DE102010054595B4

DE102010054595B4 - Elektrisch isolierende Beschichtung und Verfahren zum Bilden einer elektrisch isolierenden Beschichtung

Info

Publication number: DE102010054595B4
Application number: DE201010054595
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: CN102122855A; CN102122855B; US20110151245A1; DE102010054595A1; US8802230B2

Abstract

Elektrisch isolierende Beschichtung (10) zum Minimieren einer elektrischen Leitfähigkeit eines Metallsubstrats (14), wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (10) umfasst: eine Polymerkomponente, die aus einem Monomervorläufer gebildet ist; und eine Pulverkomponente, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist; wobei die Pulverkomponente in der elektrisch isolierenden Beschichtung (10) in einer Menge von mindestens 5 Gewichtsanteilen bis höchstens 80 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung (10) vorhanden ist; wobei die Pulverkomponente einen ersten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 1 nm bis 100 nm und einen zweiten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 μm bis 50 μm umfasst; wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (10) im Wesentlichen nicht zerfällt, wenn sie 100 V bis 330 V bei einer Temperatur von –50°C bis 500°C ausgesetzt ist; wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (10) eine dielektrische Festigkeit von zumindest 787.402 Volt Wechselstrom pro cm aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch isolierende Beschichtungen sowie dazugehörige Systeme und Verfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wechselstrom-Elektromotoren wandeln Elektrizität in mechanische Energie um. Spezieller weisen Wechselstrom-Elektromotoren im Allgemeinen einen stationären Stator mit Spulenwindungen, die mit einem Wechselstrom versorgt werden, und einen rotierbaren Rotor auf, der mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist. Im Betrieb dreht sich der Rotor, um sich kontinuierlich mit einem rotierenden Magnetfeld auszurichten, das durch den Wechselstrom erzeugt wird, der den Statorwindungen zugeführt wird. Wenn sich der Rotor dreht, dreht sich die Ausgangswelle auf ähnliche Weise und wandelt dadurch Elektrizität in mechanische Energie um.
Für einen effizienten Betrieb sind Metallkomponenten eines solchen Wechselstrom-Elektromotors, wie, beispielsweise die Statorwindungen und Schichtstähle, oft beschichtet. Beispielsweise können die Kupfer-Statorwindungen solcher Wechselstrom-Elektromotoren beschichtet sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu minimieren. Auf ähnliche Weise können die Schichtstähle beschichtet sein, um interlaminare Wirbelströme zu minimieren.
Aus der EP 0 292 780 A1 ist eine elektrisch isolierenden Beschichtung für ein Metallsubstrat bekannt, die eine Polymerkomponente, die aus einem Monomervorläufer gebildet ist, und eine Pulverkomponente umfasst, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist.
Die EP 0 494 424 A1 beschreibt eine isolierende Beschichtung aus einer anorganischen Zusammensetzung, bei der Partikel einer Pulverkomponente in der Beschichtung in einer Menge von 20 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Beschichtung vorhanden sind und bei der die Partikel einen mittleren Durchmesser von 1 μm aufweisen.
Ferner ist in der DE 100 59 487 A1 eine glasartige Beschichtung eines metallischen Substrats beschrieben, bei der SiO₂-Nanopartikel verwendet werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrisch isolierende Beschichtung für ein Metallsubstrat und ein Verfahren zum Bilden einer solchen Beschichtung zu schaffen, die einerseits eine minimale elektrische Leitfähigkeit und andererseits eine optimale Biegefestigkeit aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Eine elektrisch isolierende Beschichtung zum Minimieren einer elektrischen Leitfähigkeit eines Metallsubstrats weist eine Polymerkomponente, die aus einem Monomervorläufer gebildet ist, und eine Pulverkomponente auf, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist. Die Pulverkomponente ist in der elektrisch isolierenden Beschichtung in einer Menge von mindestens 5 Gewichtsanteilen bis höchstens 80 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung vorhanden. Die elektrisch isolierende Beschichtung zerfällt im Wesentlichen nicht, wenn sie ungefähr 100 V (Volt) bis ungefähr 330 V bei einer Temperatur von ungefähr –50°C bis ungefähr 500°C ausgesetzt wird. Ferner weist die elektrisch isolierende Beschichtung eine dielektrische Festigkeit von zumindest ungefähr 787.402 Volt Wechselstrom pro cm (2.000 Volt Wechselstrom pro mil) auf.
