DE1037541B - Verfahren zum Aufbringen von Glasfasern enthaltenden Isolationsschichten auf elektrische Leiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Glasfasern enthaltenden Isolationsschichten auf elektrische Leiter.

Bereits seit vielen Jahren werden Glasfasern als Isolierhülle für elektrische Leitungen, wie etwa Wicklungsdraht, verarbeitet. Im allgemeinen dienen mehrere parallele Glasfäden als ein Hüllband, welches in einer oder mehreren Lagen um den Draht gewickelt wird. Die so entstandene Umhüllung wird dann mit einem geeigneten Lack imprägniert und gebrannt. Ein derartiger Draht, wie er beispielsweise für die Windungen von Elektromotoren verwendet wird, besitzt eine sichere anorganische Zwischenschicht zwischen den Windungen des Drahtes und erlaubt den Betrieb des Motors bei höheren Temperaturen, d. h. bei Temperaturen bis zu 130° C (Klasse B), wenn ein üblicher Lack vom öltyp verwendet wird, oder bis zu 180° C (Klasse H), wenn ein Silikonlack verwendet wird.

Der nach den bisher bekannten Verfahren hergestellte glasisolierte Draht besitzt gewisse Nachteile, die seine Anwendbarkeit beschränken. Da die Glasisolation dazu neigt, beim Biegen des Drahtes sich zu spalten oder zu öffnen, ist seine Biegsamkeit sehr gering. Er besitzt nur eine geringe Scheuerfestigkeit und einen niedrigen Füllfaktor. Das letztere liegt normalerweise daran, daß eine beträchtliche Menge Lack auf die Isolation aufgebracht wird, um deren Scheuerfestigkeit zu erhöhen. Auch haftet die gelackte Glasisolation nicht gut am darunterliegenden Draht. Diese Nachteile sind seit vielen Jahren bekannt und bestehen immer noch, obwohl viele Versuche zu ihrer Überwindung gemacht worden sind. Sie begrenzen dadurch die Anwendung von glasisoliertem Draht.

Man hat auch schon vorgeschlagen, elektrische Leiter mit Glasfaserbändern zu umwickeln und dann mit einem Silikonharz von teigiger oder fettartiger Beschaffenheit zu imprägnieren. Dieses Verfahren ist nicht nur verhältnismäßig umständlich in der Durchführung, sondern es hat weiter noch die Nachteile, daß die so hergestellte Isolation sich beim Biegen des Drahtes öffnet und sehr scheuerempfindlich ist.

Die Nachteile der bekannten Verfahren und der durch sie erzeugten Isolation werden entsprechend der Erfindung dadurch behoben, daß Glasfasern und Fasern aus einem verflüssigbaren, vorzugsweise organischen, dielektrischen Material zu einem Faden vereinigt bzw. zusammengedrillt werden und daß ein oder zugleich mehrere so entstandene Fäden auf den Leiter aufgewickelt werden. Die verflüssigbaren Bestandteile der .Fadenlage oder Fadenlagen werden dann vorübergehend verflüssigt, so daß sie zwischen die Glasfasern und auf den Leiter oder eine auf diesem befindliche Zwischenschicht laufen und nach dem

Verfahren zum Aufbringen von Glasfasern enthaltenden Isolationsschichten

auf elektrische Leiter

Anmelder:

Phelps Dodge Copper Products Corporation New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Kuhn, Patentanwalt, Berlin-Dahlem, Wildpfad 3

Robert Neil McKnight, Fort Wayne, Ind. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Erhärten die Glasfasern zusammen und an den Leiter oder die Zwischenschicht binden.

Durch dieses Verfahren entsteht eine im ganzen kontinuierliche Isolationsschicht, in der die Glasfasern des zusammengesetzten Hüllfadens sicher eingebettet und im wesentlichen von dem geschmolzenen organischen Material umgeben sind. Infolge des hohen Schmelzpunktes von Glas und seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Lösungsmitteln für das organische Material oder gegenüber dem organischen Material selbst werden die Glasfasern des zusammengesetzten Fadens auf dem Draht von dem Schmelzvorgang nicht beeinflußt. Es spielt dabei keine Rolle, ob das organische, dielektrische Material auf chemischem oder thermischem Wege verflüssigt wird. In der bisher üblichen Weise auf den Draht aufgewickelte Glasfasern müssen mit einem gebrannten Harzlack imprägniert und ummantelt werden, um den zerbrechlichen und nicht biegsamen Glasfasern einen gewissen Schutz zu geben. Eine entsprechende Biegsamkeit, Scheuerfestigkeit, Haftung und Verformbarkeit der Isolation können mit diesem Verfahren zum Imprägnieren und Brennen des Lackes nicht erreicht werden, da das enge Aneinanderliegen der aufgewickelten Glasfasern jedes stärkere Eindringen des Imprägnierlackes verhindern. Ein Aufbringen von Lack auf die oberste Glasfaserumwicklung hilft nur wenig, da dadurch der Draht einen größeren Durchmesser und damit einen kleineren Füllfaktor erhält.

