-
Technisches Gebiet
-
Diese Erfindung betrifft die Entwicklung von Isolierumhüllungen für elektrische Leiter, insbesondere für Kupferleiter, die in Elektromotoren verwendet werden. Die Isolierumhüllungen beinhalten verkapselte chemische Spezies, die in der Lage sind, eine elektrisch isolierende Beschichtung auf einem Draht zu erneuern, falls die ursprünglich aufgebrachte Beschichtung eingeschnitten oder gebrochen ist oder sonstwie einen Schaden erleidet, der ihr Isoliervermögen herabsetzt.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Elektromotoren arbeiten auf Grund der Wechselwirkung von entgegengesetzten magnetischen Feldern, die einem feststehenden Element, einem Stator, der meistens allgemein einem hohlen Zylinder ähnelt, und einem allgemein zylindrischen rotierenden Element, einem Rotor, dessen Achse auf der Achse des Stators liegt, zugehörig sind. Eines oder beide dieser magnetischen Felder kann/können auf Grund des Durchganges von Strom durch einen elektrischen Leiter elektrisch erzeugt werden.
-
Im Allgemeineren werden mehrere Leiter verwendet, wobei die Leiter ausgebildet sind, um eine additive Wechselwirkung ihrer einzelnen magnetischen Felder zu produzieren.
-
Diese magnetischen Felder stehen höchst effizient miteinander in Wechselwirkung und erzeugen ein maximales Motordrehmoment, wenn sie geformt und fokussiert werden, indem die zusammenwirkenden Leiter innerhalb eines vorgeschriebenen Gebietes begrenzt werden, das auf einem Material mit geringer Reluktanz wie z. B. einer Legierung auf Eisenbasis getragen ist. Es wird einzusehen sein, dass die Leiter und ihre tragende Struktur mit geringer Reluktanz derart ausgebildet sein können, dass sie je nach Motortyp einen Rotor oder einen Stator bilden.
-
Eine bequeme Möglichkeit, das magnetische Feld eines Stators oder eines Rotors zu formen, besteht darin, die zusammenwirkenden Leiter in einem aus einer Vielzahl von Schlitzen anzuordnen, die radial um die Zylinderachse herum angeordnet sind und sich ihre Länge entlang erstrecken. Das Volumen des Schlitzes begrenzt offensichtlich das Volumen des elektrischen Leiters, das untergebracht werden kann, es sind jedoch auch andere Faktoren wie die Form des Leiters von Bedeutung. Zum Beispiel werden zufällig gewickelte Leiter mit einem kreisförmigen Querschnitt den Schlitzquerschnitt allgemein nicht so effizient füllen wie angeordnete oder positionierte Leiter mit quadratischen, rechteckigen oder anderen parallelseitigen Querschnitten.
-
Eine noch weitere Einschränkung ergibt sich aus der Notwendigkeit, dass die Leiterschleifen voneinander und von dem Statorrahmen isoliert sein müssen. Jeder Leiter ist mit einem elektrisch isolierenden Medium beschichtet, das ihn vorteilhafterweise von seinen Nachbarn elektrisch isoliert, aber die Leitertrennung erhöht und somit die Anzahl der Leiter einschränkt, die für irgendeine gegebene Schlitzabmessung verwendet werden kann. Es ist daher Motivation vorhanden, die Dicke der Isolierung soweit wie praktikabel zu reduzieren.
-
Die Beschichtungsdicken können je nach Betriebsbedingungen des Motors und den Abmessungen des Leiters im Bereich von etwa 0,001 bis 0,010 Zoll (etwa 0,025 bis 0,25 Millimeter) liegen. Diese Beschichtungen sind ausgebildet, um ein gutes Haftungsvermögen an dem Leiter zu gewähren und keine Risse oder frei liegenden Leiter am Ende der Motorherstellungsprozesse aufzuweisen.
-
Gleichwohl kann die Kombination aus übermäßigem/r Hantieren und Verarbeitung, dem/der der Leiter während der Motorherstellung ausgesetzt ist, in Verbindung mit der Dünnheit der Isolierbeschichtung einen Bruch oder Schaden an der Beschichtung zur Folge haben. Solch ein Schaden kann letzten Endes zu einem Isolatordurchschlag führen, der Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leitern oder zwischen einem Leiter und dem Statorrahmen auslöst und die Notwendigkeit einer Motorreparatur zur Folge hat.
-
Es wäre daher von Vorteil, wenn die dielektrischen Eigenschaften der Isolierung wiederhergestellt werden könnten, wenn die Funktion der Primärisolierung beeinträchtigt ist.
-
Überdies sind alle Motoren während des Betriebes „Eigenkräften” unterworfen, die aus den Wechselwirkungen der induzierten magnetischen Felder entstehen. Diese Kräfte werden auf alle stromführenden Elemente des Motors einschließlich der Wicklungen angewendet. Diese Kräfte begünstigen eine relative Bewegung der einzelnen Wicklungen und können zu Scheuern oder Reibverschleiß führen, was schließlich zum Isolationsdurchbruch führt. Es werden allgemein Vorkehrungen getroffen, um die Wicklungen zu fixieren und deren relative Bewegung zu verhindern, indem die Wicklungen zusammengebunden werden oder indem die Wicklungen in einem zumindest einigermaßen harten Material wie z. B. Epoxid oder Lack oder beidem in Kombination umhüllt werden. Allerdings gewährleistet die Größe der Kräfte, insbesondere in Starkstrom-Traktionsmotoren, gleichsam, dass ein gewisses Scheuern des Leiters auftreten wird.