Ein elektrisch isolierendes Beschichtungssystem weist ein Metallsubstrat mit mehreren Lagen und eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, die an zumindest einer Oberfläche des Metallsubstrats angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Beschichtung weist die Polymerkomponente und die Pulverkomponente auf, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist.
Ein Verfahren zum Bilden einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf einem Metallsubstrat, um dadurch eine elektrische Leitfähigkeit des Metallsubstrats zu minimieren, umfasst, dass ein Monomervorläufer polymerisiert wird, um eine flüssige Polymerkomponente zu bilden, und dass eine Pulverkomponente in der flüssigen Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert wird. Die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, wird auf das Metallsubstrat aufgetragen, nachdem diese im Wesentlichen vollständig dispergiert ist. Nach dem Auftragen wird die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, getrocknet, um die flüssige Polymerkomponente ausreichend in ein verfestigtes Gel überzuführen und dadurch die elektrisch isolierende Beschichtung an dem Metallsubstrat zu bilden.
Die elektrisch isolierende Beschichtung der vorliegenden Erfindung versieht das Metallsubstrat mit einer minimierten elektrischen Leitfähigkeit und einer optimierten elektrischen Isolation bei Temperaturen von ungefähr –50°C bis ungefähr 500°C. Somit ist die elektrisch isolierende Beschichtung für Betriebsumgebungen mit hoher Temperatur verwendbar. Ferner weist die elektrisch isolierende Beschichtung eine hervorragende Gleitfähigkeit und Stanzbarkeit für Anwendungen, die ein Ausstanzen des Metallsubstrats erfordern, und eine hervorragende Adhäsions- und Biegefestigkeit für Anwendungen auf, die ein Biegen des Metallsubstrats erfordern. Für Anwendungen, die aus einem Kupferdraht gebildete Statorwindungen aufweisen, weist die elektrisch isolierende Beschichtung eine hervorragende Haltbarkeit, Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärme auf, und sie zeigt daher ein minimiertes Brechen und/oder Abblättern während der Bildungsprozesse der Statorwindungen. Auf ähnliche Weise minimiert die elektrisch isolierende Beschichtung für Anwendungen, die Schichtstähle aufweisen, interlaminare Wirbelströme, und sie weist eine hervorragende Haltbarkeit, Schweißbarkeit sowie Korrosions-, Wärme- und Kompressions-Widerstandsfähigkeit auf. Ferner ermöglicht die elektrisch isolierende Beschichtung ein geeignetes Stapeln von einzelnen Schichtstählen. Darüber hinaus ist das elektrisch isolierende Beschichtungssystem in oxidativen Umgebungen verwendbar und minimiert die Degradation von magnetischen Eigenschaften des Metallsubstrats. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht auch eine Bildung der Beschichtung in einem vergleichsweise weiteren Bereich von Temperaturen als existierende Verfahren. Das Verfahren ermöglicht auch eine hervorragende Steuerung der Beschichtungsdicke. Somit ist das Verfahren vielseitig und kosteneffektiv.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht offensichtlich, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrisch isolierenden Beschichtungssystems, das eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist, die an mehreren Oberflächen eines Metallsubstrats angeordnet ist; und
2 ist eine schematische Perspektivansicht einer Statorbaugruppe eines Elektromotors, die einen geschichteten Kern und eine Statorwindung aufweist, die jeweils zumindest teilweise mit der elektrisch isolierenden Beschichtung von 1 beschichtet sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Auf 1 Bezug nehmend, umfasst die vorliegende Erfindung eine elektrisch isolierende Beschichtung 10 und ein Beschichtungssystem 12 sowie ein Verfahren zum Bilden einer elektrisch isolierenden Beschichtung 10 an einem Metallsubstrat 14. Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 minimiert eine elektrische Leitfähigkeit des Metallsubstrats 14. Daher kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 für Kraftfahrzeuganwendungen verwendbar sein, wie beispielsweise Statorspulen und/oder Schichtstähle für Elektromotoren, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 kann jedoch auch für Nicht-Kraftfahrzeuganwendungen verwendbar sein, wie beispielsweise Motoren und Generatoren für Geräte und Industriemaschinen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Zur allgemeinen Erläuterung ist die elektrisch isolierende Beschichtung 10 ein Material, das gegen den Fluss eines elektrischen Stroms, z. B. eines elektrischen Wechselstroms, wesentlichen Widerstand leistet. Daher kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 als ein nicht leitendes Material verwendbar sein, wenn sie auf das Metallsubstrat 14 aufgetragen ist.