Entsprechend der Erfindung dient der schmelzbare organische Faserteil des obenerwähnten zusammengesetzten Fadens nach dem Schmelzen als Imprägnierst» 599/443

oder Bindemittel für die Glasfasern und gibt dem so isolierten Draht bessere physikalische Eigenschaften. Auf diese Weise dringt das Imprägnier- oder Bindemittel besser zwischen die auf dem Draht aufgewickelten Glasfasern ein, als es bei dem bisher üblichen Verfahren möglich ist. Weiter ist die Lage des Imprägnier- oder Bindemittels auf der ganzen Länge des Drahtes gleich dick, während sie bei den bisher üblichen Glasfaserisolationen in einem beträchtlichen Bereich schwankt. Auch macht die Anwendung des Imprägniermittels in der Erfindung entsprechender Weise es möglich, ein Material als Imprägniermittel zu benutzen, welches infolge seiner Unlöslichkeit als Lack schlecht oder überhaupt nicht aufgebracht werden kann.

Ein der Erfindung entsprechend hergestellter isolierter Draht besitzt, wie auch bisher üblich, eine sichere anorganische Zwischenlage aus Glas zwischen den Windungen des Drahtes, wenn dieser etwa zu einer Spule aufgewunden ist, und überwindet außerdem die Beschränkungen, die durch die bisher übliche Glasisolation notwendig waren. Er besitzt eine hohe Scheuerfestigkeit, erheblich größere Biegsamkeit und eine beträchtlich verbesserte Haftung zwischen Isolation und dem darunterliegenden Leiter. Außerdem hat der so isolierte Draht eine dünnere Isolierschicht und damit einen besseren Füllfaktor. Dementsprechend ermöglicht die Erfindung eine erheblich weitere Anwendung von glasisoliertem Draht.

Der Glasfaserteil der zusammengesetzten Isolierung stellt die tragende anorganische Zwischenlage dar, die den Abstand von Draht zu Draht in Spulen oder Windungen auch bei Temperaturen über 130° C aufrechterhält. Das Imprägnierungs- oder Bindemittel schützt die spröde und wenig biegsame Glasfaser vor dem Überdehnen, Verdrehen, Biegen und Abschaben, während der Verarbeitung, der Benutzung und dem Winden desselben zu Spulen. Sind die Windungen einmal gewickelt, so ist eine geringe Erweichung oder Versprödung des Bindemittels bei der Arbeitstemperatur nicht weiter schädlich, da hauptsächlich die Glasfasern als Isolation wirken. Von besonderer Bedeutung ist es, daß eine Verkohlung des Bindemittels bei der Arbeitstemperatur infolge der hohen Temperaturbeständigkeit der bei dem der Erfindung entsprechenden Verfahren als Bindemittel verwendbaren Stoffe vermieden wird, da Kohle bis zu einem bestimmten Grad ein elektrischer Leiter ist und die Bildung von elektrischen Funken, Kurzschlüssen und erwärmten Stellen ermöglicht.

