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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Flachleitervorrichtung für elektrische Maschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Elektrische Maschinen werden vielfach mit Wicklungen aus Flachleitern ausgestattet. Als Flachleiter sind hier Leiter mit rechteckigem Querschnitt zu verstehen, die meist bandartig ausgeführt sind. Der Leiter selbst kann massiv sein oder Litzen aufweisen. Die Flachleiter, die auch als Flachdrähte bezeichnet werden können, ermöglichen eine hohe Nutfüllung und damit einen hohen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
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Die Wicklungen der elektrischen Maschinen besitzen in bekannter Weise Teilisolierungen und Hauptisolierungen. Die Teilisolierungen dienen in erster Linie zur elektrischen Isolation der einzelnen Windungen einer Wicklung untereinander und die Hauptisolation dient zur Isolierung der Wicklung gegenüber der Nutwand bzw. dem Blechpaket, d. h. gegenüber Erde.
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Die genannten elektrischen Maschinen umfassen rotierende Maschinen, wie Motoren, und nicht rotierende Maschinen wie Transformatoren. Insbesondere umfassen die elektrischen Maschinen Motoren für Traktionsanwendungen.
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Für Anwendungsfälle mit besonderen Anforderungen an den Flachdraht hinsichtlich mechanischer Beständigkeit (z. B. Traktionsmotoren) wird üblicherweise ein Isolationssystem bestehend aus einer Lackisolation mit Polyimid- oder Polyamid-Imid-Lack verwendet, die anschließend mit einem Mischgarn aus Polyester und Glas umsponnen wird. Dieses Mischgarn ist bekannt unter dem Handelsnamen „Daglas”. Die Umspinnung wird thermisch gesintert. Der Lack bringt die Isolationsfestigkeit und die Umspinnung die mechanische Festigkeit.
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Die Aufbringung des Lacks erfordert, dass der Lack lösemittelhaltig ist und in mehreren Einzellackierschritten (bis zu acht Einzelschritte) aufgetragen und in einem Ofen jede Schicht einzeln ausgehärtet werden muss. Teilweise sind die Lacke gesundheitsschädlich bis hin zu cancerogen. Die Öfen sind typischerweise bis zu 10 m lang und haben dabei Temperaturen von 200 bis 400°C. Bei den hohen Temperaturen wird das Lösungsmittel freigesetzt, das dann entweder die Umwelt belastet oder durch Nachverbrennung entsorgt werden muss. Bei der energieintensiven Nachverbrennung wird auch die Umwelt durch Abgabe von Verbrennungskomponenten belastet.
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Aus der Druckschrift
EP 0 059 866 B1 ist eine dünne Isolierschicht für Wicklungen bekannt. Insbesondere wird eine Teilleiterisolation mit einer Filmbandwicklung oder einer Duplexglaswicklung vorgestellt. Als Polymer für die Isolation kann Polyimid eingesetzt werden.
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Weiterhin beschreibt die Druckschrift
DE 11 2006 001 439 T5 ein Kabelsystem mit einem runden Massivleiter-Kernelement, welches mit einer ersten Beschichtung konzentrisch umgeben ist. Die erste Beschichtung kann eine Polymerfolienbeschichtung oder Isolierlackbeschichtung sein, die Temperaturen von wenigstens 200°C aushalten kann. Eine zweite Beschichtung ist über der ersten Beschichtung angeordnet, um eine zusätzliche dielektrische und schützende Schicht vorzusehen. Die zweite Beschichtung kann entweder aus Polyester oder aus einer Polyesterfaser/Glasfaser-Beschichtung wie etwa „Daglas” sein.
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Des Weiteren offenbart die Druckschrift
GB 980 274 A ein Herstellungsverfahren für Polyimide. Die Polyimide sind insbesondere für Wicklungsisolationen bei Motoren einsetzbar. Speziell können Flachdrähte mit dem Polyimid-Film isoliert werden.
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Eine gattungsgemäße Flachleitervorrichtung ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 055 591 A1 bekannt. Es ist dort ein Flachleiter dargestellt, um den herum eine Isolationsschicht angeordnet ist, welche ihrerseits von einem hoch wärmeleitfähigen Lack umgeben ist.
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Aus der Druckschrift
EP 0 356 928 A1 ist ein band- oder folienförmiges, elektrisches Isoliermaterial bekannt. Das Isoliermaterial wird als Teilisolierung von Wicklungen einer Spule verwendet und kann als Polyimid-Band realisiert sein. Mehrere derartig isolierte Leiter werden zu einem Bündel zusammengefasst und insgesamt mit einem Glasfaser-Glimmerband umwickelt.