Auf 1 Bezug nehmend, umfasst die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine Polymerkomponente, die aus einem Monomervorläufer gebildet ist. Der Monomervorläufer kann von einem beliebigen geeigneten polymerisierbaren Monomer ausgewählt werden. Beispielsweise kann der Monomervorläufer ein Metallalkoxid sein, wie beispielsweise ein Tetraethyl-Orthosilikat, ohne auf dieses beschränkt zu sein. Alternativ kann der Monomervorläufer ein Metallsalz sein, z. B. ein anorganisches Metallsalz, das ein Element aus einer der Gruppen 3–11 des Periodensystems der Elemente umfasst. Gemäß einem Beispiel kann der Monomervorläufer Kupferchlorid sein.
Die Monomerkomponente kann mittels einer beliebigen geeigneten Polymerisationsreaktion gebildet werden. Für Anwendungen, die ein Tetraethyl-Orthosilikat als den Monomervorläufer umfassen, kann das Tetraethyl-Orthosilikat beispielsweise eine Hydrolyse unter sauren Bedingungen durchlaufen, um Wasser, einen Alkohol und ein Netzwerk von Siloxanbindungen, d. h. die Polymerkomponente, zu bilden.
Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 weist auch eine Pulverkomponente auf, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist. Das heißt, dass die Pulverkomponente im Wesentlichen vollständig über die gesamte Polymerkomponente verteilt ist. Die Pulverkomponente ist in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 vorhanden, um eine optimale Biegefestigkeit, Stabilität bei erhöhten Temperaturen und elektrische Isolierung für die elektrisch isolierende Beschichtung 10 zu schaffen. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie ”Biegefestigkeit” der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 allgemein auf einen Krümmungsradius, der einem gegebenen Grad des Zerfalls der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 entspricht. Der Zerfall der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 während der Tests zeigt sich äußerlich in einer allmählichen Zunahme in der Anzahl von Brüchen in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 und/oder in einem Abblättern.
Die Pulverkomponente ist in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 in einer Menge von ungefähr 5 Gewichtsanteilen bis ungefähr 80 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 vorhanden. Spezieller kann die Pulverkomponente in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 in einer Menge von ungefähr 5 Gewichtsanteilen bis ungefähr 40 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 vorhanden sein. Bei einem Beispiel kann die Pulverkomponente in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 in einer Menge von ungefähr 10 Gewichtsanteilen bis ungefähr 30 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 vorhanden sein. Bei Mengen von weniger als ungefähr 5 Gewichtsanteilen der Pulverkomponente kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 bei erhöhten Temperaturen zerfallen, d. h. bei Temperaturen von 200°C bis 400°C. Auf ähnliche Weise kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 bei Mengen größer als 80 Gewichtsanteilen der Pulverkomponente nicht die optimale Biegefestigkeit zeigen.
Die Pulverkomponente kann ein Oxid umfassen. Beispielsweise kann die Pulverkomponente aus der Gruppe ausgewählt werden, die SiO₂, Cr₂O₃, MgO, Al₂O₃ und Kombinationen von diesen umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Pulverkomponente ein Nitrid umfassen. Beispielsweise kann die Pulverkomponente aus der Gruppe ausgewählt werden, die BN, Si₃N₄, TiN, Cu₃N und Kombinationen von diesen umfasst.
