Alterungseffekte und Ausfallmechanismen von Drahtisolierungen bei Belastung mit hohen Spannungsgradienten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Martin Dazer; Professor Dr.-Ing. Stefan Tenbohlen
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551038671

Die Langlebigkeit elektrischer Maschinen stellt insbesondere in der Elektromobilität ein wesentlicher ökologischer und ökonomischer Faktor dar. Defekte führen zu Ausfallzeiten, Mehrkosten und wirken sich negativ auf die CO2-Bilanz aus. Einen wesentlichen Beitrag zur Lebensdauer elektrischer Antriebsmaschinen mit hoher Leistungsdichte leistet die dauerhafte Funktion der elektrischen Isolation der Maschine. Die Ermittlung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer dieser Isolation stellt eine bisher offene Fragestellung dar. Insbesondere, da elektrische Beaufschlagungen von Isolationssystemen, bedingt durch neue Invertertechnologien, kritischer werden: kürzere Schaltzeiten und höhere Spannungen führen zu steileren Spannungsgradienten und zu erhöhten E-Feldstärken. In Kombination mit weiteren Einflussfaktoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) werden potenziell neue Schädigungsmechanismen getriggert, welche die Lebensdauer verringern können. Diese Schadensarten sind in industriell relevanten Applikationen bisher weitgehend unbekannt. Dieses Vorhaben zielt darauf ab, die Forschungslücke zu schließen und zu klären, welche Schadensmechanismen (Delamination, Rissbildung, Teilentladungen) für eine Isolationsminderung im Betrieb maßgeblich verantwortlich sind, so dass Degradations- und Alterungsverhalten modelliert werden können. Realisiert wird dies durch versuchsmethodische Messreihen als Design of Experiment DoE in einem dafür entwickelten Prüfsetup, welches sowohl variable Umgebungsbedingungen ermöglicht, als auch eine frei einstellbare elektrische Beaufschlagung. Bewertet werden Degradationseffekte neben den Messergebnissen anhand umfangreicher Befundungen. Da noch nicht abschließend geklärt ist, welche Messgröße als Indikator zur qualitativen als auch quantitativen Bewertung von Degradationen bestmöglich geeignet sind, umfasst dies verschiedene Methoden im Vergleich: nicht zerstörende Methoden (Teilentladungs-Einsatzverhalten, Isolationswiderstand/Leckströme, komplexe Impedanzbetrachtung/tan delta, bildgebende Verfahren wie Röntgenanalyse) als auch zerstörende Verfahren (Schliffbilder zur Isolationsdickenbestimmung, Bestimmung der Enddurchschlagsspannung nach Alterung). Die methodische Befundung entlang der Alterungsversuche zeigt bspw. auf, ob die Minderung der TE-Einsatzspannung einen geeigneten Alterungsindikator darstellt. Aus den Messergebnissen wird ein statistisch-empirisches Alterungsmodell abgeleitet. Dies ermöglicht eine statistisch validierte Abschätzung der Isolationsalterung abhängig vom Lastkollektiv. Die statistischen Ergebnisse sowie die Resultate der Befundung werden zusammengeführt und dienen als Grundlage für die Zuordnung zu bekannten physikalischen Wirkprinzipien. Durch die Verknüpfung der statistischen Messdaten der Ausfallmechanismen und der Ausfallfolgen entsteht ein physikalisches Wirkmodell, also der Erkenntnisgewinn, durch den sich zukünftig die zugrundeliegenden Ausfallmechanismen aus den Messdaten ableiten lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, Schweden
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Michael Beltle
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrea Cavallini; Professor Dr. Thomas Hammarström