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Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
DE 196 53 387 A1 ein Prepregmaterial für elektrische Isolierungen. Es besteht aus einer Glasvliesschicht, einem Kunstharzfilm und einer dazwischenliegenden Kunststofffolie. Das bahnförmige Prepregmaterial wird auf eine elektrische Leiterbahn, z. B. in Form einer Breitbahn aus einer Kupfer- oder Aluminiumfolie, aufgelegt. Danach wird dieser Schichtaufbau in einer speziellen Wickelmaschine spiralförmig aufgewickelt. Die gewickelte Spule wird bei Bedarf zur Festigkeitserhöhung mit einer äußeren Bandage versehen.
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In der Druckschrift
JP S59 106 863 A ist eine elektrische Maschine beschrieben, bei der ein Wicklungsleiter von einem Polyimid-Film umwickelt ist. Eine weitere Schutzschicht außenrum wird durch ein Polyamid-Papier und eine nicht gewobene Polyamid-Faser, die mit Silikonharz getränkt wird, gebildet.
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Aus der Druckschrift
DE 100 48 132 A1 ist ein aromatisches Polyimidlaminat bekannt. Ein dreischichtiger aromatischer Polyimidfilm ist aus der Struktur thermoplastische Polyimidschicht/Substratfilm/thermoplastische Polyimidschicht zusammengesetzt.
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Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
DE 197 03 161 A1 die Herstellung einer Transformatorwicklung aus einem Wicklungsdraht und beispielsweise einem Isolationspapier. Durch Aufwärmen der Transformatorwicklung, beispielsweise mittels induktiver Erwärmungsverfahren oder durch Erwärmung mit Stromstoß auf eine vom verwendeten Backlack abhängige Temperatur erfolgt die intensive Verklebung des Wicklungsdrahts mit der Isolationszwischenlage mittels des Backlackes.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren für eine Flachleitervorrichtung mit hoher Isolationsfestigkeit und hoher mechanischer Festigkeit und Beständigkeit bereitzustellen, wobei die Herstellung umweltschonend, energiesparend und schadstoffarm sein sollte.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
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In vorteilhafter Weise wird bei Verwendung der Polyimid-Folie bzw. des Polyimid-Bands keinerlei Lösungsmittel freigesetzt und es werden keinerlei gesundheits- und umweltschädliche Komponenten verwendet. Darüber hinaus ist der Energieaufwand für das Aufbringen (z. B. Verkleben) der Polyimid-Folie deutlich geringer als bei bekannten Techniken. Die Fertigungszeiten sind gegenüber bekannten Verfahren ebenfalls kürzer und es ergeben sich somit Kosten-, Gesundheits- und Umweltvorteile.
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Das Polyimid-Band ist mit einem Schmelzkleber kaschiert, der beim Aufbringen der ersten Isolierschicht auf den Flachleiter mit diesem und/oder einem Bereich des Polyimid-Bands verklebt. Mit dieser Klebetechnik ist ein sehr rasches und umweltschonendes Aufbringen der ersten Isolierschicht auf den Flachleiter möglich.
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Der Flachleiter wird beim Aufbringen der ersten Isolierschicht induktiv geheizt. Das induktive Heizen ist energiesparend und mit geringen Anlagenkosten realisierbar.
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Die erste Isolierschicht wird vor dem Aufbringen der zweiten Isolierschicht getempert. Insbesondere kann das Tempern bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 300°C, speziell bei 250°C, erfolgen. Das Tempern führt zu der gewünschten mechanischen und thermischen Belastbarkeit der ersten Isolierschicht.
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Die zweite Isolierschicht kann auf die erste Isolierschicht gesintert werden. Hierdurch lässt sich eine hohe mechanische Festigkeit erreichen.
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Günstigerweise lässt sich die erfindungsgemäße Flachleitervorrichtung für Wicklungen von Motoren einsetzen. Speziell erfüllen die erste und zweite Isolierschicht die thermischen und mechanischen Anforderungen, wie sie bei Traktionsmotoren gefordert werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Flachleitervorrichtung schematisch zeigt.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Eine Spule einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Motors für Traktionszwecke, wird in diesem Beispiel aus Flachdraht gewickelt. Unter dem Begriff „Flachdraht” wird hier eine Flachleitervorrichtung verstanden, die aus dem tatsächlichen elektrischen Leiter besteht, welcher von genau zwei, materiell verschiedenen Isolierschichten umgeben ist.
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Bei dem Leiter handelt es sich beispielsweise um ein massives Kupferband, das rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform kann es sich auch um einen Litzenleiter handeln, der zu einem rechteckförmigen Querschnitt gepresst ist. In der FIGUR, die das Ende eines Flachdrahts bzw. einer Flachleitervorrichtung in der Seitenansicht zeigt, ragt der Flachleiter 1 (hier blankes Kupfer) aus der Isolation 2, 3.