Die Pulverkomponente umfasst einen ersten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 1 nm bis 100 nm und einen zweiten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 µm bis 50 µm. Ohne zu beabsichtigen, durch die Theorie beschränkt zu sein, können Pulverkomponenten mit vergleichsweise kleineren mittleren Partikelgrößen leichter agglomerieren als Pulverkomponenten, die vergleichsweise größere mittlere Partikelgrößen aufweisen. Somit können der erste Bestandteil und/oder der zweite Bestandteil optional mit einem Anti-Agglomerationsmittel vorbehandelt werden, wie beispielsweise Lösungsmitteln, Tensiden und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Das Anti-Agglomerationsmittel kann auch die wesentliche Dispersion der Pulverkomponente in der Polymerkomponente der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 verstärken. Darüber hinaus können Pulverkomponenten, die sowohl den ersten Bestandteil als auch den zweiten Bestandteil umfassen, eine vergleichsweise größere Biegefestigkeit als Pulverkomponenten zeigen, die im Wesentlichen frei von dem ersten Bestandteil oder dem zweiten Bestandteil sind.
Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 kann auch einen Zusatzstoff aufweisen. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann der Zusatzstoff aus der Gruppe ausgewählt werden, die Polyurethane, wie beispielsweise thermoplastische Polyurethane; Alkylenoxide, wie beispielsweise Propylenoxide; Benetzungsmittel, wie beispielsweise Tenside; Färbemittel, wie beispielsweise Farbstoffe; und Kombinationen von diesen umfasst. Insbesondere können Polyurethane und/oder Alkylenoxide in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 eingebunden sein, um die Biegefestigkeit zu verbessern. Ferner können Benetzungsmittel in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 eingebunden sein, um die wesentliche Dispersion der Pulverkomponente in der Polymerkomponente sicherzustellen. Und Färbemittel können in der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 eingebunden sein, um die Herkunft der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 zu unterscheiden.
Wieder auf 1 Bezug nehmend, ist das elektrisch isolierende Beschichtungssystem allgemein bei 12 gezeigt. Insbesondere umfasst das elektrisch isolierende Beschichtungssystem 12 die elektrisch isolierende Beschichtung 10 und das Metallsubstrat 14. Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 ist auf dem Metallsubstrat 14 angeordnet und umfasst die Polymerkomponente und die Pulverkomponente, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist, wie vorstehend dargelegt wurde.
Auf 1 Bezug nehmend, kann das Metallsubstrat 14 aus einem beliebigen Metall gebildet sein, das für eine gewünschte Anwendung geeignet ist. Auf ähnliche Weise kann das Metallsubstrat 14 in einer beliebigen Form ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Metallsubstrat 14 in der Form von kalt gewalzten Streifen von Schichtstahl vorliegen, die als ein Kern zur Verwendung in einem Elektromotor zusammen gestapelt sind, beispielsweise um einen Rotor eines Elektromotors zu bilden. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie ”Schichtstahl” auf einen Stahl, der oft Silizium umfasst und maßgeschneidert ist, um gewünschte magnetische Eigenschaften zu erzeugen, z. B. eine geringe Energiedissipation pro Zyklus und/oder eine hohe Permeabilität, und der geeignet ist, um einen magnetischen Fluss zu tragen. Beispielsweise können die Schichtstähle in kreisförmigen Lagen mit einer Dicke von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm ausgestanzt werden. Auf 2 Bezug nehmend, können diese kreisförmigen Lagen anschließend benachbart zueinander gestapelt werden, um einen geschichteten Kern 16 einer Statorbaugruppe 18 eines Elektromotors (nicht gezeigt) zu bilden. Somit kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine hervorragende Gleitfähigkeit aufweisen und für Anwendungen geeignet sein, die ein Ausstanzen und/oder Lochen des Metallsubstrats 14 (1) erfordern. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 Grate aufgrund von stumpfen Ausstanz- und/oder Lochungswerkzeugen minimieren. Ohne zu beabsichtigen, durch die Theorie beschränkt zu sein, wird angenommen, dass die wesentliche Dispersion der Pulverkomponente in der Polymerkomponente der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 die zuvor erwähnte Gleitfähigkeit schafft.
Da Schichtstähle oft Silizium umfassen, können die Schichtstähle in einer oxidierenden Betriebsumgebung gegenüber einer Erosion empfindlich sein. Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 kann jedoch eine hervorragende Schutzschicht für das Metallsubstrat 14 schaffen. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 dadurch, dass die Pulverkomponente in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist, eine Oxidation unter der Oberfläche des Metallsubstrats 14 verringert, ohne die gewünschten magnetischen Eigenschaften des Schichtstahls zu beeinträchtigen.
