Elektrotechnik

Mit der höchsten Leitfähigkeit aller Industriemetalle spielt Kupfer eine wichtige Rolle in elektrischen und elektronischen Anwendungen
copper electrical wire spool

In der Elektrotechnik setzt Kupfer Maßstäbe

In der Elektroindustrie wird, den vielfältigen Anforderungen entsprechend, ein sehr breites Spektrum an Kupferwerkstoffen eingesetzt – reines Kupfer ebenso wie eine Vielzahl seiner Legierungen. In erster Linie wird Kupfer in unlegierter Form zu Kabeln, Leiterseilen, Drähten, Schienen, Bändern und anderen Bauteilen der Elektrotechnik verarbeitet. Der Grund der Anwendung ist eine Kombination herausragender Eigenschaften, hauptsächlich die sehr gute Leitfähigkeit für elektrischen Strom und Wärme, meist ausreichende Festigkeit, gute Bearbeitbarkeit sowie die gute Korrosionsbeständigkeit. Werden außer an die Leitfähigkeit auch noch besondere Anforderungen an die mechanische Festigkeit oder an die Verschleißbeständigkeit gestellt, lassen sich die Eigenschaften des Kupfers in dieser Hinsicht durch Legierungselemente noch erheblich steigern. Leider sind die Leitfähigkeiten von Legierungen stets wesentlich niedriger als die der reinen Metalle. Deshalb werden als optimale Kompromisse eine Vielzahl niedriglegierter Kupferwerkstoffe angeboten. Insgesamt gehen zwischen 50% und 65% der gesamten Kupfer-Produktion als Leiterwerkstoffe in die Elektrotechnik.Kupfer ist neben Silber das Metall mit dem geringsten elektrischen Widerstand.

Wichtige Anwendungsfelder sind:

Halbleiter

Hauptanwendungsgebiete für Halbleiterträger sind die Daten-, Nachrichten-, Mess-, Steuer- und Regeltechnik, die Unterhaltungs-, Haushalt- und Freizeitelektronik sowie die Kfz-Elektronik. Bei den Halbleiterbauelementen hat sich eine Technologie durchgesetzt, bei der die Bauelemente auf Montagerähmchen, den sogenannten Leadframes, montiert und in Kunststoff gekapselt werden. Die Aufgabe des Trägermaterials ist unter Anderem, die mechanische Festigkeit zu gewährleisten und die hohe Verlustleistung abzuführen, die in Form von Wärme anfällt. Zusätzlich wird eine sehr gute Verbindungseigenschaft gefordert, außerdem soll die Wärmeausdehnung des Trägers möglichst der des Halbleiters entsprechen, damit nur geringe thermische Spannungen entstehen. Die zur Zeit wichtigste Legierung zur Herstellung solcher Systemträger ist CuFe2P.

Steckverbinder

Steckverbinder sind lösbare Kontakte und werden bei seltener zu lösenden elektrischen Verbindungen wie z.B. bei Haushaltsgeräten, in der Kfz-Elektrik und bei elektronischen Geräten verwendet. Bei geringen Ansprüchen an Übergangswiderstand und Betätigungshäufigkeit sind Messing / Messing-Kontakte anwendbar, die sich ebenso wie Bronze und Neusilber für Kontaktfedern jeglicher Art eignen. Wenn bei Steckverbindern hohe Steckkräfte zulässig sein sollen und geringe Steckhäufigkeit gegeben ist, haben sich Messersteckverbinder aus Messing CuZn30 oder verzinnter Bronze CuSn6 bewährt. Ein typisches Anwendungsgebiet ist hier die Automobil-Industrie.

Supraleiter

Supraleitung ist die Eigenschaft einiger Stoffe, elektrischen Strom bei sehr tiefen Temperaturen ohne Widerstand leiten zu können. Kupfer und Zinnbronze werden in supraleitenden Drähten zur mechanischen, elektrischen sowie thermischen Stabilisierung verwendet, da der Stromfluss über einen konventionellen Leiter abklingen können muss, sollte die Supraleitung einmal schlagartig zusammenbrechen. Dies kann bei Überschreitung der kritischen Temperatur ebenso wie bei Überschreiten einer kritischen Stromdichte eintreten

Drähte und Kabel

Kupferdrähte waren lange Zeit bevorzugtes Leitermaterial in der Energie- und Nachrichtentechnik. Weil Kupfer ein hochleitfähiges und zugleich sehr gut verformbares Material ist, kann es exakt bis auf den gewünschten Durchmesser gezogen werden, und lässt sich ebenfalls zu wirtschaftlichen und festen Verbindungen verschweißen. Es verträgt sich mit allen modernen Dämmstoffen, ist jedoch ein guter Oxidationshemmstoff, der ohne jeden anderen Oberflächenschutz eingesetzt werden kann.
Als Isolierungen können Lackierungen für Wickeldraht oder Polymere für Kabel und Leitungen dienen. Lacke erlauben einen geringen Zwischenraum zwischen den Wickeldrähten. Dieser Kupferlackdraht verleiht den Wicklungen von Motoren, Transformatoren und Drosselspulen einen hohen Wirkungsgrad.

