hält je nach Dicke rund 18 bis 40 kV/mm.
- NMN, der Verbund Nomex, Polyesterfolie, Nomex, kombiniert die Tränkbarkeit des Aramidpapiers mit der hohen Spannungsfestigkeit der PET-Folie und deckt Klasse F bis H ab.
- DMD, das Laminat aus Polyestervlies und Polyesterfolie, ist die wirtschaftliche Wahl für Standardmotoren der Klasse B bis 130 °C.
- Reine PET-Folie liefert gute Kennwerte bei kleinem Budget, bleibt aber auf Klasse B begrenzt und nimmt kein Tränkharz auf.
Für die meisten Traktions- und Industriemotoren empfehlen wir Aramidpapier oder NMN. Die wenigen Cent, die DMD spart, holt ein Phasendurchschlag im Feld teuer zurück.
Typische Dicken der Phasenpapiere liegen zwischen 0,18 und 0,30 mm. Ein dickeres Blatt gibt mehr Reserve gegen Durchschlag, braucht im engen Wickelkopf aber Platz, den sonst die Wicklung nutzt. Die Dicke wird darum zusammen mit dem Nutfüllfaktor festgelegt, nicht isoliert. Wo die Wicklung später getränkt wird, zählt zusätzlich die Harzaufnahme: Aramidpapier und NMN binden das Harz und bilden mit ihm einen festen Verbund, eine glatte PET-Folie tut das nicht.
Formgebung als Stanz- und Faltteil
Ein Phasenpapier ist selten ein flacher Zuschnitt. Damit es im Wickelkopf Form hält und sich an die Kontur der Stränge legt, wird es gestanzt, gerillt und gefaltet. Typische Formen sind das U- oder V-förmig gefaltete Blatt, das die Stränge umgreift, und Zuschnitte mit angestanzten Laschen, die das Blatt beim Wickeln in Position halten. Die Rilllinie muss so liegen, dass das Aramidpapier an der Falz nicht bricht und keine Faser aufreißt. Eine gebrochene Falz wird zur Schwachstelle, an der die Feldstärke lokal ansteigt.
Die angestanzten Laschen greifen um die Stränge und halten das Blatt beim Tränken und im Betrieb an seinem Platz. Ohne diese Fixierung wandert das Papier unter Vibration aus der Trennstelle und legt die Leiter frei. Bei mehrlagigen Wickelköpfen stanzen wir das Blatt oft in mehrere Zonen, damit es der Kontur folgt, ohne sich zu stauchen.
Elektrische und thermische Anforderungen
Die Phasenisolation trägt die höchste Spannung im System und muss zugleich die Wärmeklasse der Wicklung halten. Drei Punkte entscheiden über die Auslegung.
- Durchschlagsfestigkeit gegen die verkettete Spannung, mit Reserve für Spannungsspitzen aus dem Umrichter.
- Teilentladungsfestigkeit im getakteten Antrieb, weil die steilen Flanken der Pulsweitenmodulation folienbasierte Isolierungen über Jahre erodieren.
- Dauertemperatur der Wärmeklasse plus Alterungsreserve, dazu Verträglichkeit mit dem Tränkharz, damit das Blatt beim Imprägnieren nicht delaminiert.
Dazu kommt die mechanische Seite. Das Phasenblatt muss das Einlegen und die Vibration im Betrieb aushalten, ohne zu verrutschen oder durchzuscheuern. Deshalb zählt neben dem Werkstoff auch die Kantenqualität des Zuschnitts.
Fertigung bei GOBA
Aus Rollen- oder Bogenmaterial entsteht das fertige Phasenpapier in wenigen Schritten. Bei kleinen Losen und Prototypen fertigt GOBA werkzeuglos, in der Serie mit Stanzwerkzeug.
- Zuschnitt der Bahn auf Breite durch Rollen- oder Umrollschneiden.
- Stanzen der Kontur samt Laschen und Aussparungen im Bereich der DIN ISO 2768.
- Rillen und Falten zum U- oder V-Profil, so dass das Blatt im Wickelkopf Form hält.
- Sichtprüfung auf Falzrisse und Delamination, Maßprüfung, Chargendokumentation.
Bei dünnen Folien fahren wir die Messerwelle langsamer an, sonst franst die Kante aus. Bei Laminaten legen wir die Falzlinie parallel zur Faserrichtung des Aramids, damit die Falz sauber bleibt. Damit Phasenpapier und Nutisolation zusammenpassen, stanzen wir beide bevorzugt aus demselben Materialstamm. So haben Nuttasche und Phasenblatt die gleiche Dicke, die gleiche Wärmeklasse und das gleiche Tränkverhalten, was Montage und Imprägnierung vereinfacht. Schicken Sie uns Ihre Zeichnung mit Werkstoff, Wärmeklasse und Stückzahl, Sie erhalten ein technisches Angebot.
GOBA Fazit
Die Phasenisolation trennt die Stränge, zwischen denen die höchste Spannung im Stator anliegt, und sitzt genau dort, wo sich Leiter verschiedener Phasen im Wickelkopf fast berühren. Der richtige Werkstoff, meist Aramidpapier oder NMN, und eine saubere Falz ohne Riss entscheiden über die Lebensdauer. GOBA fertigt Phasenpapiere als gestanzte und gefaltete Formteile seit 1959. Schicken Sie uns Ihre Anforderung über unsere Isolierteile und Formteile oder direkt über das Stanzen und Formen. Sie erhalten ein technisches Angebot.