-
Deshalb wäre es aus diesem Grund auch von Vorteil, die dielektrischen Eigenschaften der Isolierung automatisch wiederherzustellen, wenn die Funktion der Primärisolierung beeinträchtigt ist.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Elektrische Magnetdrahtleiter können in verschiedenen Querschnitts- und Längsformen zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen wie z. B. Spulen, Solenoiden, Transformatoren, Generatoren und Motoren gebildet sein. Die Leiter sind oft stranggepresst, um einen gewünschten Querschnitt zu erhalten. Es können lange Spulen oder gekürzte Formen gebildet sein. An einer Stufe in ihrer Herstellung werden die Leiter mit einer dünnen Flüssigkeitsschicht aus einer elektrisch isolierenden Zusammensetzung (oft polymer) beschichtet, die dann getrocknet oder gehärtet wird, um ein geeignetes Niveau an elektrischem Widerstand zu erhalten, um ein elektrisches Kurzschließen in einer zusammengebauten elektrischen Vorrichtung zu verhindern. Es ist jedoch oft erforderlich, den Magnetdraht auf einen Rotor oder einen Stator zu wickeln oder ihn sonst wie zu formen, um ihn in einer Anordnung mit einem den Magnetdraht tragenden Körper anzuordnen. Solch ein Formen des Magnetdrahtes kann die ausgehärtete Isolierschicht beanspruchen und kleine Risse oder andere Fehlstellen produzieren, die ihren elektrischen Widerstand vermindern. Diese Erfindung sieht selbstheilende Beschichtungen für Magnetdrähte vor, die solche Fehlstellen in der elektrischen Isolierung reparieren können.
-
In Ausführungsformen dieser Erfindung werden polymerisierbare Materialien, die in Mikrokapseln abgesondert sind, in geeigneten üblicherweise verwendeten isolierenden Materialien dispergiert und durch Eintauchen des Magnetdrahtes in die Dispersion oder mittels anderer geeigneter Drahtbeschichtungsprozesse aufgebracht. Die Mikrokapseln sind rausgebildet, um sicherzustellen, dass das Brechen der Mikrokapseln oder Freisetzen der polymerisierbaren Materialien nicht während des Aufbringens der Isolierschicht stattfindet. Allerdings sind die Mikrokapseln derart zusammengesetzt, dass sie unter Bedingungen brechen, die einen Schaden an der Isolierschicht begünstigen. Die Mikrokapseln sind kleiner als die aufgebrachte Dicke der Polymerisolierschicht und in einer ausreichenden Menge dispergiert, um ausreichend polymerisierbares Reparaturmaterial zum Abdichten eines Risses oder einer kleinen Bruchstelle in einer Isolierschicht, die einen Leiter schützt, zu liefern.
-
Es können viele verschiedene Einkapselungsstoffe verwendet werden, die einige wie Leinöl oder Holzöl, welche bei Exposition gegenüber Sauerstoff polymerisieren; einige wie Isocyanat, das bei Exposition gegenüber Wasser oder Wasserdampf polymerisiert; und einige wie Isocyanat, die auf ein getrennt gespeichertes Starter- oder Vernetzungsmittel wie z. B. ein Amin ansprechen, umfassen. Ferner können äußere Polymerisationsstarter wie z. B. Ultraviolett(UV)-Licht zumindest während des Biegeherstellungsprozesses dieser Drähte verwendet werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Isolierbeschichtung erwärmt, UV-Strahlung ausgesetzt oder dergleichen werden, nachdem die Drähte in der Anordnung ihres Motors oder dergleichen gespannt wurden. Solch eine Verarbeitung kann mit oder ohne tatsächlichem/s Testen der Isolierung vorgenommen werden. Der Zeitablauf dieses Prozesses soll die Selbstheilung einer gespannten und möglicherweise beschädigten Magnetdraht-Isolierschicht auslösen, bevor die elektrische Vorrichtung zum Gebrauch freigegeben wird oder zum Einsatz kommt. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das Isoliermaterial mit seinen Kapseln aus selbstheilendem Polymermaterial aus Katalysatoren oder dergleichen zusammengesetzt sein, um später verursachten Schaden zu reparieren, nachdem die Vorrichtung für ihren vorgesehenen Zweck eingesetzt wurde.
-
Es ist vorgesehen, dass die Mikrokapsel in geeigneter Weise, entweder durch chemische Bindung oder durch mechanische Verblockung, an der Isolierung angebracht ist. Somit wird jede mechanische Belastung, die die Isolierung erfährt und die in der Lage ist, der Isolierung Schaden zuzufügen, auf die Kapsel übertragen und bewirken, dass sie bricht und ihren Inhalt freisetzt. Geeignete Mikrokapselschalenmaterialien sind Polyurethan, Polyharnstoff, Epoxid- oder silikatisches Material einschließlich Glas. Polymerschalen können mithilfe von Grenzflächenpolymerisationsverfahren und silikatischen Schalen mithilfe von Sol-Gel-Ansätzen produziert werden. Es sind auch Kombinations-Mikrokapselschalenstrukturen geeignet, die eine Polyurethan-, Polyharnstoff- oder Epoxid-Innenschale mit einer Glas- oder silikatischen Außenschale umfassen.
-
Der Mikrokapselinhalt ist bevorzugt fließfähig und polymerisiert bei einer Rate, die ausreicht, um zuzulassen, dass der Mikrokapselinhalt in jeden Bruch in der Isolierbeschichtung fließt und diesen füllt, bevor er polymerisiert und die Isolierschicht dauerhaft ausbessert und ihre Isoliereigenschaften wiederherstellt. Es wird einzusehen sein, dass die Festigkeit der Mikrokapsel mit der Festigkeit der Isolierbeschichtung vergleichbar sein sollte, sodass ein Bruch oder Schaden an der Isolierschicht, der ausreicht, um ihre Isoliereigenschaften zu verschlechtern, notwendig ist, um die Mikrokapseln zu zerbrechen. Es ist offensichtlich, dass eine Mikrokapsel, deren Schalenfestigkeit beträchtlich größer ist als die des Isolierenden Materials, nicht bevorzugt ist, da sie in Ansprechen auf einen Schaden an der Isolierschicht nicht brechen kann und daher die Isolierung an der Schadenstelle nicht sanieren kann. Die Verwendung einer Kapsel mit einer Schalenfestigkeit, die beträchtlich geringer ist als die Festigkeit der Isolierschicht, ist allerdings auch nicht bevorzugt, da die Mikrokapsel ihren Inhalt in Ansprechen auf nur geringfügige Verformungen freisetzen und verbrauchen kann, sodass die Korrektur einer späteren, schwerwiegenderen Verformung beeinträchtigt ist.