Wie bereits oben gesagt, ist das organische dielektrische Material nicht nur gießbar, sondern besitzt auch die Form von Fasern, so daß es mit den Glasfasern kombiniert werden kann und das kombinierte Garn in der üblichen Weise auf den Draht aufgewikkelt werden kann. Das organische dielektrische Material ist vorteilhaft ein thermoplastisches Harz, dessen Schmelzunkt über 200° C und genügend weit unter dem Schmelzpunkt von Glas Hegt. Zum Schmelzen wird der umwickelte Draht auf den Schmelzpunkt des Harzes oder etwas darüber erwärmt. Um ein möglichst gutes Ergebnis zu erzielen, soll das für die schmelzbare Faser gewählte dielektrische Material gute Hafteigenschaften besitzen, so daß es an Glas, Kupfer oder auch anderen Unterschichten aus gebranntem Lack oder sonstigen Isolationsschichten haftet. Es soll neben guter Festigkeit, Zähigkeit und Alterungsbeständigkeit eine gute chemische Wärmebeständigkeit haben, so daß es Temperaturen von etwa 130 bis 180° C aushält, ohne zu verkohlen, zu verspröden oder sonstwie verschlechtert zu werden. Es gibt eine Reihe von Harzen, die viele dieser Eigenschaften im ausreichenden Maß besitzt, jedoch wird man aus praktischen Gründen gewöhnlich solche auswählen, die im Handel in Form von Fasern oder Fäden verfügbar sind. Das Kondensationspolymerisat von Terephthalsäure und Äthylenglykol ist besonders geeignet. Es besitzt nicht nur alle obenerwähnten Eigenschaften in hohem Maß, sondern hat auch eine

ίο große Widerstandsfähigkeit gegen Lösungsmittel und eine hohe chemische Lebensdauer (es oxydiert nicht und verschlechtert sich nicht merklich bei Arbeitstemperaturen im Bereich von 130 bis 180° C) und ist gut geeignet für das Umwickeln von Drähten mit hohen Geschwindigkeiten. Zur Veranschaulichung wird die Ausführung der Erfindung weiter unten unter Verwendung des genannten organischen dielektrischen Materials beschrieben, obwohl natürlich auch andere organische dielektrische Faserstoffe Verwendung finden können, die im wesentlichen dieselben Eigenschaften haben.

Bei der vorzugsweisen Ausführung der Erfindung wird der Faden aus dem Kondensationspolymerisat von Terephthalsäure und Äthylenglykol in Form von vielen einzelnen Fädchen mit dem Glasfaden, der auch in Form dieser Einzelfädchen ist, dadurch kombiniert, daß die verschiedenen Fäden zusammengedreht werden, um so einen neuen Faden zu bilden. Von diesem werden mehrere nebeneinandergelegt, um so ein kombiniertes Hüllband zu bilden, welches in einer oder mehreren Lagen oder Hüllen um den Leiter gewickelt wird. Das geschieht in ähnlicher Weise, wie bisher Glasfäden auf die Leiter aufgebracht wurden. Der umwickelte Draht wird dann bei Temperaturen von 250 bis 500° C durch einen Ofen geführt, so daß das Kondensationspolymerisat von Terephthalsäure und Äthylenglykol schnell flüssig wird. Da die schmelzbaren Fasern in jedem Faden um die Glasfasern gedreht sind, fließt der schmelzbare Stoff zwischen die Windungen der Glasfasern auf dem Leiter und auf den Leiter selbst. Er bildet dadurch eine im ganzen zusammenhängende Isolation, in der die Windungen der ungeschmolzenen Glasfasern eingebettet sind. Um das Aussehen des isolierten Drahtes zu verbessern, kann ein dünner Mantel von geeignetem Lack während des Schmelzvorganges auf die hergestellte Wicklung aufgebracht werden, um die Glasfasern, die während des Wickelvorganges gebrochen sind, nach unten zu halten.

Die schmelzbaren Fasern und Glasfasern können auch in anderer Weise zu einem Hüllgarn kombiniert werden. Das Hüllgarn kann aus auszuwechselnden Fäden von schmelzbaren Fasern und von Glasfasern bestehen. Auch kann jeder Faden aus vielen kleinen Fasern von schmelzbarem Stoff und Glas bestehen, die, innig und einheitlich in einem gewünschten Mengenverhältnis gemischt, wie bei normalen Glashüllfäden zusammengesponnen und gedreht werden.
Wenn gewünscht, kann vor dem Umspinnen mit Glas- und schmelzbaren Fasern ein Isolierfilm auf den Leiter aufgebracht werden, so daß der Isolierfilm unter die Glaswindungen und das geschmolzene Produkt zu liegen kommt.

