DE1816234B2

DE1816234B2 - Belastungs- und durchbrennfeste Elektromagnetwicklung

Info

Publication number: DE1816234B2
Application number: DE1816234A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Imai; Tamotsu Matsubara; Osamu Takenaka
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1968-04-09
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1974-03-21
Also published as: DE1816234C3; DE1816234A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklung aus einem mit einem Kunststoffüberzug versehenen Draht, die mit einer Mischung aus einem Epoxydharz und einem Härter imprägniert ist und die sich als Rotor- und Statorwicklung od. dgl. in der Elektromaschine eines Kraftfahrzeugs oder eines elektrisch betriebenen Werkzeugs eignet.

Die elektrische Wicklung soll gegen mechanische Belastung, z. B. Zentrifugalkräfte und Vibrationsstöße, stabil und elektrisch belastungsfähig sein. Es besteht heutzutage das Bestreben, die Geschwindigkeit der Kraftfahrzeuge zu erhöhen, die in diese eingebauten Maschinen klein zu machen sowie elektrisch betriebene Werkzeuge unter schwierigen Bedingungen zu benutzen und diese klein und leicht zu machen. Dies erfordert eine Elektromagnetwicklung, die nicht auf Grund der Zentrifugalkräfte und Vibrationsstöße blockiert und nicht während des blockierten Betriebs durchbrennt.

Im Hinblick auf diese Erfordernisse sind zwar ausgezeichnete hitzebeständige Drähte entwickelt und, soweit sich ihre Herstellung auf den isolierten Draht beschränkte, hervorragende durchbrennfeste Elektromagnetwicklungen erzeugt worden. Das Problem, aus diesen Drähten eine Wicklung herzustellen, die mechanisch belastungsfest oder in Verbindung mit einer entsprechendenBelastungs-Viderstandsfähigkeitdurchbrennfest ist, wurde jedoch noch nicht gelöst.

Man hat bereits versucht, die erwähnte Elektromagnetwicklung dadurch belastuiigsfest zu machen, daß man sie mit einem Lack vom Lösungsmitteltyp als Bindemittel zur gegenseitigen Befestigung der Drahtwindungen tränkte. Unter derartigen Bindemitteln wird ein besonders hitzebeständiger Lack, beispielsweise ein Amidimid-Lack verkauft, der trotz seiner überlegenen Durchbrenn-Festigkeit schlechte Belastungsfestigkeit aufweist. Außerdem besteht in der Verwendung des Bindemittels ein beträchtlicher Nachteil insofern, als es infolge der Notwendigkeit, ein Herabtropfen des Lackes zu verhindern, sowie der Zeit, die das Lösungsmittel zum Trocknen und Wärmehärten benötigt, schlechte Verarbeitbarkeit mit sich bringt. Es wurde daher versucht, mechanisch belastungsfähige Wicklungen zu erzeugrj, indem man sie mit einem flüssigen Gemisch tränkt, das aus einem als eine Art Lack vom Nichtlösungsmitteltyp bekannten Epoxydharz sowie einem entsprechenden Härter besteht. Durch geeignete Auswahl des einem solchen Lack vom Nichtlösungsmitteltyp wie dem Epoxydharz zuzusetzenden, die Härtezeit verkürzenden Härters lassen sich somit Wicklungen mit hervorragender mechanischer Belastungsfestigkeit erzielen. Die Verwendung des genannten Lacks vom Nichtlösungsmitteltyp hat jedoch einige Nachteile, die darin bestehen, daß der Lack für um so kürzere Dauer lagerfähig ist, je kürzer die Härtezeit ist, und daß er schwierig zu handhaben ist. Außerdem hat sich gezeigt, daß im Fall der Verwendung eines hitzebeständigen, mit dem Lack vom Nichtlösungsmitteltyp imprägnierten Drahtes zur Verbesserung der Durchbrennfestigkeit der wesentlichste Nachteil darin besteht, daß beispielsweise dann, wenn die Wicklung sich infolge Stromführung im blockierten Zustand auf höhere Temperaturen erwärmt, die Wicklung unterhalb der Erweichungstemperatur des für den elektrischen Draht benutzten Isolationsüberzuges durchbrennt und kurzschließt; dies bedeutet, daß die Verwendung eines derartigen hitzebeständigen Drahtes keine Lösung des geschilderten Problems bringt.