-
Somit sollten die Kapseln zwei Nebenbedingungen erfüllen: erstens, dass sie das polymerisierbare Material eingrenzen, sofern sie nicht zerbrochen werden; und zweitens, dass sie eine festgelegte Festigkeit in Bezug auf das isolierende Material aufweisen, in dem es eingebettet ist. Diese Anorderungen können durch eine Mikrokapsel mit einer Schale, die ein einziges Material umfasst, oder durch eine Mikrokapsel, die mehr als ein/e Schalenmaterial oder Schicht umfasst, erfüllt werden. Des Weiteren ist die Menge an Mikrokapseln, die in einem Isolierfilm dispergiert sind, geeignet, um eine ausreichende Menge ihres fließfähigen, polymerisierbaren Inhalts freizusetzen, um kleine Bruchstellen in dem Isolierfilm abzudichten und zu füllen und um dadurch zumindest eine gewisse Isolierfunktion an der Bruchstelle wiederherzustellen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt einen Motorrotor, der gewickelte Spulen zur Entwicklung von geformten magnetischen Feldern beinhaltet.
-
2 zeigt ein erstes Beispiel eines Haarnadelleiters, der zur Verwendung in einem Motorstator geeignet ist.
-
3 zeigt eine Vielzahl von zweiten Beispielen von Haarnadelleitern, die zur Verwendung in einem Motorstator geeignet und ausgelegt und angeordnet sind, wie sie in einen Statorrahmen eingesetzt werden.
-
4 zeigt einen zusammengebauten Motorstator mit einem Statorrahmen und einer Vielzahl von noch dritten Beispielen von Haarnadelleitern, die in den Rahmen eingebaut sind.
-
5 zeigt im Querschnitt einen Abschnitt eines Magnetdrahtes mit einer Isolierung, die Einzelschalenmikrokapseln umfasst, welche ein polymerisierbares Material enthalten.
-
6 zeigt im Querschnitt einen Abschnitt eines Magnetdrahtes mit einer Isolierung, die Doppelschalenmikrokapseln umfasst, welche ein polymerisierbares Material enthalten.
-
7 zeigt im Querschnitt einen Abschnitt des Magnetdrahtes und der zugehörigen Mikrokapseln enthaltenden Isolierschicht, die in 5 gezeigt sind, nach dem Biegen des Drahtes bis zu einem Grad, der ausreicht, um einen V-förmigen Riss in der Isolierschicht zu begünstigen und um eine Mikrokapsel zu zerbrechen.
-
8 zeigt im Querschnitt einen weiteren Abschnitt des Risses von 7. In diesem Abschnitt trifft der Riss auf keine Mikrokapsel und breitet sich ursprünglich in die Isolierung/Draht-Grenzfläche aus. Sobald er sich gebildet hat, wird der Riss teilweise mit polymerisierbarem Material gefüllt, das von einer zerbrochenen Mikrokapsel wie z. B. der in 7 gezeigten, die über oder unter dem betrachteten Teilstück angeordnet ist, freigesetzt wird.
-
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
-
Elektromotoren mit Leistungen von 80 PS bis 170 PS erlangen, entweder einzeln oder in Kombination mit einer Brennkraftmaschine, zunehmend Bedeutung als Antriebsmotoren in Kraftfahrzeugen.
-
Solche Elektromotoren verwenden allgemein niederohmige Leiter, typischerweise in der Form eines Drahtes mit rundem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, die in schmalen Kanälen positioniert sind, die in Strukturen vorgesehen sind, welche aus Materialien mit geringer Reluktanz hergestellt sind. Kupferleiter sind bevorzugt, es kann aber auch Aluminium verwendet werden. Diese Kupferleiter, die mit einer dünnen Schicht aus einem isolierenden Material beschichtet und im Allgemeineren als Magnetdraht bezeichnet werden, werden an einen Motorhersteller in ausgedehnten Längen geliefert und sind allgemein als eine kompakte Spule verpackt, die um eine/n zylindrische/n Spule oder Wickelkörper gewickelt ist. Der Draht wird dann von der Spule oder dem Wickelkörper abgewickelt, bevor er einer weiteren Verarbeitung unterzogen wird, um Formen zu produzieren, die für eine Elektromotoranwendung geeignet sind, und wird dann in entweder dem Rotor oder dem Stator oder beiden eines Elektromotors eingebaut.
-
Der Draht kann z. B. in der Form einer Spule gewickelt sein, die zur Installation an einem Rotor, wie in 1 veranschaulicht, geeignet ist. Hier enthält der Rotor 10, der aus einem Stapel von Ankerblechen besteht, welcher der Einfachheit halber nur zum Teil bei 11 bezeichnet ist, eine Reihe von Schlitzen 12, von denen jeder parallele Schenkel von allgemein rechteckigen Spulen 14 beherbergt, die von den Ankerblechen 11 durch eine Isolierhülse 13 isoliert sind. Elektrische Verbindungen zu den Spulen 14 (Details sind nicht gezeigt) sind abhängig von dem Motortyp, der koaxial an einer Welle 18 montiert ist, die den Rotor trägt, wenn er um die Achse 19 rotiert, allgemein durch einen Schleifring oder Kommutator oder eine ähnliche Vorrichtung 16 hergestellt. Eine andere Herangehensweise, die in den 2, 3 und 4 veranschaulicht ist, zeigt die Verwendung kurzer Längen eines geformten und gebogenen Magnetdrahtes, um eine gewünschte Leiterbahn zu entwickeln, wie hier abgebildet, in einem Stator. Beispiele für diese kurzen Längen eines Leiters, allgemein als Haarnadeln beschrieben, sind als eine erste beispielhafte Haarnadel 20 (bei 2), in Vielfachen 30 einer zweiten beispielhaften Haarnadel 20' (bei 3) gezeigt, während ein Verbund von noch dritten beispielhaften Haarnadeln 20'' in einem Statorrahmen 42 eingesetzt gezeigt ist, der einen Verbund von Ankerblechen 44 umfasst (in 4 gezeigt). Wenn die Vielzahl von Haarnadeln 20'' zusammengeschweißt ist, um eine kontinuierliche elektrische Leiterbahn zu bilden, bildet sie einen Stator 40 (bei 4). Das Wesen der Strombahn und somit der Modus des Verbindens der Haarnadeln wird von der Art des Motors und, für Wechselstrommotoren, davon abhängig sein, ob es sich um einen einphasigen oder einen dreiphasigen handelt. Diese und weitere Überlegungen und Herangehensweisen zur Herstellung von Elektromotorelementen sind Fachleuten gut bekannt.