In den Zeichnungen ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines der Erfindung entsprechenden Verfahrens zur Isolierung von Drähten; sie zeigt die Bildung des kombinierten Fadens aus Glasfasern und schmelzbaren Fasern und das Aufwickeln des Fadens auf den Leiter;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Teiles des isolierten Drahtes nach dem Schmelzvorgang;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird bei der Vorzugsweisen Ausführung der Erfindung ein Faden 10 aus einem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und Äthylenglykol oder einem anderen schmelzbaren Isoliermaterial mit einem Glasfaden 11 durch Zusammendrehen der beiden Fäden wie bei 12 kombiniert, so daß ein Faden 13 entsteht. Zum Faden 13 kommen dann noch mehrere ihm gleichartige Fäden 13 a hinzu, so daß ein Hüllband 13 b entsteht, das aus parallelen Fäden besteht, von denen jeder aus den kleineren Fäden 10 und 11 aus schmelzbarem Isoliermaterial bzw. Glas besteht. Das Hüllband 13 δ wird ähnlich hergestellt wie reines Glashüllband, mit dem einzigen Unterschied, daß an Stelle des Zusammendrillens von zwei Glasfaden, um den Faden 13 zu bilden, ein Glasfaden und ein Faden aus schmelzbarem Isoliermaterial zusammengedrillt werden.

Das kombinierte Hüllband 13 & ist zu geeigneten Ballen (nicht gezeigt) aufgewunden, wie sie normalerweise bei schnell laufenden automatischen Maschinen zum Umwickeln von Drähten Verwendung finden. Der zu isolierende Draht 14 läuft durch die Umhüllmaschme und wird dort mit mindestens einer Hülle des Hüllbandes 13 b umwickelt, in ähnlicher Weise, wie Glasfaden bzw. -band auf solche Drähte aufgebracht wird. Im Ergebnis ist der schmelzbare Faden 10 in inniger Berührung mit dem Glasfaden 11 auf den Leiter 14 aufgewickelt, so daß die Windungen dieser zwei verschiedenen Fäden eine Umhüllung 15 bilden. Wenn erwünscht, kann der Draht vor dem Aufbringen der Umhüllung 15 mit einem gebrannten Isolierfilm 14α versehen werden. Die Isolierfilmunterlage 14 a kann aus einem üblichen ölharzlack, PoIyvinylacetal-Polyamid, Polyvinylacetal und Polyamid oder einem anderen synthetischen Harz bestehen.

Nach dem Umwickeln wird der Leiter 14 mit seiner Umhüllung durch einen in den Zeichnungen nicht gezeigten Ofen geführt, in welchem er auf eine Temperatur im Bereich von etwa 250 bis 500° C erwärmt wird. Dadurch schmilzt der schmelzbare Faden 10 rasch. Um das Aussehen des Produkts zu verbessern, ist es erwünscht, diesen Schmelzvorgang mit der Aufbringung einer sehr dünnen Mantelschicht aus einem geeigneten Lack auf die Umhüllung 15 zu verbinden. Das kann so durchgeführt werden, wie auch früher das Aufbringen von Lack auf glasumwickelten Draht üblich war. Auf diese Weise werden sämtliche losen Glasfasern, die während des Umwickeins eventuell gebrochen sein könnten, von dem Lack während der Schmelzoperation nach unten gezogen und ragen nicht über die Oberfläche der Isolation hinaus.

Durch die Erwärmung in der aufgewickelten Umhüllung 15 auf die Schmelztemperatur des Fadens 10 wird dieser auf dem Leiterdraht und in inniger Berührung mit dem Glasfaden 11 geschmolzen, welch letzterer von der Erwärmung nicht beeinflußt wird. Das Ergebnis dieser Erwärmung ist eine teilweise geschmolzene Isolation, die aus dem ungeschmolzenen Glasfaden 10 besteht. Das um den Glasfaden gedrillte organische dielektrische Material läuft nun beim Schmelzen zwischen die Windungen des Glasfadens und unmittelbar auf den Leiter 14 oder auf den diesen umhüllenden Isolationsmantel 14 a·, wie bei 10 a· in Fig. 2 und 3 gezeigt. Auf diese Weise bildet das geschmolzene organische dielektrische Material 10 a eine praktisch ununterbrochene Isolation, in welche der ungeschmolzene Glasfaden 11 sicher eingebettet ist, d. h., das geschmolzene Material 10 a hält die Windungen des Glasfadens 11 zusammen und bindet sich an den Leiter 14.

