Kriechstrecke und Luftstrecke im Elektromotor: Unterschied und Maße

Kriechstrecke und Luftstrecke unterscheiden sich im Weg, in der Spannung, nach der sie bemessen werden, und in der Art, wie sie versagen. Die Luftstrecke misst den direkten Weg durch die Luft, die Kriechstrecke den Weg an der Oberfläche eines Isolierstoffs entlang. Geometrisch ist die Kriechstrecke deshalb nie kürzer als die Luftstrecke zwischen denselben zwei Teilen. Jede Kante, jeder Falz und jeder Überstand, um den der Oberflächenweg herumführen muss, macht sie länger.

Die Luftstrecke wird nach den Spannungsspitzen bemessen, die auftreten können, also nach Stoß- und Überspannungen. Reicht sie nicht aus, schlägt die Luft sofort durch. Die Kriechstrecke wird nach dem Effektivwert der Spannung bemessen, die dauerhaft anliegt. Sie versagt nicht schlagartig, sondern über die Zeit: Feuchtigkeit und Ablagerungen lassen Kriechströme fließen, die die Oberfläche schrittweise schädigen, bis ein leitfähiger Pfad entsteht.

Die erforderliche Luftstrecke hängt vor allem von der Stoßspannung ab, die sie aushalten muss. Dazu kommen der Verschmutzungsgrad, die Form des elektrischen Feldes und die Höhenlage. Mit sinkender Luftdichte sinkt die Spannungsfestigkeit der Luft, für Aufstellhöhen über 2.000 m sind Luftstrecken deshalb größer zu wählen.

Die erforderliche Kriechstrecke hängt von drei Größen ab: der Arbeitsspannung, dem Verschmutzungsgrad und dem Werkstoff. Der Verschmutzungsgrad beschreibt in vier Stufen, womit am Einbauort zu rechnen ist, von keiner oder nur trockener, nicht leitfähiger Verschmutzung (Grad 1) bis zu dauerhaft leitfähiger Verschmutzung (Grad 4). Wie gut ein Isolierstoff der Kriechwegbildung widersteht, beschreibt seine Kriechstromfestigkeit, im Datenblatt als CTI-Wert (Comparative Tracking Index) angegeben. Danach werden Isolierstoffe in Werkstoffgruppen eingeteilt, von Gruppe I mit einem CTI ab 600 bis Gruppe IIIb. Je kriechstromfester der Werkstoff, desto kürzer darf die Kriechstrecke bei sonst gleichen Bedingungen sein.

Die Grundlagen beschreibt die Norm zur Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen, IEC 60664-1 (in Deutschland DIN EN 60664-1, VDE 0110-1). Sie gilt bis 1.000 V Wechselspannung beziehungsweise 1.500 V Gleichspannung, für Hochspannungsmaschinen gelten andere Regeln. Die konkreten Werte für eine Maschine geben die Produktnormen vor, die für sie gelten. Für Motoren in explosionsgefährdeten Bereichen mit Zündschutzart Erhöhte Sicherheit nennt etwa IEC 60079-7 eigene Mindestwerte, für Motoren in Haushaltsgeräten IEC 60335-1.

Eine zentrale Kriechstrecke im Stator liegt am Nutende, wo die Wicklung aus dem Blechpaket austritt. Ragt die Nutisolation dort über das Blechpaket hinaus, führt der Oberflächenweg von der Wicklung um diesen Überstand herum zum Blech. Je länger der Überstand, desto länger die Kriechstrecke. Der Bord (Bördelung), ein umgeschlagener Rand an der Nutisolation, wirkt in dieselbe Richtung: Seine Geometrie trägt dazu bei, die nötige Kriechstrecke einzuhalten, und hält die Isolation beim Wickeln an ihrem Platz.

Die Dicke der Nutisolation verlängert die Kriechstrecke dagegen kaum. Sie bestimmt die Durchschlagsfestigkeit durch das Material hindurch und steht dort im Zielkonflikt mit dem Kupferanteil in der Nut, mehr dazu im Beitrag wie dünn eine Nutisolation sein darf.

Zwischen zwei Wicklungslagen in derselben Nut trennt der Zwischenschieber. Er ist häufig länger als das Blechpaket und steht an den Enden über, sodass die Trennung über die Nut hinausreicht. Mehr dazu unter wann ein Zwischenschieber nötig ist. Im Wickelkopf laufen die Phasen außerhalb der Nut dicht aneinander vorbei. Dort liegen flache, an den Wickelkopf angepasste Stanzteile zwischen ihnen, siehe Phasentrenner richtig setzen und anliefern. Welches Teil wo im Stator sitzt, zeigt die Übersicht aller Isolierteile einer Statorwicklung.

Kriech- und Luftstrecken legt der Hersteller des Motors oder Generators bei der Auslegung fest, denn nur er kennt Spannung, Isolationskonzept, Einsatzumgebung und die geltenden Normen. Das Ergebnis sind keine Strecken auf dem Papier, sondern Maße: Länge und Überstand der Nutisolation, Länge des Zwischenschiebers, Abmessungen von Deckschieber und Phasentrenner. Diese Maße stehen in der technischen Zeichnung, und die Zeichnung ist das Dokument, an dem sich jede Lieferung messen lässt. Unser Teil ist, Länge, Überstand und Bord genau so zu fertigen, wie sie dort stehen.

Eine Zeichnung, nach der sich ohne Rückfragen fertigen lässt, enthält zuerst die Geometrie: Länge, Breite oder Abwicklung, Profil und Schenkellängen, bei der Nutisolation die Nutgeometrie einschließlich einer eventuellen Schrägung, beim Deckschieber Rückenbreite und Schenkellänge.

Dann die Maße, in denen Ihre Kriech- und Luftstrecken stecken: den Überstand der Nutisolation an beiden Enden, die Länge von Zwischenschieber und Deckschieber, Ausführung und Maß des Bords sowie die Kontur der Phasentrenner. Geben Sie die Paketlänge mit an, damit sich jeder Überstand eindeutig darauf bezieht.

Dazu kommen Toleranzen, vor allem für jedes Maß, das für eine Strecke maßgeblich ist, und das Material mit Typ und Stärke, etwa NPN, DMD oder Nomex® 410. Geht die Kriechstromfestigkeit in Ihre Auslegung ein, nennen Sie den Werkstoff verbindlich und nicht nur die Wärmeklasse, denn zwei Werkstoffe derselben Wärmeklasse können sich im CTI unterscheiden. Zum Schluss Stückzahlen und Lieferform: Meterware, Rollenware oder fertiges Stanz- und Formteil.

Eine Kriechstrecke, die auf der Zeichnung stimmt, nützt nur, wenn das Teil die Maße auch einhält. Wer Überstände, Bord und Längen eindeutig bemaßt und toleriert, bekommt Isolierteile, die sich bei jeder Lieferung gegen die Zeichnung prüfen lassen. Welche Isolierteile wir für Motoren fertigen, zeigt die Seite Elektromotorenbau.