Elektrische Wicklungen mit Isolierungen aus einem ein- oder mehrschichtigen Überzug des Drahtes aus Polyester, Polyesterimid, Polyimidamid, Polyimidazolon, Polyimid oder einem aus diesen Stoffen modifizierten Material sind bekannt. Bei derartig isolierten Drähten ist die kurzzeitig maximal zulässige Betriebstemperatur hauptsächlich durch den Erweichungspunkt der Isolierung bestimmt.

Diese bekannten Wicklungen weisen die Nachteile auf, daß ihre Herstellung schwierig ist, weil die üblichen Imprägnierlacke zu kurze Verarbeitungszeiten haben und daß die Wicklungen bei elektrischer Überlastung bereits bei einer Temperatur in der Wicklung durchbrennen, die weit unterhalb der für den verwendeten isolierten Draht kurzzeitig zulässigen Temperatur liegt.

Ferner sind Isolierlacke aus z. B. Epoxydharz, gegebenenfalls mit einverleibten Härtern für elektrische Wicklungen, bekannt.

Bei Verwendung von mit derartigem Nichtlösungsmittel-Lack beschichteten Wicklungen hat sich herausgestellt, daß das aus dem Lack vom Nichtlösungsmitteltyp, beispielsweise flüssigen Epoxydharz, und dem Härter bestehenden Gemisch bei erhöhter Temperatur auch nach dem Wärmehärten trockendestilliert und daß dies zur Bildung eines Teers mit niedrigerem Molekularzustand führt, der bewirkt, daß die

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Isolationsschichten auf dem. Draht schwellen, sich destens 800 und einem Zusatz des obenerwähnten abschälen und zum Kurzschluß bei einer Temperatur Härters als Bindemittel für isolierte Drähte unterhalb das Erweichungspunktes der Isolations- macht die verbundene Elektromagnetwicklung nicht schichten führen. Bei derartigen Untersuchungen hat nur weitgehend durchbrennfest und verhindert Kurzsich auch gezeigt, daß der verwendete Draht beim 5 Schlüsse zwischen den Windungen, sondern erzeugt Auftreten eines Kurzschlusses zwischen den Leitern eine mechanische Belastungsfestigkeit, die derjenigen eine Temperatur von nicht weniger als 300⁰C aufweist, bei Verwendung eines flüssigen Epoxydharzes mit wenn die isolierten Drahtlagen einander rechtwicklig einem entsprechenden härtenden Zusatz glexhwertig kreuzen, und mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 3°C oder überlegen ist.

pro Minute aufheizt, wenn dem isolierten Draht unter io Die elektrische Wicklung der Erfindung ist also

einer Belastung von 200 g an der Kreuzungsstelle eine mechanisch stark belastungsfähig und besitzt fest ver-

Wechselspannung von 100 Volt zugeführt wird. bundene Windungen sowie eine Durchbrennfestigkeit,

Diese Tatsachen wurden auch dadurch bestätigt, die derjenigen des eigens verwendeten hitzebeständigen

daß dann, wenn der mit einem hitzebeständigen isolierten Drahtes selbst gleichwertig oder überlegen ist.

Isoiationsmaterial beschichtete Draht in ein flüssiges 15 Das als Imprägnierung verwendete Epoxydharz mit

monomeres Epoxydharz eingetaucht und in diesem einem durchschnittlichen Molekulargewicht über 800

Zustand erhitzt wurde, der Überzug bei einer Tem- darf keine auf einem Säureanhydrid ausgebauten

peratur anschwoll, die um 100 bis 150" C unter ihrem Härter enthalten.

Erweichungspunkt lag. Diesem Phänomen ist zu enu Außerdem hat sich herausgestellt, daß sich ein

nehmen, daß der obenerwähnte trockendestillierte 20 rasch aushärtendes, leicht zu handhabendes und lange

Teer eine dem flüssigen monomeren Epoxydharz lagerfähiges Bindegemisch erzeugen läßt, indem man

gleiche Komponente enthält, die dazu führt, daß die das obenerwähnte verhältnismäßig hochmolekulare

Isolationsschicht schwillt und sich abschält. Epoxydharz mit einem Imidazol-Schnellhärter kom-

Schließlich sind elektrische Wicklungen bekannt, biniert, der bei Zimmertemperatur fest ist und bisher

deren isolierter Draht einen IsoIicTstoffüberzug auf- 25 als ungeeignet zum Härten von flüssigen Epoxydharzen

weist und die mit einer Mischung aus einem Epoxyd- angesehen worden ist. Die Verwendung eines solchen

harz und einem Härter auf Basis von Anhydriden Bindemittels ergab sich aus der Überlegung, daß beide

imprägniert sind. Die bekannten Imprägnierlacke auf Komponenten fest sind. Bei Verwendung eines Imid-

Basis von Epox; den mit aus einem Säureanhydrid azolhärters zeigt das Epoxydharz, wie oben erwähnt,

aufgebauten Härtern führen selbst dann leicht zum 30 weitere beachtliche Eigenschaften.