Stromschienen

Stromschienen sind massive Leiter, die als Stromverteiler funktionieren. Sie verteilen die elektrische Spannung von einer Stromquelle an mehrere Verbraucher. Wegen seiner guten Leitfähigkeit, Festigkeit, Formbarkeit und Oxidationsbeständigkeit ist Kupfer das naheliegendste Material für die Herstellung einer Stromschiene. Dazu werden Barren aus hochleitfähigem Kupfer zu gleichmäßigen Querschnitten warm ausgewalzt und anschließend bis auf die erforderliche bzw. gewünschte fertige Größe, Länge usw. gezogen.

Transformatoren- und Motorwicklungen

Kupfer wird für die Fertigung von Transformatorenwicklungen in Form von Drähten für Hochspannungswicklungen und Bändern für Niederspannungswicklungen verwendet. Für kleinere Produkte muss der Kupferdraht stark genug sein, um beim Wickeln nicht zu reißen, aber auch dehnbar genug, damit dicht gepackte Wicklungen entstehen. Kupferband muss eine gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, damit die Isolierlacke nicht durchschlagen. Hohe Duktilität spielt bei der Formgebung und Packung eine wichtige Rolle, während ausreichende Festigkeit erforderlich ist, um den hohen magnetischen Kräften, die bei gelegentlichen Kurzschlüssen auftreten, standzuhalten.
Die Eigenschaften für Motorenwicklungen ähneln denen für Transformatoren. Hinzu kommt jedoch eine weitere Anforderung. Die Drähte müssen nämlich den auftretenden mechanischen Vibrationen und Zentrifugalkräften bei Betriebstemperaturen widerstehen können.

Elektronikausrüstungen

Dieser Bereich ist zwar von der Tonnage her betrachtet relativ klein, doch in einer ganzen Reihe von kleinen hochtechnischen Anwendungen spielt Kupfer eine wichtige Rolle.
Kupfer oder Kupferlegierungen kommen in gedruckten Leiterplatten, Elektronik-Steckverbindern und Bauteilhaltern zum Einsatz. Außerdem wird Kupfer schon seit langem im Telekommunikationsbereich eingesetzt, zur Zeit immer mehr auch in der IT-Branche, vor allem für die Fertigung von Mikrochips und Halbleiteranwendungen. Kupferkühlkörper erlauben die Ableitung von Wärme aus Hochfrequenzmikroprozessoren und Logik-Komponenten.

Andere elektrische Verwendungszwecke

Kupfer wird auch für die Herstellung von Kollektoren, Schweißelektroden, Kontakten, Kontaktfedern, Hochvakuum- und anderen elektrischen Geräten gebraucht.

Wärmetauscher

Aufgrund seiner thermischen und hohen elektrischen Leitfähigkeit eignet sich Kupfer ideal für den Bau von Wärmetauschern aller Art. Kupfer lässt sich einfach verarbeiten, löten und zeichnet sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Typische Anwendungen für Wärmetauscher aus Kupfer sind Heizkörper, Luftkühler und Klimaanlagen im Verkehrswesen, Kühlkörper für elektronische Bauteile sowie Luftheizungsanlagen für private und industrielle Wasserheiz- und -Kühlaggregate. Einfache oder komplexe Geometrien können leicht umgesetzt werden und maximieren so die Kosteneffizienz des Energietransfers. Heizen und Kühlen benötigen rund 48% des europäischen Energiebedarfs. Davon gehen rund 70% in Bereiche bis zu 250 Grad. Kupfer geht deshalb auch in solarthermische, geothermische und Biomasse-Anwendungen.


Kupfer- die beste Wahl 

Energiesparmotoren sparen bares Geld


Wussten Sie, dass ein Elektromotor im Laufe seines langen Lebens das Hundertfache seines Einkaufspreises an Stromkosten verursachen kann?

Die Anschaffung eines Hochwirkungsgrad-Motors (Higher Efficiency Motor, HEM) kann sich durch geminderte Energiekosten um ein Vielfaches auszahlen.
In den letzten Jahren haben viele Motoren-Hersteller erheblich in F&E und in neue Produktionsstätten investiert, um bei geringem Aufpreis Motoren mit besseren Wirkungsgraden auf den Markt bringen zu können. Diese neue Generation von Motoren unterscheidet sich äußerlich und im Betriebsverhalten kaum von üblichen Maschinen, verursacht aber erheblich niedrigere Unterhaltskosten. Dank einer Vielzahl kleiner konstruktiver Änderungen im Detail, besseren Materials und strengerer Qualitätskontrolle lassen sich heute die Energieverluste um 25% vermindern

Kupfer im Elektromotor

  • Unter Strom gesetzte Kupferdrahtspulen, die über Leiterplatten verschaltet sind, bilden ein umlaufendes Magnetfeld, in dem sich ein Rotor um seine Achse dreht - das ist das physikalische Grundprinzip des Elektromotors. 
  • 2,4 Kilometer Kupferdraht stecken in einem Motor
  • 0,071 bis 0,7 Millimeter dünn sind die Kupferdrähte - ein menschliches Haar hat 0,12 Millimeter
Seminare und veranstaltungen
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