Versuche haben gezeigt, daß ein nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellter isolierter Draht dem bisher bekannten glasisolierten und mit Lack überzogenen Draht weit überlegen ist, und zwar sowohl was die Scheuerfestigkeit und Haftfähigkeit anbetrifft als auch die Biegsamkeit und den Füllfaktor. Die Ergebnisse von Vergleichsversuchen sind in der Tabelle gezeigt.

Vergleich zwischen 16 Π-Kupferdraht mit einer doppelten Umhüllung von gewöhnlichem Glasfaden (A) und dem gleichen Draht mit einer doppelten Umhüllung von Glas und einem Kondensationspolymerisat

von Terephthalsäure und Äthylenglykol (B)

	A	Prüfart	B
	0,219 bis 0,226 mm		0,178 bis 0,183 mm
Durchmesserzuwachs
Abschleifversuch:
1,145 mm Nadel —	128 Perioden		1000 und mehr Perioden
650 g (normal)
1,145 mm Nadel —	13 Perioden		75 Perioden
1300 g (doppelt)	Röhrenbildung und Abplatzen,		weder Röhrenbildung noch Ab
Dehnung bis zum Bruch	Anhaften	kein	platzen, hervorragendes Anhaften
	die Glaswindungen trennen sich		eine Trennung tritt nicht auf
Biegeversuche: IX Mandrel
Dielektrische Durchschlagsfestigkeit	600 bis 800 V		700 bis 800 V
in Bleischrot

Infolge ihrer verbesserten Biegsamkeit bleibt die der Erfindung entsprechende Isolierumhüllung selbst unter schwierigen Bedingungen bei der Herstellung und beim Zusammenbau, wie etwa bei der Fabrikation von Elektromotoren, auf dem Draht in Ordnung. So ermöglicht es beispielsweise die der Erfindung entsprechende Isolierhülle, wenn sie auf Draht von rechteckigem Querschnitt aufgebracht ist, diesen Draht über die Kante zu biegen, ohne die Isolation zu verletzen. Das ist ein besonderer Vorteil bei der Motorenfabrikation. Es gibt viele Stellen, an denen Drähte von rechteckigem Querschnitt scharf über die

Kante gebogen werden müssen, und die Erfahrung hat gezeigt, daß bei praktisch allen glasisolierten Drähten der bisher bekannten Art (Glasfasern und Lack) die Isolation bricht oder aufspaltet, wenn der Draht derart gebogen wird. Die Isolation wird hier also stark verletzt. Werden derartige Drähte dagegen entsprechend der Erfindung isoliert, so können sie ohne Beschädigung der Isolation über die Kante gebogen werden. Die Isolation bleibt dadurch als sichere Zwischenlage zwischen den Drahtwindungen auf der gan- xo zen Länge des Drahtes bestehen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbringen von Glasfasern enthaltenden Isolationsschichten auf elektrische Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß Glasfasern (11) und Fasern (10) aus einem verflüssigbaren, vorzugsweise organischen, dielektrischen Material zu einem Faden (13) vereinigt bzw. zusammen- ao gedrillt werden, daß ein oder zugleich mehrere so entstandene Fäden (13) auf den Leiter (14) aufgewickelt werden und daß die verflüssigbaren Bestandteile (10) der Fadenlage (15) oder der Fadenlagen vorübergehend verflüssigt werden, so daß sie zwischen die Glasfasern (11) und auf den Leiter (14) oder eine auf diesem befindliche Zwischenschicht (14a) laufen und nach dem Erhärten die Glasfasern zusammen und an den Leiter oder die Zwischenschicht binden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Anwendung kommende verflüssigbare dielektrische Material bei Temperaturen bis zu etwa 180° C nicht verkohlt und einen noch höher liegenden Schmelzpunkt hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als verflüssigbares dielektrisches Material ein Kondensationspolymerisat von Terephthalsäure und Äthylenglykol dient.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorübergehende Verflüssigung des verflüssigbaren Materials durch Schmelzen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzen durch kontinuierliches Hindurchführen des umwickelten Leiters durch einen Heizofen bewirkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht (15) aus Glasfasern und verflüssigbarem Material auf den Leiter (14) eine gehärtete Isolierschicht (14as) aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Glasfasern enthaltende Isolierschicht (15) eine Lackschicht aufgebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 963 328;
britische Patentschrift Nr. 563 043.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 809 5W/443 8.58