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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit einer auf seiner Oberfläche aufgebrachten Isolation und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft des Weiteren auch eine Wicklung einer Spule, welche aus einem derartigen elektrischen Leiter gewickelt ist.
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Typische Anwendungsgebiete bei denen es wünschenswert wäre, dass die Isolation eines elektrischen Leiters neben ihren elektrisch isolierenden Eigenschaften gleichzeitig auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, sind elektromagnetische Wandler, wie Spulen, Drosseln, Elektromagnete und Transformatoren. Eine Isolationsschicht wird bei elektrischen Wicklungen bekanntlich zur elektrischen Isolierung der einzelnen Drahtwindungen gegeneinander benötigt, um einen Kurzschluss zu verhindern, welcher eine Verwendung als elektrische Wicklung unmöglich machen würde. Die bei der Herstellung von Spulen in der Elektrotechnik verwendeten elektrischen Leiter sind in der Regel mit einer elektrischen Isolationsschicht aus elektrisch nicht leitfähigem Lack überzogen. Dieser Lack kann in mehreren Schichten im sogenannten Durchlaufverfahren auf den Leiter aufgebracht werden. Der eingesetzte Lack richtet sich unter anderem nach den Anforderungen an die thermischen, elektrischen und mechanischen Kenngrößen, welche den einschlägig bekannten Normen (IEC 60317, NEMA MW 1000, JIC C 3202) entnommen werden können. Als Lacke werden hauptsächlich Polysol 155, Polysol 180, Estersol 180, Amidester 200 und Amidester 210 verwendet. Die genannten Lacke basieren unter anderem auf modifizierten Polyurethanen, Palyesterimiden und Polyamidimiden. Die jeweils erforderliche Lackschichtdicke kann ebenfalls den genannten Normen entnommen werden. Sie richtet sich hauptsächlich nach dem geforderten elektrischen Isolationsgrad und den Leiterabmessungen. Zur Anpassung der Drahtisolation an bestimmte Anforderungen, können zusätzliche Lackschichten aufgebracht werden, wobei wiederum modifizierte Polyurethane und Polyesterimide Verwendung finden. Derartig beschichtete Drähte sind als Overcoat-Drähte bekannt.
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Bedingt durch die Anforderungen im Verarbeitungsprozess sowie die benötigten elektrischen Eigenschaften haben die für die elektrische Isolation verwendeten Kunststoffe nur geringe Wärmeleitfähigkeiten. Eine Erhöhung der Isolationswirkung durch Aufbringen mehrerer Lackschichten wirkt sich zusätzlich negativ auf den durch die Isolationsschicht möglichen Wärmestrom aus. Insbesondere bei Elektromotoren werden fortwährend Bemühungen unternommen, deren Leistungsdichte zu erhöhen. Hierzu ist eine immer bessere Abfuhr der Verlustleistung notwendig. Durch permanente Verbesserung der Anbindung der Spulen an die Temperatursenke mittels bekannter Tränk- und Vergussverfahren mit hoch gefüllten Vergussmaterialien oder Tränklacken konnten bereits in der Vergangenheit erhebliche Verbesserungen erreicht werden. Nach wie vor wirkt sich jedoch die Temperaturbarriere des Isolationsmaterials um den elektrischen Leiter negativ aus, da diese den Wärmstrom behindert.
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Die
DE 10 2012 000 121 A1 beschreibt die Beigabe von Zuschlagstoffen zu Isoliersubstraten, wie Lacken, zur Beeinflussung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Als Zuschlagstoffe werden Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Glimmer, Serpentin und Faserserpentin beschrieben. Das flüssige Isoliersubstrat mit beigefügten Zuschlagstoffen wird nach einem speziellen Verfahren auf die Oberfläche eines Leiters aufgebracht. Bei diesem Verfahren werden die isotropen Moleküle bzw. Nanopartikel und Zuschlagstoffe vor dem Erstarren des Isoliersubstrats durch Anlegen einer Hochspannung anisotrop ausgerichtet. Eine derart aufgebrachte Isolation soll beispielsweise bei gleichbleibender bzw. verbesserter Spannungsfestigkeit weniger Lackschichten benötigen, wodurch Material und Prozesszeiten eingespart werden können. Zuschlagstoffe zur Beeinflussung der thermischen Leitfähigkeit von Isoliersubstraten werden nicht beschrieben.
