Wie lange halten Hightech-Klebstoffe Hitze im E-Motor stand?

Klebstoffe erweisen sich im Bereich Elektromotoren als häufig vielseitigere und leistungsfähigere Alternative zu traditionellen Verbindungstechniken, da sie multifunktional für verschiedene Materialien eingesetzt werden können. Zudem müssen die Produkte die extremen Einsatzbedingungen aushalten können, wie beispielsweise Hitze. Ein deutscher Klebstoffhersteller untersuchte, wie lange Hightech-Klebstoffe extremen Temperaturen standhalten können. Dafür setzte er seine Produkte einem Härtetest aus: Über 20.000 Stunden mussten die Klebstoffe Temperaturen von bis zu +180 °C trotzen.

Die Zukunft von Antriebsmotoren in Autos wird elektrisch sein. Diese Entwicklung stellt hohe Anforderungen an Hersteller und Zulieferer dar, 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.

Besonders wichtig sind Klebstoffe beim Fixieren der innenliegenden Permanentmagnete (IPM), wie sie beispielsweise bei Tesla zum Einsatz kommen. Dabei müssen die Fertigungstoleranzen parallel zu kleiner werdenden Elektromotoren sinken. Zudem sind Seltenerdmagnete, die zumeist Verwendung finden, korrosionsanfällig und benötigen eine spezielle Beschichtung aus Passivierung oder Epoxidharz, die beim Montieren nicht beschädigt werden darf. Traditionelle Verbindungsmethoden wie mechanisches Klemmen stoßen hierbei an ihre Grenzen, während Kleben diese Anforderungen erfüllt.

Sind also Klebstoffe die perfekte Lösung bei der Montage von Elektromotoren? Ganz so einfach ist es nicht, denn auch Klebstoffe bringen Herausforderungen mit sich. Die maximale Betriebstemperatur bei Antriebsmotoren liegt oft bei etwa +180 °C. Das stellt die meisten Klebstoffe auf die Probe. Denn Klebstoffe sind im Kern Kunststoffe, die bekanntermaßen empfindlich auf extreme Hitze reagieren und bei längerer Einwirkung ihre mechanische Festigkeit verlieren. Allerdings ist gerade die dauerhafte mechanische Festigkeit für Motorenhersteller besonders wichtig. Elektromotoren müssen während ihrer Lebensdauer Hunderttausende von Kilometern mit elektrischem Widerstand betrieben werden, elektrische Systemverluste bewältigen, mechanischer Reibung trotzen und anderen Wärmequellen standhalten. Die Lösung: Die Entwicklung von speziellen Klebstoffen, um solchen Bedingungen zu widerstehen.

So meistern Spezialklebstoffe extreme Temperaturen

Um herauszufinden, wie hitzebeständig Spezialklebstoffe für Elektromotoren sein können, wurden eine Reihe von Langzeittests durchgeführt, bei denen mehrere einkomponentige warmhärtende Epoxidharz-Klebstoffe – die stärksten und widerstandsfähigste Klebstoffgruppe überhaupt – extremen Umweltbedingungen ausgesetzt wurden. Dieser Artikel befasst sich mit den Tests, die mit Klebstoffen aus der DELO-Monopox-HT299x-Serie durchgeführt wurden. Dies ist eine Produktserie, welche vor zehn Jahren eigens für Hochtemperaturanwendungen (HT = high temperature) entwickelt wurde.

Für einen Ausgangswert wurde der Klebstoff zunächst nach dem Aushärten bei Raumtemperatur auf einem Stahlsubstrat getestet. Die Zugscherfestigkeit betrug dabei 22 MPa. In drei ersten Versuchen wurden die geklebten Stahlkörper in Dexron-VI gelagert, einem Öl, das als Kühlmittel für Elektromotoren dient und den realen Einsatz des Klebstoffs in Elektrofahrzeugen simulieren sollte. Nachdem die Klebverbindung 1000, 2000 und 3000 Stunden lang Temperaturen von +150 °C ausgesetzt war, behielt sie jeweils eine Zugscherfestigkeit von etwa 23 MPa.

Im Laufe der Tests wurden die Bedingungen schrittweise verschärft, um extremere Szenarien zu simulieren. Die Lagertemperatur für weitere Proben wurde auf +180 °C erhöht – ein Temperaturunterschied, der es in sich hat. Denn während die meisten Klebstoffe spätestens oberhalb von +150 °C an Festigkeit verlieren, liegt die Glasübergangstemperatur von DELO Monopox HT299x bei +180 °C. Oberhalb seiner Glasübergangstemperatur verändern Kunststoffe ihren Zustand – vereinfacht gesprochen, sie werden weich.

Nach einer Lagerungszeit von 1000 und 3000 Stunden stellte sich allerdings heraus, dass die Zugscherfestigkeit für diesen Klebstoff bei rund 23 MPa konstant blieb. Weitere Proben folgten. Dieses Mal sollten die Proben jedoch 10.000 und 20.000 Stunden gelagert werden. Ein Zeitraum, der mehr als zwei Jahren extremer Belastung entspricht und, soweit bekannt, noch nie von einem Klebstoffhersteller getestet wurde. Nach dieser langen Dauer von 10.000 und 20.000 Stunden bei gleichbleibend +180 °C wurde die Zugscherfestigkeit der beiden Proben mit jeweils 20,6 und 16,2 MPa gemessen.

Das Ergebnis zeigt: Selbst im Extremszenario von 20.000 Stunden Lagerung bei +180 °C reduziert sich die Festigkeit des getesteten Klebstoffs um lediglich 30 Prozent. Das entspricht immer noch 162 kg/cm². Ein Beweis dafür, dass Klebstoffe auch den Anforderungen von hitzeerzeugenden Anwendungen wie Elektromotoren standhalten können. Für eine ganzheitliche Betrachtung in diesem Anwendungsfeld müssen neben Zugscherfestigkeit und Temperaturbeständigkeit allerdings weitere Eigenschaften wie zum Beispiel die Fließfähigkeit und die mechanische Thermodynamik getestet und berücksichtigt werden. Die hier präsentierten Ergebnisse deuten dennoch auf eine vielversprechende Trendwende im Bereich Elektromotoren hin zur Klebtechnik als Fügeverfahren hin. (na)