-
Alle Motorherstellungsprozesse bringen zumindest eine gewisse Verformung über den Magnetdraht. Der Draht wird typischerweise sowohl gestreckt als auch gedehnt werden, was beträchtliche Anforderungen an den Isolierfilm stellt, um seinen dielektrischen Charakter aufrechtzuerhalten. Beispielsweise wurde die Stelle 15 an der Haarnadel 20 einer beträchtlichen Biegung um die „y-Achse” in der „xz-Ebene” unterzogen, während die Stellen 17 an der Haarnadel 20 eine Biegung um die „x-Achse” in der „yz-Ebene” erfahren haben. Zur Referenz wird der nicht verformte Draht in der „xz-Ebene” liegen.
-
Dies ist gut bekannt und Standardtest- und -evaluierungsprozeduren, deren bekannteste und am häufigsten zitierte von der National Electrical Manufacturers Association oder NEMA stammen, wurden entwickelt, um die Funktion eines Magnetdrahtes zu beurteilen, nachdem er Prozessen unterzogen wurde, die Herstellungsprozduren zumindest nahekommen. Eine NEMA-Forderung verlangt beispielsweise eine optische Beurteilung der Isolierbeschichtung nach dem Dehnen des Drahtes um zumindest einen vorgeschriebenen Betrag und, für die meisten Drahtstärken, auch das Wickeln des Drahtes um einen Dorn mit einem Durchmesser, der einem Mehrfachen der Drahtdicke entspricht. Es sollte/n kein/e Risse oder frei liegender Leiter festzustellen sein.
-
Gleichwohl können mit dem Volumen an produziertem/n Magnetdraht und Motoren Defizite in den dielektrischen Eigenschaften des Magnets auftreten, die von derzeitigen Herstellungsprozessen herrühren. In der derzeitigen Praxis ist es, insbesondere in Elektromotoren mit gewickelten Spulen, üblich, einen Isolierlack um die und zwischen den Wicklungen aufzubringen und einsickern zu lassen. Der Lack dient sowohl als Ergänzung zu der bestehenden Isolierung als auch dazu, der Leiteranordnung mechanische Festigkeit zu verleihen, und kann auf vielerlei Art und Weise einschließlich durch Eintauchen eines Motorelements in ein Lackbad, durch Rinnenlassen einer kontinuierlichen Strömung von Lack über das Motorelement oder durch Vakuumimprägnierung aufgebracht werden. Sobald er aufgebracht ist, wird der Lack gehärtet und die gewünschte mechanische und elektrische Festigkeit wird der Wicklung global verliehen, wenngleich mit beträchtlichem Aufwand an Energie und Zeit.
-
Es ist die Absicht dieser Erfindung, jegliche dielektrischen Defizite selektiv zu beheben, die entweder während der Motorherstellung oder des Gebrauchs auftreten. Es werden daher Mikrokapseln, die ein fließfähiges und polymerisierbares dielektrisches Material enthalten, in der Magnetdrahtisolierung eingebaut, wie in dem fragmentarischen Querschnitt in den 5 und 6 schematisch gezeigt. Hier ist ein Abschnitt des Leiters wie z. B. der Haarnadel 20 von 2 im Querschnitt gezeigt. In 5 ist der Leiter 50 mit einer dünnen Isolierschicht 52 beschichtet, die eine bevorzugt einheitliche Dispersion von Mikrokapseln 54, bevorzugt mit einer allgemein konstanten Größe, enthält, wobei jede Mikrokapsel eine Einzelschale 56 umfasst, die ein polymerisierbares Material 58 einkapselt. In 6 ist der Leiter 50 mit einer dünnen Isolierschicht 52 beschichtet gezeigt, die wiederum eine Verteilung von Mikrokapseln 64 mit bevorzugt einheitlicher Größe enthält. Hier umfassen die Kapseln zwei Schalen, eine typischerweise ein Polymer und die andere typischerweise ein Glas, die kollektiv mit 66 bezeichnet sind, und ein polymerisierbares Material 58 einkapseln. Bei Durchsicht der 5 und 6 wird einzusehen sein, dass die gezeigte Darstellung eine Teilstrecke durch eine Ansammlung von Mikrokapseln veranschaulicht und somit die Konzentration von Kapseln in einer Ebene zeigt. Daher sollte das lokale Nichtvorhandensein von Mikrokapseln in spezifischen Bereichen wie z. B. in dem mit „A” in 5 oder „B” in 6 markierten nicht so interpretiert werden, als würde impliziert, dass keine Abhilfe erreicht werden kann, wenn ein Beschichtungsbruch an diesen Stellen auftritt. Vielmehr wird, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben, Abhilfe durch Mikrokapseln bewerkstelligt, die außerhalb der Ebene des Teilstückes angeordnet sind und entweder oberhalb oder unterhalb von der geschnittenen Ebene liegen.