Ferner minimiert die elektrisch isolierende Beschichtung 10 für Anwendungen, die Schichtstähle umfassen, interlaminare Wirbelströme. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 die Bildung von Wirbelströmen zwischen einzelnen Schichtstählen minimiert. Zusätzlich schafft die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine hervorragende Korrosions-, Wärme- und Kompressions-Widerstandsfähigkeit und eine hervorragende Schweißbarkeit. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 während des Stapelns einzelner Schichtstähle zum Bilden des geschichteten Kerns 16 großen Kompressionskräften widerstehen kann. Auf ähnliche Weise sind die einzelnen Schichtstähle, welche die elektrisch isolierende Beschichtung 10 aufweisen, während der Bildung des geschichteten Kerns 16 schweißbar. Daher erhöht die elektrisch isolierende Beschichtung 10 die Stabilität des magnetischen Kerns und trägt zu einem hervorragenden Stapelfaktor des magnetischen Kerns bei, der dadurch das Geräusch des Elektromotors während des Betriebs verringert und den Verlust des magnetischen Kerns minimiert.
Wieder auf 1 und 2 Bezug nehmend, kann das Metallsubstrat 14 (1) gemäß einem anderen Beispiel ein Kupferdraht sein, der zur Verwendung als eine Statorwindung 20 (2) eines Elektromotors (nicht gezeigt) ausgebildet ist. Der Kupferdraht kann in eine beliebige Ausbildung gebogen und/oder verwoben werden, um die Statorwindung 20 zu bilden. Vorteilhafterweise kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 im Wesentlichen nicht von dem Metallsubstrat 14 separiert werden, wenn das Metallsubstrat 14 gefaltet wird. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine hervorragende Adhäsion an dem Metallsubstrat 14 und eine optimale Biegefestigkeit aufweist. Ohne zu beabsichtigen, durch die Theorie beschränkt zu sein, wird angenommen, dass die Pulverkomponente der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 eine solche hervorragende Adhäsion und Biegefestigkeit schafft.
Wieder auf 1 Bezug nehmend, kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 an mehreren Oberflächen angeordnet sein, die zwei entgegengesetzte Oberflächen 22, 24 des Metallsubstrats 14 sein können. Die elektrisch isolierende Beschichtung 10 kann jedoch auch an nur einer Oberfläche 22 oder an mehr als zwei Oberflächen 22, 24 des Metallsubstrats 14 angeordnet sein, was von der Ausbildung des Metallsubstrats 14 abhängt. Das heißt, obwohl dies nicht gezeigt ist, dass das Metallsubstrat 14 vollständig durch die elektrisch isolierende Beschichtung 10 beschichtet sein kann, die beispielsweise durch eine Tauchbeschichtung des Metallsubstrats 14 gebildet wird, wie nachstehend detaillierter dargelegt wird.
Für Anwendungen, die Statorwindungen 20 umfassen, optimiert die elektrisch isolierende Beschichtung 10 die Spannungsfestigkeit des Metallsubstrats 14. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie ”Spannungsfestigkeit” auf eine elektrische Isolationseigenschaft, die eine Beziehung zwischen der Spannung und einer erwarteten Lebensdauer der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 ausdrückt. Das heißt, dass die Spannungsfestigkeit als die Zeitdauer verstanden werden kann, bevor ein dielektrischer Durchschlag unter der Einwirkung einer Spannung auftritt, wie sie gemäß dem IEEE-Testverfahren 1043 ermittelt wird. Anders ausgedrückt ist die Spannungsfestigkeit eine maximale Spannung, die an die elektrisch isolierende Beschichtung 10 uneingeschränkt ohne Beschädigung angelegt werden kann.