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Die
EP 1 079 504 B1 zeigt ein Verfahren zum Imprägnieren einer Wicklung mit Harz. Nach dem Imprägnieren der Wicklung mit wärmehärtendem Harz wird die Wicklung in eine flüchtige Lösung, welche Bornitridpartikel oder Al
2O
3-Partikel enthält, getaucht. Eine derart beschichtete Wicklung weist zwar im Vergleich zu früheren Losungen eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf. Nach wie vor wirkt die Isolationsschicht der Wicklung jedoch als Wärmebarriere und behindert dadurch den Abfluss der während des Betriebs entstehenden Wärme.
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In der
DE 20 2012 104 118 U1 werden Drähte mit Isolationsschichten zur Verwendung für Spulenwicklungen beschrieben, welche vorzugsweise einen rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt aufweisen. Diese Querschnittsformen lassen sich mit relativ geringem Aufwand herstellen und ermöglichen eine kompakte Bauweise, da die Drahtabschnitte einer jeden Wicklung am jeweils benachbarten Drahtabschnitt mit der größtmöglichen Fläche dicht und kompakt zusammen anliegen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen elektrischen Leiter mit einer Isolationsschicht mit einer guten thermischen Leitfähigkeit sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen. Die elektrischen und mechanisches Eigenschaften der Isolationsschicht sollen trotz verbesserter thermischer Leitfähigkeit unverändert erhalten bleiben. Des Weiteren soll auch eine Wicklung einer Spule aus einem derartig isolierten elektrischen Leiter zur Verfügung gestellt werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein elektrischer Leiter gemäß beigefügtem Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße elektrische Leiter weist eine auf seiner Oberfläche aufgebrachte Isolation auf. Erfindungswesentlich ist, dass die Isolation ein thermisch leitfähiges Füllmaterial beinhaltet, dessen elektrische Leitfähigkeit jedoch nicht relevant höher als die des umgebenden Isolationsmaterials ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters besteht darin, dass durch Verwendung eines in die Isolation integrierten thermisch leitfähigen Füllmaterials die Wärmebarriere der Isolation unterbrochen wird. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Isolation bleiben hingegen weitgehend unverändert erhalten oder werden in Bezug auf die elektrische Isolationswirkung sogar verbessert. Auf diese Weise kann Wärme aus dem Inneren des Leiters wesentlich besser nach außen transportiert werden.
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Bei einer aus dem erfindungsgemäßen Leiter gewickelten Spule kann die im Inneren der Spule entstehende Wärme problemlos nach außen transportiert und über außen anliegende Temperatursenken abgeführt werden. Das gleiche gilt für eine Temperatursenke im Inneren einer Spule. Hier kann die Wärme über die Spule nach innen besser transportiert werden. Hierdurch ergeben sich geringere Temperaturgradienten über die Spule und somit auch in einem, eine derartige Spule aufweisenden Motor oder einem vergleichbaren elektromechanischen Bauteil. Bei gleichbleibenden Randbedingungen kann die mechanische Leistung solcher Bauteile, die einen erfindungsgemäßen elektrischen Leiter verwenden, erhöht und die thermische Belastung der Bauteile reduziert werden.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Isolation aus mindestens einer Lackschicht. Eine als Lackschicht realisierte Isolation kann relativ dünn gehalten werden. Die Lackschicht wird dabei vorzugsweise aufgetragen, indem der elektrische Leiter durch ein entsprechendes Bad mit flüssigem Lack gezogen wird. Bei Bedarf kann dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden, so dass auf diese Weise mehrere Lackschichten auf dem elektrischen Leiter aufgebracht werden kennen. Mindestens eine dieser Lackschichten weist ein thermisch leitfähiges Füllmaterial auf. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen bei denen sämtliche Lackschichten ein thermisch leitfähiges Füllmaterial aufweisen. Auf diese Weise entstehen keine Wärmebarrieren, wodurch entstehende Wärme gut vom Leiter abtransportiert werden kann.