-
Die Mikrokapseln sollen zumindest teilweise mechanisch mit der Magnetdrahtisolierung gekoppelt sein, sodass die der Isolierung auferlegten Spannungen wirksam auf die Kapselschale übertragen werden. Die Kapsel ist derart ausgebildet, dass sie, wenn sie einer gewissen vorbestimmten kritischen Spannung unterworfen ist, bricht und ihren Inhalt freisetzt. Die Kapselfestigkeit wird bevorzugt nur etwas geringer sein als die Bruchspannung der Isolierschicht, sodass ein Kapselbruch einen Filmbruch nur in einem beschränkten Ausmaß zuvorkommen wird. Nach der Freisetzung wird der Kapselinhalt dann polymerisieren, die Isolierschicht zurückbilden und jegliche Defizite in der dielektrischen Festigkeit der Magnetdrahtisolierung beheben. Geeignete Einkapselungsstoffe umfassen Holzöl oder Leinöl, welche bei Exposition gegenüber Luft Sauerstoff absorbieren, um Hydroperoxide zu bilden, die dann zerfallen, um freie Radikale zu erzeugen, die eine Polymerisation begünstigen, um ein im Wesentlichen vernetztes, nicht gesättigtes Polyester zu bilden. Weitere mögliche Einkapselungsstoffe könnten nicht-selbstkondensierende Expoxide; und isocyanathaltige Harze umfassen, die in Gegenwart von Wasser polymerisieren werden. Alternativ können isocyanathaltige Harze eingekapselt und geeignete Amine der Isolierung hinzugefügt und darin enthalten sein, sodass die Freisetzung des Isocyanats und die Exposition gegenüber dem Amin die Bildung von Polyurethan fördern würde. Es kann auch, vorausgesetzt es kann ein entsprechender physikalischer Zugang bereitgestellt werden, eine Ultraviolett(UV)-Lichtexposition verwendet werden, um eine Polymerisation entweder mit einem oder ohne einen Ultraviolettlicht-Starter einzuleiten oder auszulösen. Acrylmonomere und Präpolymere sind die häufigsten Klassen von Harz zur Verwendung mit einer Ultraviolettlichtpolymerisation.
-
Elektromotoren werden allgemein auf der Basis der maximal tragbaren Leitertemperatur in Übereinstimmung mit einer Lebensdauer von 20.000 Stunden eingestuft: Ein Klasse B Motor ist z. B. für 130°C eingestuft; einer der Klasse F für 155°C; und die Klasse H ist für 180°C eingestuft.
-
Das Temperaturlimit ist durch den Temperaturwiderstand der Isolierbeschichtung auf der Wicklung festgelegt und demzufolge ist je nach Motoreinstufung eine Vielfalt von Isolierbeschichtungen in allgemeiner Verwendung. Beschichtungen können nicht-homogen sein und Verbundbeschichtungen, die ein thermisch widerstandsfähiges Kernmaterial umfassen, über dem eine Schicht mit guten mechanischen Eigenschaften, oft Nylon, liegt, sind gut bekannt. Einige beispielhafte Beschichtungen sind: für die Klasse F Polyurethan oder Polyurethan-Nylon; und für die Klasse H Polyester-Nylon. Die Isolierschicht ist dünn und bringt teilweise auf Grund der Verwendung solcher dünner Beschichtungen, 0,001 bis 0,010 Zoll (etwa 0,025 bis 0,25 Millimeter) sind typisch, eine minimale Beschränkung der Anzahl von Leitern mit sich, die physikalisch das zur Verfügung stehende Volumen einnehmen können.
-
Beschichtungen können mithilfe vieler verschiedener Herangehensweisen aufgebracht werden, welche umfassen: Aufbringen einer Lösung eines Monomers oder Polymers, das in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst ist, gefolgt von einer Exposition gegenüber hohen Temperaturen, um das Lösungsmittel zu verdampfen und die Polymerisation oder eine weitere Vernetzung zu begünstigen; Extrudieren und Aufbringen eines fließfähigen Harzmaterials in einem Extrusionswerkzeug; und elektrochemische Abscheidung von unter Wärmeeinwirkung fließfähigen und aushärtbaren Harzen. Keine dieser Herangehensweisen wird wesentliche Scherbelastungen in der Isolierung induzieren und damit sind alle Herangehensweisen. mit der Einführung von Mikrokapseln kompatibel.
-
Gefüllte Mikrokapseln können mithilfe einer Anzahl von Herangehensweisen hergestellt werden. Gefüllte Polymer(schalen)mikrokapseln in einem Bereich von Größen werden einfach z. B. mittels Grenzflächenpolymerisation, insbesondere wie in dieser Anwendung, hergestellt, wenn die Mikrokapseln mit einer hydrophoben Verbindung beladen werden sollen. Es wird ein multifunktionelles Monomer zugesetzt und in dem einzukapselnden flüssigen Kern oder Material gelöst. Dies wird typischerweise ein multifunktionelles Isocyanat sein, es können aber je nach erwünschter Oberflächenbeschichtung andere Monomere oder Kombinationen von Monomeren verwendet werden. Der Kern und das zugehörige multifunktionelle Monomer wird dann in einer wässrigen Phase, die ein Dispergiermittel enthält, zu einer gewünschten Tropfengroße dispergiert, wonach ein Reaktionspartner, allgemein ein multifunktionelles Amin, der wässrigen Phase zugesetzt wird. Die Reaktion des Amins und des Isoncyanats an der Grenzfläche zwischen den Tröpfchen und der wässrigen Phase hat eine schnelle Polymerisationsreaktion an der Grenzfläche zur Folge, die eine Polyharnstoffkapselschale erzeugt.
-
Eine Polymerkapselschale kann insofern von Vorteil sein, als sie bei einer erhöhten Temperatur oder in Gegenwart eines Lösungsmittels chemisch mit der Isolierbeschichtung binden kann. Für die angeführten beispielhaften Beschichtungen sollten die eingekapselten Schalen gut an den Beschichtungen haften. Beispielsweise werden Urethanmikrokapselschalen gut an der Urethanbeschichtung haften. Da viele Urethane auch Polyester umfassen, können die Urethanschalen auch gut an der Polyesterbeschichtung haften. Es ist zu erwarten, dass auch Epoxidschalen gut mit Polyesterbeschichtungen binden. Ferner wurden Urethane als Haftmittel für Polyamid-Imidmaterialien vorgeschlagen, sodass auch in diesen Systemen eine annehmbare Haftung zu erwarten ist. Die Bildung einer starken Bindung zwischen Beschichtung und Kapselschale ist zur Begünstigung einer wirksamen Spannungsübertragung zwischen Beschichtung und Kapsel offensichtlich wünschenswert. Allerdings kann unter aggressiven Bedingungen die Kapselschale während der Beschichtungsherstellung weggelöst werden und den Kapselinhalt freisetzen, was sie ineffizient bei der Verstärkung der lokalen dielektrischen Festigkeit im Fall eines Schadens an dem Isolierfilm macht.