Insbesondere zerfällt die elektrisch isolierende Beschichtung 10 im Wesentlichen nicht, wenn sie ungefähr 100 V bis ungefähr 330 V bei einer Temperatur von ungefähr –50°C bis ungefähr 500°C ausgesetzt wird. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine hervorragende Spannungsfestigkeit aufweist und für eine Verwendung in Betriebsumgebungen mit hoher Temperatur geeignet ist, z. B. zur Verwendung in Elektromotoren für Kraftfahrzeuganwendungen. Zusätzlich weist die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine dielektrische Festigkeit von zumindest ungefähr 787.402 Volt Wechselstrom (VAC) pro cm (2.000 Volt Wechselstrom (VAC) pro mil, 1 mil = 0,001 inch = 0,00254 cm) auf. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 ein hervorragender elektrischer Isolator ist. Zusätzlich ist die elektrisch isolierende Beschichtung 10 im Wesentlichen frei von Cr⁶⁺-Ionen, und es sind im Wesentlichen keine metallischen Cr-Ionen in die Verarbeitung der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 involviert. Somit ist die elektrisch isolierende Beschichtung 10 für eine Verwendung in oxidativen Umgebungen geeignet, wie nachstehend in weiterem Detail dargelegt wird.
Für das elektrisch isolierende Beschichtungssystem 12 kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine Dicke t (1) von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 500 μm aufweisen. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 für Anwendungen, die einen Kupferdraht umfassen, der für eine Verwendung als die Statorwindung 20 (2) ausgebildet ist, eine Dicke t von ungefähr 20 μm bis ungefähr 500 μm aufweisen, um dadurch die zuvor erwähnte dielektrische Festigkeit und Spannungsfestigkeit zu liefern, ohne die gewünschten magnetischen Eigenschaften des Schichtstahls zu stören. Daher kann das Beschichtungssystem 12 die Degradation der magnetischen Eigenschaften des Metallsubstrats 14 minimieren.
Auf 2 Bezug nehmend, kann die elektrisch isolierende Beschichtung 10 auf ähnliche Weise für Anwendungen, die einen Schichtstahl als den geschichteten Kern 16 einer Statorbaugruppe 18 umfassen, eine Dicke t (1) von ungefähr 0,3 μm bis ungefähr 5 μm aufweisen. Das heißt, dass die elektrisch isolierende Beschichtung 10 für Anwendungen, die einen beschichteten Kupferdraht erfordern, wesentlich dicker sein kann, um dadurch die zuvor erwähnte elektrische Isolierung für das Metallsubstrat 14 zu liefern.
Ein Verfahren zum Bilden der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 an dem Metallsubstrat 14, um dadurch eine Spannungsfestigkeit des Metallsubstrats 14 zu optimieren, umfasst, dass der Monomervorläufer polymerisiert wird, um eine flüssige Polymerkomponente zu bilden, d. h. die vorstehend dargelegte Polymerkomponente. Wie hierin verwendet, bezieht sich Polymerisieren auf das Bilden von Polymernetzwerken, indem Moleküle des Monomervorläufers derart chemisch miteinander reagieren, dass die flüssige Polymerkomponente eine Dispersion von kolloidalen Partikeln sein kann. Das Polymerisieren des Monomervorläufers kann einen beliebigen geeigneten Reaktionsmechanismus umfassen, wie beispielsweise eine Hydrolyse und eine Kondensation, ohne auf diese beschränkt zu sein. Ferner können die Reaktionsmechanismen basisch oder sauer katalysiert sein.
Das Verfahren umfasst ferner, dass die Pulverkomponente in der flüssigen Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert wird. Das heißt, dass die Pulverkomponente in einer Menge von ungefähr 5 Gewichtsanteilen bis ungefähr 80 Gewichtsanteilen der Pulverkomponente basierend auf 100 Gewichtsanteilen der flüssigen Polymerkomponente in die flüssige Polymerkomponente gemischt wird. Spezieller kann die Pulverkomponente in der flüssigen Polymerkomponente in einer Menge von ungefähr 5 Gewichtsanteilen bis ungefähr 40 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der flüssigen Polymerkomponente vorhanden sein. Gemäß einem Beispiel kann die Pulverkomponente in der flüssigen Polymerkomponente in einer Menge von ungefähr 10 Gewichtsanteilen bis ungefähr 30 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der flüssigen Polymerkomponente vorhanden sein.
Die Pulverkomponente kann mittels einer beliebigen geeigneten Ausrüstung im Wesentlichen vollständig dispergiert werden. Beispielsweise kann die Pulverkomponente zu der flüssigen Polymerkomponente hinzugefügt und mit einem Schaufelmischer, einem Schaufelrührwerk und/oder einem Mixer derart vermischt werden, dass die Pulverkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert wird. Vorzugsweise wird die Pulverkomponente derart im Wesentlichen vollständig dispergiert, dass sie in der flüssigen Polymerkomponente gleichmäßig verteilt wird.