Kurzschluß der imprägnieren V> xklung, wenn das Ein Beispiel für einen solchen Imidazol-Schnellhärter

Epoxydharz ein mittleres Mcie.kula-gewicht von min- läßt sich z. B. durch die folgende Formel wiedergeben: destens 800 besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist demgemäß, eine elektrische Wicklung zur Verfügung zu stellen, die neben 35 ^Ri
großer mechanischer Belastungsfähigkeit hervorragende elektrische Eigenschaften aufweist und weitgehend N = C,
durchbrennfest ist. j NH

Die elektrische Wicklung der Erfindung aus einem

mit einem Kunststoffüberzug versehenen Draht, die 40 C -= C
mit einer Mischung aus einem Epoxydharz und einem

Härter imprägniert ist, ist dadurch gekennzeichnet, R₂ R3
daß der Kunststoffüberzug aus mindestens einer
Sticht aus Polyester, Polyesterimid, Polyimidamid,

Polyimidazolon oder Polyimid besteht, wobei derartig 45 Darin sind R₁, R₂ und R₃ gleich oder verschieden

isolierte Drähte bei rechtwinklig kreuzender Über- und bezeichnen ein Wasserstoffatom und/oder Alkyl-

einanderlagerung und Erhitzung mit einer Geschwin- gruppen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. Derartige

digkeit von 2 bis 3°C je Minute unter Wechsel- Verbindungen sind 2-MethylimidazoI, 2-Undecylimid-

spannung von 100 Volt sowie einer Belastung von 37ol, 2-Äthyl-4-methylimidazol, 1-Butylimidazol

200 g an der Kreuzungsstelle eine Kurzschlußtempe- 50 und dgl.

ratur von über 300⁰C aufweisen, daß ferner das Epo- Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Er-

xydharz ein durchschnittliches Molekulargewicht von findung.

über 800 hat und daß der Härter vom Amin-, Amid-, Tabelle I zeigt die Belastungs- und Durchbrenn-

BF₃-Monoäthylamin- oder Imidazoltyp ist. festigkeit sowie die Leistungsfähigkeit von Elektro-

Vorzugsvvcise soll das Epoxydharz ein durchschnitt- 55 magnetwicklungen nach der vorliegenden Erfindung liches Molekulargewicht von 1400 haben und der sowie zum Vergleich von solchen nach herkömmlicher Härter aus Diaminodiphenylmethan bestehen. Gemäß Technik, Die Eiektromagnetwicklungen sind als Rotorder Erfindung kommt ferner ein Imprägniermittel, be- wicklungen eines ^-Volt-Scheibenwischermotors für stehend aus einem pulverisierten Gemisch aus Epoxyd- ein Kraftfahrzeug bestimmt und bestehen aus einem harz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht 6° in 28 Windungen auf einem Rotorkern mit 12 Nuten von 800 bis 3800 und einem pulverisierbaren Imid- aufgewickelten und mit einem speziellen Lack isoazolhärter mit Schnellhärtungseigenschaften, besonders lierten Draht von 0,6 mm Durchmesser,
bevorzugt in Betracht. Ferner sind Epoxydharze mit Tabelle II zeigt in gleicher Weise Wicklungen, die einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 1400 als Rotorwicklungen eines 12-Volt-Waschermotors in Kombination mit einem Härter aus 2-Methylimid- 65 für ein Kraftfahrzeug bestimmt sind ur.d aus einem azol bevorzugt. in 55 Windungen auf einen Rotorkern mit 5 Nuten

Die Verwendung eines derartigen Epoxydharzes mit aufgebrachten und mit einem speziellen Lack isolierten

einem durchschnittlichen Molekulargewicht von min- Draht von 0,22 mm Durchmesser bestehen.

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In den Tabellen I und Π sind sowohl bei den Er^p.ndungsbeispielen als auch bei den Vergldchsbeispielen der isolierte Draht und die Befestigungsmasse eigens angegeben.