-
Eine alternative Herangehensweise ist die Verwendung eines Glases als das Einkapselungsmaterial. Die Verwendung von Glas kann auch von Vorteil dabei sein, der Kapsel eine größere Schalenfestigkeit zu verleihen, um sie toleranter für Scherbelastungen zu machen, die während der Verarbeitung übertragen werden. Ein geeigneter Niedertemperaturprozess zur Glaseinkapselung ist die Verwendung eines Sol-Gel-Prozesses, der eine Polykondensation und Hydrolyse von Siliziumalkoxiden wie z. B. Tetramethylorthosilikat – Si(OCH3)4 – beinhaltet, um transparente Oxidgläser herzustellen. Zum Beispiel wird der Zusatz von Tetramethylorthosilikat in Kombination mit Salzsäure als ein Katalysator zu einer wässrigen Emulsion aus einer der zuvor beschriebenen hydrophoben polymerisierbaren Verbindungen, Leinöl, Tallöl, Isocyanat und Epoxid die Bildung von mit Siliziumoxid eingekapselten Mikrokapseln dieser Verbindungen begünstigen. Anschließend an das Härten, Entfernen von überschüssigem Lösungsmittel und Trocknen können gefüllte Siliziumoxid-Mikrokapseln erhalten werden.
-
Ein Kennzeichen des Sol-Gel-Prozesses ist, dass die Mikrokapselschalen sehr feine Poren in der Größenordnung von 10 Nanometer im Durchmesser enthalten, die eine langsame Freisetzung des Mikrokapselinhalts begünstigen können. Daher wird zumindest für einige der möglichen Einkapselungsstoffe bevorzugt, einem zweistufigen Einkapselungsprozess zu folgen, indem zuerst eine kontinuierliche Polymerschale mittels z. B. des zuvor beschriebenen Grenzflächenpolymerisationsprozesses erzeugt wird, gefolgt von der Aufbringung einer zweiten Siliziumoxidschale für die Festigkeit.
-
Außer dass die Siliziumoxidschale zu der Festigkeit der Mikrokapsel beiträgt, kann sie auch die Haftung an der Isolierbeschichtung begünstigen. Die feine Porositätscharakteristik der Siliziumoxidschalen kann zumindest ein teilweises Einsickern der Magnetdrahtisoliermaterialien in die Poren ermöglichen und die anschließende Anbringung und mechanische Wechselwirkung zwischen der Mikrokapsel und der Magnetdrahtisolierung begünstigen. Diese mechanische Wechselwirkung wird auch effektiv bei der Übertragung einer Spannung von der Isolierung auf das Mikropartikel und beim Brechen des Mikropartikels zur Freisetzung seines Inhalts, falls erforderlich, sein.
-
Es wird einzusehen sein, dass die Bruchfestigkeit der Mikrokapseln mit der Bruchfestigkeit der Isolierschicht vergleichbar, jedoch geringer als diese sein sollte. Es ist offensichtlich, dass das Zerbrechen der Isolierung ohne das Zerbrechen der Kapsel und Freisetzen ihres Abhilfe schaffenden Inhalts unwirksam sein wird und die Kapselfestigkeit daher die Isolierungsbruchfestigkeit nicht übersteigen soll. Im Gegensatz dazu, wie die 2 und 3 augenscheinlich machen, ist die Größe der Verformung, die der Leiter erfährt, stark ortsabhängig. Zum Beispiel, unter Bezugnahme auf 2, ist die Biegung an der Stelle 15 stark gespannt; die Biegungen an den Stellen 17 sind weniger gespannt und der Großteil der Haarnadel 20 hat in Verbindung damit, dass sie gewunden oder nicht gewunden ist, nicht mehr als die minimale Verformung erfahren. Die Freisetzung und Polymerisation des Einkapselungsstoffes unter geringen Spannungen, wenn die Isolierfähigkeiten der Isolierschicht grundsätzlich intakt sind, würde der anschließenden Freisetzung und Polymerisation zuvorkommen, wenn der Leiter noch höheren Spannungen unterworfen wäre, und dadurch den Einkapselungsstoff unwirksam machen. Somit sollte die Bruchfestigkeit der Kapselschale auf der Festigkeit des Isolierfilms basieren und, z. B. durch die Wahl der Schalenzusammensetzung und ihrer Dicke, über die Steuerung der Verkapselungsbedingungen dementsprechend angepasst werden.
-
Alle drei üblicherweise verwendeten Isolierungsaufbringungsprozesse: Beschichten mit einer gelösten Isolierung, gefolgt von einer beschleunigten Lösungsmittelverdampfung und einer Vernetzung bei einer hohen Temperatur; Extrusion der thermisch erweichten fließfähigen Isolierung; und Pulverbeschichtung, gefolgt von Pulververdichtung und -fluss verwenden allesamt Trocknungs- und/oder Aushärtungstemperaturen, die 700°F erreichen. In Abhängigkeit von dem verwendeten Prozess kann die Temperatur des Drahtes und der Isolierung niedriger sein als diese Temperatur, aber die Isolierung wird einigen beträchtlichen thermischen Ausschlägen unterworfen sein. Somit werden jegliche Mikrokapseln, die in der Isolierung enthalten sind, ebenfalls erhöhten Temperaturen ausgesetzt sein, und diese können ausreichen, um den Kapselinhalt zu verflüchtigen und beträchtliche innere Drücke zu erzeugen. Aus diesem Grund wird es daher auch von Bedeutung sein, die Kapselschalenfestigkeit zu steuern, um sicherzustellen, dass der Kapselbruch nicht während der Drahtverarbeitung stattfindet.