Nach dem im Wesentlichen vollständigen Dispergieren wird die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, auf das Metallsubstrat 14 (1) aufgetragen. Beispielsweise kann die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, durch eine Tauchbeschichtung, eine Schleuderbeschichtung, ein Sprühen, einen Tintenstrahldruck, eine Walzbeschichtung, einen Klischeedruck und Kombinationen von diesen auf das Metallsubstrat 14 aufgetragen werden. Für Anwendungen, welche die Kupferdraht-Statorwindung 20 (2) umfassen, kann die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, mittels einer Tauchbeschichtung des Metallsubstrats 14 (1) d. h. der Kupferdraht-Statorwindung 20, aufgetragen werden. Alternativ kann die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, für Anwendungen, die Schichtstähle umfassen, mittels eines Sprühens oder einer Tauchbeschichtung aufgetragen werden.
Nach dem Auftragen wird die flüssige Polymerkomponente getrocknet, z. B. erwärmt, um die flüssige Polymerkomponente ausreichend in ein verfestigtes Gel überzuführen und dadurch die elektrisch isolierende Beschichtung 10 an dem Metallsubstrat 14 zu bilden. Das heißt, dass die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, bei Umgebungstemperatur erwärmt wird, um zu trocknen und die verbleibende Flüssigkeit zu entfernen. Wenn das Trocknen voranschreitet, geht die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, durch eine Verdichtung und begleitende Zunahmen der Steifigkeit von einer Flüssigkeit in ein verfestigtes Gel über, d. h. sie entwickelt sich zu diesem. Das heißt, dass das verfestigte Gel ein in sich verbundenes Polymernetzwerk sein kann, das mittels einer Polymeranordnung der flüssigen Polymerkomponente gebildet wird. Die Dicke t (1) der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 kann gesteuert werden, indem die Menge und/oder die Viskosität der flüssigen Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst und auf das Metallsubstrat 14 aufgetragen wird, variiert werden. Beispielsweise wird für Anwendungen, die eine vergleichsweise dicke elektrisch isolierende Beschichtung 10 erfordern, vergleichsweise mehr flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, vor dem Trocknen auf das Metallsubstrat 14 aufgetragen.
Für einige Anwendungen kann das Verfahren auch ein Stanzen des Metallsubstrats 14 (1) nach einem ausreichenden Trocknen umfassen. Beispielsweise kann die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, für Anwendungen, die Schichtstahl umfassen, mittels einer Walzbeschichtung oder eines Sprühens auf das Metallsubstrat 14 aufgetragen werden. Wenn die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, nach einem ausreichenden Trocknen ausreichend in das verfestigte Gel übergegangen ist, um die elektrisch isolierende Beschichtung 10 auf dem Schichtstahl zu bilden, kann der Schichtstahl in einer gewünschten Form gestanzt werden. Da die elektrisch isolierende Beschichtung 10 eine hervorragende Gleitfähigkeit aufweist, wie vorstehend dargelegt ist, kann das Verfahren für Anwendungen verwendbar sein, die gestanzte oder ausgestanzte Metallsubstrate 14 erfordern. Das heißt, dass sich die elektrisch isolierende Beschichtung 10 während des Stanzbetriebs nicht bezüglich des Metallsubstrats 14 verformen und/oder von diesem separieren kann, z. B. durch Abblättern.
Für andere Anwendungen kann das Verfahren umfassen, dass das Metallsubstrat 14 (1) vor dem Trocknen, z. B. dem Erwärmen, der flüssigen Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, in eine gewünschte Form ausgebildet wird, um dadurch die elektrisch isolierende Beschichtung 10 zu bilden. Insbesondere kann der Kupferdraht für Anwendungen, welche die Kupferdraht-Statorwindung 20 (2) umfassen, in der flüssigen Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, tauchbeschichtet, gebogen und/oder verwoben werden, um die Statorwindung 20 zu bilden, und er kann anschließend getrocknet werden, um ausreichend in das verfestigte Gel überzugehen und dadurch die elektrisch isolierende Beschichtung 10 zu bilden. Das heißt, dass die tauchbeschichtete Statorwindung 20 nach der Fertigung der Statorbaugruppe 18 ein Trocknen, z. B. ein Erwärmen, erfordern kann, um die elektrisch isolierende Beschichtung 10 zu bilden.
