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Im Bereich der Elektromotoren bieten Klebstoffe oft eine vielseitigere und leistungsstärkere Alternative zu herkömmlichen Verbindungstechniken, da sie multifunktional für unterschiedliche Materialien nutzbar sind. Gleichzeitig müssen sie in der Lage sein, anspruchsvollen Einsatzbedingungen wie Hitze standzuhalten. Ein deutscher Hersteller von Klebstoffen führte eine Untersuchung durch, um zu ermitteln, wie lange Industrieklebstoffe sehr hohen Temperaturen widerstehen können. Hierbei wurden die Produkte einem Härtetest unterzogen: Über einen Zeitraum von mehr als 20.000 Stunden mussten die Klebstoffe Temperaturen von bis zu +180 °C standhalten.
Die Zukunft von Antriebsmotoren in Autos wird elektrisch sein. Diese Entwicklung stellt hohe Anforderungen an Hersteller und Zulieferer, da die Elektromotoren zunehmend kompakter und leistungsstärker werden müssen, während gleichzeitig ihr Wirkungsgrad stetig verbessert werden soll. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden mehrere technische Maßnahmen ergriffen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Gestaltung des Rotors. Die Magnete müssen optimal in das Blechpaket fixiert werden. Diese Faktoren sind entscheidend für die Effizienz des Motors, stellen jedoch auch neue Herausforderungen an die Verbindungstechnik, welche Kleben lösen kann.
Stator und Rotor eines Permanentmagnet-Synchron-Motors, der in modernen Elektrofahrzeugen eingesetzt wird.
Herausforderungen bei der Montage von Permanentmagneten
Klebstoffe spielen eine besonders wichtige Rolle beim Fixieren innenliegender Permanentmagnete (IPM), wie sie zum Beispiel in Tesla-Fahrzeugen verwendet werden. Mit der Verkleinerung der Elektromotoren müssen auch die Fertigungstoleranzen abnehmen. Zudem sind die häufig verwendeten Seltenerdmagnete anfällig für Korrosion und erfordern eine spezielle Beschichtung wie Passivierung oder Epoxidharz, die bei der Montage unversehrt bleiben muss. Traditionelle Verbindungsmethoden wie mechanisches Klemmen stoßen hier an ihre Grenzen, während Klebstoffe in der Lage sind, diese Anforderungen zu erfüllen.
Explosionszeichnung eines elektrischen Antriebsmotors im Auto mit typischen Klebstellen (Klebstoff zur Illustration magenta eingefärbt).
Die maximalen Betriebstemperaturen von Antriebsmotoren erreichen oftmals bis zu +180 °C. Eine extreme Hitze, die insbesondere für die mechanische Festigkeit der Klebststoffe eine Belastungsprobe darstellt. Für Motorenhersteller ist jedoch gerade diese dauerhafte mechanische Festigkeit von entscheidender Bedeutung. Elektromotoren müssen im Laufe ihrer Lebensdauer Hunderttausende von Kilometern zurücklegen und dabei elektrische Widerstände überwinden, elektrische Systemverluste kompensieren, mechanischer Reibung standhalten und anderen Wärmequellen trotzen. Die Lösung besteht in der Entwicklung spezieller Klebstoffe, die diesen anspruchsvollen Bedingungen standhalten können.
Entwicklung von Spezialklebstoffen für hohe Temperaturen
Um die Hitzebeständigkeit von Spezialklebstoffen für Elektromotoren zu ermitteln, wurden umfangreiche Langzeittests durchgeführt. Dabei kamen mehrere einkomponentige, warmhärtende Epoxidharzklebstoffe zum Einsatz, die als besonders stark und widerstandsfähig gelten. Diese Tests unterzogen die Klebstoffe anspruchsvollen Umweltbedingungen. Im Fokus dieses Artikels stehen die Prüfergebnisse der Klebstoffe aus der Delo Monopox HT299x-Serie. Diese Produktserie wurde speziell für Hochtemperaturanwendungen (HT=high temperature) entwickelt.
In den ersten drei Versuchen wurden verklebte Stahlkörper in Dexron-VI eingelagert, einem Öl, das als Kühlmittel für Elektromotoren verwendet wird. Dies sollte den realen Einsatz des Klebstoffs in Elektrofahrzeugen simulieren. Nachdem die Klebverbindung 1.000, 2.000 und 3.000 Stunden lang Temperaturen von +150 °C ausgesetzt war, hielt sie jeweils eine Zugscherfestigkeit von etwa 23 MPa bei ursprünglich 22 MPa aufrecht.
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Klebstoffe an die Belastungsgrenze bringen
Um extremere Szenarien zu simulieren, wurden die Bedingungen im Verlauf des Tests schrittweise verschärft. Die Lagerungstemperatur für weitere Proben wurde auf +180 °C erhöht. Ein bedeutender Temperaturunterschied, da die meisten Klebstoffe oberhalb von +150 °C an Festigkeit verlieren. Die Glasübergangstemperatur von Delo Monopox HT299x hingegen liegt bei +180 °C.
Nach einer Lagerungszeit von 1.000 und 3.000 Stunden zeigte sich, dass die Zugscherfestigkeit dieses Klebstoffs konstant bei rund 23 MPa lag. Anschließend wurden weitere Proben über Lagerungszeiträume von 10.000 und 20.000 Stunden getestet, was mehr als zwei Jahren hochgradiger Belastung entspricht.
Nach diesem ausgedehnten Zeitraum bei konstanten +180 °C betrug die Zugscherfestigkeit der beiden Proben jeweils 20,6 und 16,2 MPa. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass selbst unter den Extrembedingungen einer 20.000-stündigen Lagerung bei +180 °C die Festigkeit lediglich um 30 % reduziert wird, was immer noch 162 kg/cm2 entspricht.
Fazit
Klebstoffe sind den Anforderungen hitzeerzeugender Anwendungen wie Elektromotoren gewachsen. Für eine umfassende Bewertung in diesem Anwendungsbereich sind neben Zugscherfestigkeit und Temperaturbeständigkeit jedoch auch andere Eigenschaften wie die Fließfähigkeit und die mechanische Thermodynamik zu berücksichtigen. Dennoch weisen die Ergebnisse auf eine vielversprechende Entwicklung in Richtung Klebtechnik als bevorzugtes Fügeverfahren im Bereich der Elektromotoren hin.