-
Ein beträchtlicher Anteil (bevorzugt nicht weniger als etwa 10 und stärker bevorzugt mehr als etwa 20 Volumenprozent) an Mikrokapseln ist bevorzugt, um einen vernünftigen, Abhilfe schaffenden Isolierfilmaufbau zu erzielen. Am stärksten bevorzugt sollte der größte Volumenanteil an Mikrokapseln in Übereinstimmung mit den Verarbeitungsanforderungen verwendet werden. Da die Viskosität der Fluide mit Feststoffdispersionen mit zunehmendem Volumenanteil relativ schnell ansteigt, während der Volumenanteil 60 Prozent erreicht, kann eine praktische Grenze bei etwa 50 Volumenprozent Mikrokapseln erreicht werden.
-
Die Rolle der Mikrokapselzusätze ist unter Berücksichtigung von 7 veranschaulicht, die in fragmentarischer Schnittansicht eine schematische Darstellung eines teilweisen V-förmigen Risses zeigt, der z. B. durch Biegen gebildet wurde und auf eine gefüllte Mikrokapsel getroffen ist, während er sich von der Oberfläche fortpflanzt. Somit hat sich der Riss 70 teilweise durch die Isolierschicht 52 fortgepflanzt, bevor er auf eine der gefüllten Mikrokapseln 56 trifft und diese bricht, um Mikrokapselschalenfragmente 56' zu erzeugen, während er ihren Inhalt 58 freisetzt. Es wird einzusehen sein, dass die gezeigte Ansicht eine Schnittansicht ist und der Riss 70 sich aus der und in die Ebene des Papiers erstrecken wird. Somit wird in dem Schnitt, der in 7 gezeigt ist, und in weiteren Schnitten, in denen die sich fortpflanzende Rissbahn eine Mikrokapsel schneidet, die Mikrokapsel mit relativ großem Radius wirksam beim Abstumpfen des Risses sein. Allerdings können in anderen Gebieten wie z. B. jenen oberhalb und unterhalb der Ebene des Papiers in 7 entsprechend positionierte Mikrokapseln fehlen.
-
Bei Nichtvorhandensein solcher Mikrokapseln kann der Riss in der Lage sein, sich insgesamt durch die Isolierschicht 52 zu dem Leiter 50 fortzupflanzen, wie bei 70' in 8 gezeigt. Allerdings kann etwas von dem Fluidinhalt 58, der von der zerbrochenen Mikrokapsel von 7 herrührt, sobald er freigesetzt ist, durch Kapillarwirkung entlang der Ausdehnung des Risses fließen oder transportiert werden, um zumindest teilweise die gesamte Länge des Risses zu füllen. Anschließend wird das Fluid 58 polymerisieren, um eine Isolierschicht 58' zu bilden, und die dielektrischen Eigenschaften der Isolierschicht 52 zu korrigieren. In 7 ist ein Abschnitt des nunmehr polymerisierten Inhalts 58' der zerbrochenen Mikrokapsel innerhalb der zerbrochenen Mikrokapselwände 56' zurückgehalten gezeigt. Allerdings, wie bei 8 gezeigt, ist die von dem polymerisierbaren Fluid 58 herrührende polymerisierte Schicht 58' wirksam beim Wiederherstellen zumindest einiger der dielektrischen Eigenschaften der Isolierschicht 52, während sie den Riss 70' teilweise füllt.
-
Die Größe der Mikrokapseln ist bevorzugt kleiner als die, aber vergleichbar mit der Dicke der Isolierschicht. Die Strömungscharakteristika der Isolierschicht werden durch den Volumenanteil an Mikrokapseln bestimmt. Allerdings ist die Dicke der Abhilfeisolierschicht durch das Volumen des in den Kapseln enthaltenen polymerisierbaren Materials bestimmt. Es ist daher bevorzugt, dass der auf die Kapselschale zurückführbare Anteil an Mikrokapselvolumen minimiert ist und dass damit die Kapselgröße so groß wie möglich in Übereinstimmung mit ihrer vollständigen Unterbringung in der Isolierschicht ist.
-
Wie zuvor erwähnt, kann eine Vielfalt von polymerisierbaren Materialien in der Mikrokapsel enthalten sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass das aus dem polymerisierbaren Material gebildete Polymer eine ausreichend hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, um die elektrische Vorrichtung entsprechend zu isolieren. Des Weiteren ist bevorzugt, dass das polymerisierbare Material eine niedrige Viskosität aufweist, sodass es ohne weiteres entlang irgendeines Risses fließen und die volle Länge jedes frei liegenden Isolators abdecken kann. Zum Beispiel wird durch Betrachtung von 2 offensichtlich, dass ein Bruch in der Isolierung, der die Folge der hohen Biegebeanspruchung an der Stelle 15 ist, sich über die Dicke der Haarnadel hinweg erstrecken würde. Der Riss würde somit Gebiete, die zerbrechliche Mikrokapseln enthalten, wie bei 7 gezeigt, und Gebiete, in denen Mikrokapseln nicht vorhanden sind, wie bei „A” in 5 gezeigt und wie in 8 gezeigt, umfassen. Überdies sollte die Rate der Polymerisation des polymerisierbaren Materials ausreichend niedrig sein, um einen Fluss entlang des Risses zu ermöglichen, jedoch ausreichend schnell sein, sodass die dielektrischen Eigenschaften der Isolierschicht nach einem Durchbruch der Isolierschicht sofort wiederhergestellt werden. Und schließlich sollte das polymerisierbare Material bevorzugt zumindest den Leiter und das resultierende Polymer benetzen und wird bevorzugt eine haftende Bindung entweder mit der Isolierschicht oder dem Leiter oder, stärker bevorzugt, mit beiden entwickeln.