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Der Flachleiter 1, der zur elektrischen Isolation gemäß dem Stand der Technik häufig mit Lack umgeben ist, wird hier erfindungsgemäß unmittelbar mit einer Polyimid-Folie umsponnen. Die Polyimid-Folie liegt z. B. als Bandmaterial (Polyimid-Band) vor und wird direkt auf den Flachleiter 1 zu einer ersten Isolierschicht 2 gewickelt. D. h. der Flachleiter 1 wird mit dem Polyimid-Band umsponnen bzw. umbandelt oder bandagiert. Das Umspinnen erfolgt beispielsweise schraubenförmig um den Flachleiter 1. Dabei können die einzelnen Bandabschnitte bündig aneinander stoßen bzw. Kante an Kante anliegen. In einer alternativen Ausführungsform überlappen sich die unmittelbar aufeinander folgenden Bandabschnitte bei der schraubenförmigen Umwicklung. Die um den Flachleiter 1 gewickelte Polyimid-Folie bzw. das um den Flachleiter 1 gesponnene Polyimid-Band bildet eine erste Isolierschicht 2 unmittelbar auf dem Flachleiter 1. Die erste Isolierschicht 1 dient hauptsächlich zur elektrischen Isolation, insbesondere Teilleiterisolation bei einer elektrischen Maschine.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die erste Isolierschicht 2 (Polyimid-Folie) unmittelbar von einer zweiten Isolierschicht 3 umgeben. Speziell ist in dem vorliegenden Beispiel die erste Isolierschicht 2 mit einem Mischgarn umsponnen. Das Mischgarn kann aus natürlichen und künstlichen Komponenten bestehen. Vorzugsweise besitzt es Polyester- und Glasfasern (z. B. „Daglas”). Das Umspinnen kann, wie in der FIGUR angedeutet ist, auch bei der zweiten Isolierschicht 3 schrauben- bzw. wendelförmig erfolgen. Das Garn selbst kann bandförmig oder schnurförmig für das Umspinnen bereitgestellt werden.
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Nachfolgend wird der Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Flachleitervorrichtung im Detail beschrieben. Für die erste Isolierschicht, die vornehmlich der elektrischen Isolation dient und die entsprechende dielektrische Festigkeit aufweist, wird eine Polyimid-Folie mit Klebefilm verwendet. Insbesondere ist auf die Polyimid-Folie bzw. das Polyimid-Band ein Schmelzkleber kaschiert. Die Polyimid-Folie wird dann durch eine Umspinnmaschine bzw. Umbandelungsmaschine auf den Flachleiter 1 (das Kupfer) aufgebracht. Je nach gewünschter Isolierdicke werden an der Maschine Parameter wie Überlappung, Verlegegeschwindigkeit, Bandspannung und dergleichen eingestellt.
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Anschließend oder gleichzeitig wird der Flachleiter induktiv erhitzt, so dass die Polyimid-Folie aufgrund der Wärme mit dem Kupfer verklebt. Eine anschließende Nachtemperung bei etwa 250°C in einem Ofen mit der Länge von etwa 3 m führt zum endgültigen Verbund mit dem Kupfer.
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Im Anschluss daran erfolgt das Aufbringen der zweiten Isolierschicht, die in erster Linie der Isolation des Leiters gegenüber mechanischen Einflüssen dient. Die zweite Isolierschicht entsteht, wie oben bereits dargestellt wurde, durch Umspinnen der ersten Isolierschicht 2 mit einem Mischgarn. Die Mischgarn-Umspinnung erhöht die mechanische Festigkeit und trägt gegebenenfalls auch noch zur dielektrischen Festigkeit bei. Die Umspinnung wird wieder durch induktive Erhitzung des Flachleiters versintert. Gegebenenfalls kann die zweite Isolierschicht mit einem Imprägnierlack imprägniert werden.
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Außer den beiden Isolierschichten wird auf den Flachleiter keine weitere Isolierschicht mehr aufgebracht. Die Temperaturbeständigkeit der Isolation kann je nach Anwendungsfall eingestellt werden. Sie ist letztlich bestimmt durch die Materialien der beiden Isolierschichten bzw. dem verwendeten Klebstoff. Die Temperaturbeständigkeit hängt beispielsweise vom Polyestertyp und von der Polyestermenge ab. Auch die Spannungsfestigkeit der Isolation kann je nach Anwendungsfall über die Dicke der Polyimid-Folie gesteuert werden. Die mechanische Festigkeit wird in erster Linie durch die zweite Isolierschicht, d. h. die Mischgarn-Umspinnung in der gewünschten Weise eingestellt.
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In vorteilhafter Weise wird bei der Verwendung der Polyimid-Folie für die erste Isolierschicht im Herstellungsverfahren keinerlei Lösemittel freigesetzt, wie dies bei Lackierungen und Beschichtungen typisch ist. Es werden also bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Flachleitervorrichtung keinerlei gesundheits- und umweltschädliche Komponenten verwendet, und der Energieaufwand für die Verklebung der Polyimid-Folie ist deutlich geringer gegenüber Beschichtungstechniken oder Lackiertechniken. Außerdem sind die Fertigungszeiten ebenfalls kürzer. Folglich ergeben sich neben Gesundheits- und Umweltvorteilen auch Kostenvorteile bei der Fertigung.
