Isolierte Kupfer-Folienleiter für die Elektromobilität

Wo hohe Frequenzen eingesetzt werden, begrenzt ein physikalischer Effekt die Stromtragfähigkeit von Kupferleitungen: der sogenannte Skin-Effekt. Durch die sich bildenden, hochfrequenten Magnetfelder reduziert sich die Stromdichte in der Tiefe des Leiters immer mehr (Wirbelstromverluste).

Im Powertrain von Elektromobilen (vollelektrisch oder Hochvolt-Hybrid) wird die Gleichspannung der HV-Batterie mit Hilfe von "Schaltnetzteilen" (Umformer, Wechselrichter) in hochfrequente Wechselspannung umgewandelt, um dann über geschirmte Hochspannungskabel den Elektromotor / die Elektromotoren anzusteuern. Hohe Ströme benötigen ausreichende Leiterquerschnitte. Durch den Skineffekt und die hohen Betriebsfrequenzen sind klassische Rundleiter durch die Stromverdrängung z.B. flachen Folienleitern unterlegen.

Beispielhaft sei hier bei zwei Betriebsfrequenzen die Abschwächung des Stromdurchflusses im Leiterinneren dargestellt:

Die Stromdichte reduziert sich bei 50 kHz in 300µm Tiefe auf rund 1/3, bei 500 kHz bereits nach nur 95µm Eindringtiefe. Der Großteil des Stroms fließt also auf der Aussenseite des Leiters. Die Eindringtiefe des Skineffektes ist abhängig von Geometrie und Leitfähigkeit des Leitermaterials und vor allem von der Frequenz des fliessenden Stroms. Der für die Stromleitung zur Verfügung stehende Leiterquerschnitt reduziert sich bei zunehmendem Skineffekt.

Um die „Stromverdrängung“ in hoch belasteten Leitungen zu vermeiden, gibt es mehrere Lösungsansätze. Allen Ansätzen gemeinsam ist, dem Strom eine erhöhte Oberfläche zu bieten.
Eine gängige Methode ist die Aufteilung eines Massiv-Leiters in viele Einzelleiter. Solche Litzen-Leitungen mit einzeln isolierten Kupferleitern reduzieren deutlich den auf Gleichstrom umgerechneten Leitungswiderstand bei hohen Frequenzen (Verhältnis RDC/RAC über die Frequenz verändert sich deutlich oberhalb von ~30 kHz bei einem beispielhaften Drahtdurchmesser von 15 mm).

Alternative zu Litzenleitungen sind flache Kupferleiter, die im Prinzip vor allem „Oberfläche“ besitzen (weitere Alternativen sind Rohre, wie sie in der Höchstfrequenztechnik eingesetzt werden mit entsprechenden konstruktiven Problemen). Bei den flachen Kupferleitern erreicht man einen ausreichenden Querschnitt der Leiterfläche vor allem über die Breite eines 30….400 µm dicken Kupferbandes.

Eingesetzt werden solche Kupferbänder vor allem in Hochstromtransformatoren. Diese werden in Frequenzumformern, in Motortreibern, Vollbrückenwandlern, Schweißtransformatoren und anderen Hochstromquellen oder Hochfrequenz-Schaltungen verbaut.

CMC Klebetechnik bietet solche Kupferbänder (Folienleiter) mit verringertem Skin-Effekt in kundenspezifischen Breite an. Die Kupferstärke kann zwischen 0,030 mm bis 1,0 mm betragen. Zur Isolation der Rechteckprofile werden spannungsfeste Isolationsfolien z.B. aus Polyester, PEN oder Kapton® eingesetzt. Sie verbrauchen nicht viel Bauraum (Füllfaktor) und bieten hohe Durchschlagspannungen.

Besonders in kompakt gebauten Leistungstransformatoren und/oder Motoren können die isolierten Kupferbänder (Folienwicklung; Folienleiter) auch mit einer wärmeleitenden Isolation aus Kapton® MT isoliert werden. Vorteil ist die deutlich verbesserte Wärmeübertragung von Leiterlage zu Leiterlage aähnlich wie bei Profildrähten. Kapton MT Isolationen tragen merklich dazu bei, die thermische Belastung zu reduzieren oder eine größere Leistung entnehmen zu können.


Weitergehende Informationen zu isolierten Flachkupferleitungen (CMC 38xxx - Familie) mit einfachen, zweifachen oder dreilagigen Isolationsauflagen finden Sie hier:

CMC 38xxx Folienleiter, isoliert

Vorteile und Eigenschaften von Flachkupfer-Leitungen (Kupferabschirmfolien)

  • Erheblich verringerter Skineffekt, hohe Stromtragfähigkeit
  • Flachkupfer-Leitungen können sehr dicht gewickelt werden bei hohen Zugkräften. Dadurch kann effektiv eine Vibration des Spulkörpers vermieden und die entstehende Verlustwärme optimiert abgeleitet werden.
  • Durch die gute Leitfähigkeit und dem geringen Skin-Effekt sehr gutes Verhältnis der (Verlust-)Wärme zur Leistung. Deutlich größere Leistungsdichte im Vergleich zu drahtgewickelten Spulen.
  • auch mit doppelter und dreifacher Isolation möglich;
  • für Klasse F auch mit PEN-Folie erhältlich), mit Kapton®-Folie auch für Klasse H 
  • alle Versionen UL-recognized (E93622)
  • für noch bessere Wärmeableitung mit Kapton® MT (wärmeleitender) Isolation
  • auch mit zwei Leitern parallel für komplexere Wicklungskonstruktionen
  • andere Konstruktionen gewünscht? Fragen Sie an!