Die Kunst, Polymere maßzuschneidern

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In der Elektroindustrie werden Kunststoffe mit komplexen Eigenschaften benötigt. Experten von Siemens Corporate Technology entwickeln neue Werkstoffmischungen mit spezifischer Charakteristik, wie elektrisch isolierend oder leitend, magnetisierbar, temperaturbeständig oder wärmeleitend.

Jeder kommt täglich mit ihnen in Berührung: Kunststoffe. Ob Zahnbürste, Kugelschreiber oder Smartphone: An Kunststoffen – oder, wie der Experte sagt, synthetischen Polymeren – führt kein Weg vorbei. Viele dieser alltäglichen Kunststoffe haben einfache Eigenschaften: geringes Gewicht, Dehnbarkeit oder Härte. Weitaus komplexere Eigenschaften aber brauchen Kunststoffe in der Industrie, speziell in der Elektrotechnik. Dort müssen sie elektrisch isolierend, wärme- oder stromleitend, magnetisch, transparent oder auch in besonderem Maße temperaturbeständig sein.

Mit dem Pulverdosierroboter lassen sich Rezepturen für neue polymere Werkstoffe mischen. Foto: siemens.com/pof

Deshalb entwickelt Siemens Corporate Technology (CT) innovative Rezepturen, die den Kunststoffen neue Eigenschaften verleihen. So ist es beispielsweise für die Effizienzsteigerung in rotierenden elektrischen Maschinen entscheidend, Kunststoffe in ihrer elektrischen Leitfähigkeit einstellen zu können.

Feldsteuernde Kunststoffe für kompakte Generatoren

Deutlich wird dies am Beispiel des Isolationssystems von Generatoren. Die Siemens-Forscher entwickeln hierfür sogenannte feldsteuernde Systeme wie den Enden- und Außenglimmschutz (EGS, AGS). Sie setzen auf neuartige Werkstoffe, um eine effizientere Steuerung des elektrischen Feldes zu erreichen. Diese bestehen überwiegend aus gezielt dotiertem Zinnoxid oder Siliziumcarbid und werden in eine polymere Matrix, bestehend aus Harz, verschiedenen Additiven, Härter, Katalysator und Lösungsmitteln eingebettet.

Die Zusammensetzung bestimmt dabei die elektrische Leitfähigkeit sowie die feldsteuernde Wirkung des neuen Verbundwerkstoffes. Dank der Neuentwicklung kann die Länge des EGS um ein Drittel reduziert und die Lebensdauer des AGS vervielfacht werden. Konkret heißt das: Ein großer Generator kann bei gleicher Leistung kompakter gebaut werden, wodurch Kupfer und Isolationsmaterialien eingespart werden.

Im Hochspannungslabor in Erlangen werden Generatorenstäbe extrem hohen Spannungen ausgesetzt, um die Widerstandsfähigkeit der Kunststoff-Isolierungen zu prüfen. Foto: siemens.com/pof

Das Compoundieren, also das Verbinden unterschiedlicher Materialien in einer Polymermatrix, bietet aber noch mehr Möglichkeiten. Abhängig von Material, Größe, Form und Anzahl der Partikel, die in das Basis-Polymer hineingemischt werden, lassen sich die elektrischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit der Vergussmassen gezielt einstellen. So können die Siemens-Forscher Werkstoffe mit definierten Eigenschaften entwickeln, beispielsweise auch für die Isolierung von Motoren oder Transformatoren. Eine Steigerung der Leistungsdichte – also kleinere Bauformen oder höhere Leistungen bei konstantem Bauvolumen und reduzierten Kosten – wird möglich.

Bevor die neuen Werkstoffe in die Fertigung gehen, werden sie im Hochspannungslabor in Erlangen umfassend getestet. Transformatoren jagen die Spannung auf 70.000 V hoch und schicken den Strom durch die beschichteten Generatorstäbe. Nur so können die Entwickler die entscheidende Frage beantworten: Wie lange halten die Stäbe diese extreme Belastung aus und was bedeutet dies für die Lebensdauer im alltäglichen Betrieb?

mg

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