Für das Verfahren kann die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, als ein ”Sol” bezeichnet werden, und das verfestigte Gel kann als ein ”Gel” bezeichnet werden. Daher kann das Verfahren allgemein als ein ”Sol-Gel”-Verfahren zum Bilden der elektrisch isolierenden Beschichtung 10 beschrieben werden, d. h. als ein Verfahren mit chemischer Lösungsabscheidung. Das Verfahren ermöglicht die Bildung der elektrisch isolierenden Beschichtung bei Umgebungstemperaturen, was die Bildung der Beschichtung vereinfacht und die Energiekosten des Verfahrens minimiert. Das Verfahren ermöglicht auch eine hervorragende Steuerung der Dicke t der elektrisch isolierenden Beschichtung, welche mittels der Viskosität der flüssigen Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, eingestellt werden kann. Somit ist das Verfahren vielseitig und kosteneffektiv.
Während die besten Weisen zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuführen.

Claims

Elektrisch isolierende Beschichtung (10) zum Minimieren einer elektrischen Leitfähigkeit eines Metallsubstrats (14), wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (10) umfasst: eine Polymerkomponente, die aus einem Monomervorläufer gebildet ist; und eine Pulverkomponente, die in der Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert ist; wobei die Pulverkomponente in der elektrisch isolierenden Beschichtung (10) in einer Menge von mindestens 5 Gewichtsanteilen bis höchstens 80 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung (10) vorhanden ist; wobei die Pulverkomponente einen ersten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 1 nm bis 100 nm und einen zweiten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 μm bis 50 μm umfasst; wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (10) im Wesentlichen nicht zerfällt, wenn sie 100 V bis 330 V bei einer Temperatur von –50°C bis 500°C ausgesetzt ist; wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (10) eine dielektrische Festigkeit von zumindest 787.402 Volt Wechselstrom pro cm aufweist.
Elektrisch isolierende Beschichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Pulverkomponente in der elektrisch isolierenden Beschichtung (10) in einer Menge von 5 Gewichtsanteilen bis 40 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der elektrisch isolierenden Beschichtung (10) vorhanden ist.
Elektrisch isolierende Beschichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Pulverkomponente ein Oxid umfasst.
Elektrisch isolierende Beschichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Pulverkomponente ein Nitrid umfasst.
Elektrisch isolierende Beschichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Monomervorläufer ein Metallalkoxid ist.
Elektrisch isolierende Beschichtung (10) nach Anspruch 5, wobei das Metallalkoxid ein Tetraethyl-Orthosilikat ist.
Verfahren zum Bilden einer elektrisch isolierenden Beschichtung (10) an einem Metallsubstrat (14), um dadurch eine elektrische Leitfähigkeit des Metallsubstrats (14) zu minimieren, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Monomervorläufer polymerisiert wird, um eine flüssige Polymerkomponente zu bilden; eine Pulverkomponente in der flüssigen Polymerkomponente im Wesentlichen vollständig dispergiert wird; die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, nach dem im Wesentlichen vollständigen Dispergieren auf das Metallsubstrat (14) aufgetragen wird; die flüssige Polymerkomponente, welche die Pulverkomponente umfasst, nach dem Auftragen getrocknet wird, um die flüssige Polymerkomponente ausreichend in ein verfestigtes Gel überzuführen und dadurch die elektrisch isolierende Beschichtung (10) an dem Metallsubstrat (14) zu bilden, wobei das im Wesentlichen vollständige Dispergieren ferner als ein Vermischen der Pulverkomponente in der flüssigen Polymerkomponente in einer Menge von mindestens 5 Gewichtsanteilen bis höchstens 80 Gewichtsanteilen der Pulverkomponente basierend auf 100 Gewichtsanteilen der flüssigen Polymerkomponente definiert wird, wobei die Pulverkomponente einen ersten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 1 nm bis 100 nm und einen zweiten Bestandteil mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 μm bis 50 μm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst, dass das Metallsubstrat (14) nach einem ausreichenden Trocknen gestanzt wird.