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Die Lackschicht bzw. die Lackschichten umfassen nach einer bevorzugten Ausführungsform ein thermoplastisches Polymer. Das thermoplastische Polymer ist vorzugsweise ein modifiziertes Polyamidimid, Polyesterimid oder Polyurethan. Diese Polymere werden seit geraumer Zeit zur Isolation von elektrischen Leitern eingesetzt. Sie zeichnen sich durch ihre gute Verarbeitbarkeit aus und sind kostengünstig herstellbar.
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Alternativ kann der elektrische Leiter auch mit einer Kunststoff- bzw. Gummiummantelung versehen werden, in welche wiederum thermisch gut leitfähiges Füllmaterial integriert ist. Das eingebundene Füllmaterial verbessert auch bei dieser Ausführungsform die Wärmeleitfähigkeit der Isolation.
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Bevorzugt besitzt das Füllmaterial eine elektrische Leitfähigkeit, die in etwa der Leitfähigkeit des Isolationsmaterials entspricht, besonders bevorzugt ist die Leitfähigkeit sogar kleiner als die des Isolationsmaterials. Die Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials ist stattdessen nennenswert höher als die Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials, beispielsweise um den Faktor 2 bis 10. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das thermisch leitfähige Füllmaterial Bornitrid. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die Verwendung von Bornitrid erfolgen. Andere geeignete, thermisch leitfähige Füllmaterialien sind selbstverständlich möglich.
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Das Füllmaterial kann in Form von Granulat, Fasern, Pulver oder dergleichen in das Isolationsmaterial eingebracht sein, wie es grundsätzlich von bei Kunststoffen genutzten Füllern bekannt ist. Das Füllmaterial kann vom Isolationsmaterial vollständig umschlossen sein oder bevorzugt wenigstens an einer Oberfläche der Isolationsschicht nicht oder nur minimal vom Isolationsmaterial überdeckt werden. Besonders bevorzugt wird die Korngröße des Füllmaterials so gewählt, dass sie etwa der Dicke der herzustellenden Isolationsschicht entspricht.
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Der elektrische Leiter kann eine beliebige Querschnittsform aufweisen. So kann er beispielsweise rund oder profiliert sein. Es sind jedoch ebenso unregelmäßige Querschnitte möglich.
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Der elektrische Leiter kann vorzugsweise zur Herstellung einer Wicklung einer Spule eingesetzt werden, insbesondere auf diesem Anwendungsgebiet ist eine gute Wärmeleitung zur Reduzierung der thermischen Belastung wichtig. Es soll jedoch keine Einschränkung auf elektrische Leiter, die zur Herstellung von Spulenwicklungen geeignet sind, erfolgen. Erfindungsgemäß sind alle Anwendungen umfasst, bei denen elektrisch leitfähige Objekte mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind und die Schicht gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen muss.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient auch ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters mit thermisch leitfähiger Isolation zeichnet sich dadurch aus, dass auf die Oberfläche des Leiters eine Isolation mit einem thermisch leitfähigen Füllmaterial aufgebracht wird. Als thermisch leitfähiges Füllmaterial wird vorzugsweise Bornitrid verwendet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur erläutert. Die Figur zeigt eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters 01. Der elektrische Leiter 01 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie beispielsweise Kupfer. Andere elektrisch leitenden Materialien sind natürlich ebenso möglich. Der elektrische Leiter 01 weist eine Isolation 02 auf. Die Isolation 02 kann aus einer oder mehreren Lackschichten bestehen. Alternativ kann die Isolation 02 als Kunststoff- oder Gummimantel ausgeführt sein. Die Isolation 02 weist ein thermisch leitfähiges Füllmaterial, wie beispielsweise Bornitrid, auf. Durch die Verwendung des thermisch leitfähigen Füllmaterials wird die Wärmebarriere der Isolation 02 unterbrochen, ohne deren elektrische und mechanische Eigenschaften negativ zu beeinflussen. Die Wärmeleitung durch die Isolation 02 ist mittels Pfeil dargestellt. Der elektrische Leiter 01 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen unregelmäßigen Querschnitt auf. Er kann jedoch auch jeden anderen beliebigen Querschnitt aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- elektrischer Leiter
- 02
- Isolation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012000121 A1 [0004]
- EP 1079504 B1 [0005]
- DE 202012104118 U1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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