-
Eine erste beispielhafte Kategorie von polymerisierbaren Materialien ist die Kategorie von „trocknenden Ölen”, die Tallöl, Leinöl, Holzöl, Mohnöl, Perillaöl und Walnussöl umfassen. Diese „trocknenden” Öle werden einer Polymerisation als einer Ergebnis einer Autoxidation, dem Zusatz von Sauerstoff zu einer organischen Verbindung, unterzogen. Somit werden mikroverkapselte „trocknende Öle” ohne Sauerstoff nicht reaktiv sein, aber beim Zerbrechen der Mikrokapsel und bei der Exposition gegenüber Sauerstoff (Luft) wird sich der Sauerstoff selbst in die C-H-Bindungen neben den Doppelbindungen innerhalb dieser ungesättigten Fettsäuren einsetzen. Die resultierenden Hydroperoxide sind anfällig für eine Zersetzung, die zur Bildung von freien Radikalen führt, die Vernetzungsreaktionen erzeugen, welche Bindungen zwischen benachbarten Fettsäureketten bilden werden, um ein Polymernetzwerk zu produzieren, das allgemein einen vernetzten ungesättigten Polyester umfasst.
-
Eine zweite beispielhafte Kategorie von polymerisierbaren Materialien sind isocyanathaltige Harze (allgemein als Isocyanate bezeichnet). Diese sind nicht allgemein selbstkondensierend und können daher stabil mikroverkapselt sein. Es können auch blockierte Isocyanate verwendet werden. Diese Materialien entblocken sich und werden aktiv durch eine thermische Reaktion. Sobald sie daher freigesetzt sind, würde sie eine kurze Zeit bei der Temperatur entblocken. Wenn die Kapsel jedoch zerbrochen wird und das Isocyanat freigesetzt wird, wird es mit Wasser oder Umgebungsfeuchtigkeit reagieren, um Polyurethan und Kohlenstoffdioxid zu bilden, welches als ein Treibmittel wirken kann, um einen Polyurethanschaum zu produzieren. Alternativ, falls ein Amin in die Isolierschicht eingebaut werden kann, können das Amin und das Isocyanat bei einer Rate reagieren, die durch die Diffussionsrate des Amins gebremst wird, um Polyharnstoff zu bilden.
-
Eine dritte beispielhafte Kategorie von polymerisierbaren Materialien sind Epoxidharze oder andere Verbindungen, die durch Reaktion mit einer zweiten Verbindung polymerisieren. Beispiele wären, wie oben angegeben, Isocyanate, Epoxide, ungesättigte Polyester etc. Diese werden, wenn sie mit entsprechenden komplementären Reaktionspartnern zur Reaktion gebracht werden, Polyharnstoff, Polyurethan-Polymere im Fall der isocyanathaltigen Harze; Polyether im Fall der Epoxidharze (auch als Epoxide bezeichnet); und vernetzte Polyester im Fall der ungesättigten Polyester bilden. Die zweite reaktive Spezies, die bevorzugt multifunktionelle Amine oder Alkohole im Fall von isocyanathaltigen oder Epoxid enthaltenden Harzen oder einen Oxidationskatalysator im Fall des ungesättigten Polyesters umfassen könnten, können, entweder als Festkörper oder als mikroverkapselte Flüssigkeiten, in der Isolierschicht dispergiert sein.
-
Die Polymerisation kann durch Wärme oder durch die Exposition gegenüber Ultraviolett(UV)-Licht begünstigt sein. Somit könnten in Systemen wie katalysierten Acrylharzen, wo Selbstkondensation kein Thema ist, wiederholte und beschleunigte Polymerisationsprozeduren in Erwägung gezogen werden. Zum Beispiel könnte in der Haarnadelmotorkonstruktion der 2–4 eine erste Polymerisation nach dem Biegen der Haarnadeln durch deren Exposition gegenüber einem UV-Licht begünstigt oder beschleunigt werden. Dann, nach dem Einsetzen in das Motorelement, könnte ein zweites Polymerisationsereignis durch eine zweite UV-Lichtexposition vor dem endgültigen Motorzusammenbau begünstigt werden.
-
Unter der Voraussetzung, dass wie in diesem Beispiel eine UV-Lichtexposition keine Polymerisation in dem verkapselten Material auslösen würde, wären die verbleibenden nicht aktivierten Einkapselungsstoffe noch immer verfügbar, um jegliches Isolationsdefizit, das sich im Betrieb entwickeln könnte, zu beheben.
-
Alternativ wäre eine Exposition gegenüber einer mittelmäßig erhöhten Temperatur, z. B. etwa 100°C, wirksam bei der Begünstigung einer Polymerisation, wenngleich höhere Temperaturen eine schnellere Reaktionsrate begünstigen und eine vollständigere Polymerisation begünstigen würden. Für beste Ergebnisse kann ein thermischer Starter, ein freie Radikale erzeugendes Peroxid, z. B. Benzoylperoxid, oder ein Katalysator, z. B. Eisentrioxid, in der Isolierbeschichtung enthalten sein. Diese Zusätze wären auch wirksam bei der Beschleunigung einer thermisch angetriebenen Polymerisation des Inhalts jeglicher zerbrochener Mikrokapseln. Die Exposition gegenüber solch einer Temperatur bei irgendeinem gewünschten Schritt im Motorherstellungsprozess wäre daher wirksam bei der Sicherstellung einer Polymerisation des Mikrokapselinhalts und Korrektur jeglicher Defizite in den Isoliereigenschaften der Beschichtung, bevor die Motoren in Betrieb genommen werden. Da die Betriebstemperaturen von Elektromotorwicklungen routinemäßig 100°C übersteigen, wird die Polymerisation des Mikrokapselinhalts und Behebung jeglicher betrieblichen Isolationsstörung auch sofort stattfinden.
-
Die Beschreibung hierin ist lediglich von beispielhafter Natur und Abwandlungen, die nicht von dem wesentlichen Inhalt dessen, was beschrieben ist, abweichen, sollen somit innerhalb des Schutzumfangs der Offenlegung liegen. Solche Abwandlungen sind daher nicht als eine Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der Offenlegung zu betrachten.