Das Verfahren zur Verbindung der Drahtwindungen wird nicht im einzelnen erklärt. Bei den Beispielen 1, 2 und 3 der Tabelle I sowie bei den Beispielen 5, 6, 7 und 8 der Tabelle II wurden die Elektromagnetwicklungen jeweils folgendermaßen hergestellt: 100 Gewichtsteile eines Epoxydharzes mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 1400 (wie es von der Shell Chemical Company unter dem Warennamen Epicote 1004 vertrieben wird) wurden mit 17 Gewichtsteilen Diaminodiphenylmethan (als DDM bezeichnet) versetzt, das Gemisch wurde dann unter Kneten geschmolzen und nach Kühlung zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von 80 mesh (etwa 200 Mikron Durchmesser) zerkleinert. Jede der so hergestellten Wicklungen wurde auf 16O⁰C aufgeheizt, durch Eintauchen in ein Fließbett dieses Pulvers mit dem so entstandenen Bindege:.lisch beschichtet und imprägniert und schließlich in einem Ofen 30 Minuten lang bei 180⁰C ausgehärtet. In dem Beispiel 4 der Tabelle I und im Beispiel 9 der Tabelle II wurde ein Bindegemisch zubereitet, in dem 100 Gewichtsteile des gleichen Epoxydharzes wie oben (Epicote 1004), das vorher auf eine zum Mischen geeignete Teilchengröße grob pulverisiert worden war, mit einem Gewichtsteil 2-Methylimidazol (als 2-MI bezeichnet), das ebenfalls auf die gleiche Weise pulverisiert worden war, gemischt wurden, indem ferner das Gemisch unter Kneten geschmolzen wurde, wobei jedoch nur so stark geknetet wurde, daß nicht die Aushärtereaktion ausgelöst wurde und indem das Gemisch abgekühlt und zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von 80 mesh zerkleinert wurde. In beiden Fällen wurden die Elektromagnetwicklungen wie oben durch Ein-

tauchen in das Fließbett des Pulvers mit dem Bindegemisch beschichtet und imprägniert und im Anschluß daran im Ofen 2 Minuten lang bei 180^cC ausgehärtet. Bei den Elektromagnetwicklungen der Vergleichsbeispiele 1, 2, 3 und 4 der Tabelle I sowie der Beispiele 6, 7, 8 und 9 der Tabelle II handelte es sich um herkömmliche Wicklungen. Dabei wurde in dem Vergleichsbeispiel 4 ein Amidimid-Lack, der bekanntlich unter den Lacken vom Lösungsmitteltyp eine überlegene Hitzebeständigkeit ruf weist, sowie ein Gemisch aus einem flüssigen Epoxydharz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht zwischen 350 und 400 (mit dem Warennamen Epicote 828) jowie einem entsprechenden Härter verwendet, wobei gegenüber dem in den übrigen Beispielen verwendeten Lack vom Nichtlösungsmitteltyp anerkanntermaßen eine überlege;);; Belastungsfestigkeit gegeben ist. In den Vergleichsbeispielen 5 und 10 sind außerdem Wicklungen ohne Lackbehandlung gezeigt.

Tabelle I

	Verwendeter	Binde	Belastungs	Durchbrenn-Festigkeit	iromatisches Amin).	Kerntemperatur	Leistungsfähigkeit	Lager
Beispiel	isolierter Draht	gemisch	festigkeit		beim Durch		haltbarkeit
			(Zcntrifugal-	benötigte Zeit	brennen	Aushärtungs	des Binde
			tcst)	(Minuten)	(⁰C)	bedingungen	gemisches
Nr.	Polyester	Epicote	Upm (Minuten)		380		> 3 Monate
Beispiel 1	isoliert	1004 DDM	25 000 (5)	42		180°C
						30 Minuten
	Polyamid-	Epicote			400	lang	> 3 Monate
Beispiel 2	imid-isoliert	1004 DDM	25 000 (5)	186		180⁰C
	Polyimid-	Epicote			>403	30 Minuten	>3 Monate
Beispiel 3	azolon-isoliert	1004 DDM	25 000 (5)	>300		lang 180-C
						30 Minuten
	Polyamid-	Epicote			400	lang	> 3 Monate
Beispiel 4	imid-isoliert	1004 2MI	25 000 (5)	187		180° C
						2 Minuten
	Polyester	Epicote			350	lang	8 Stunden
Vergleichs	isoliert	828 Z*)	25 000 (5)	20		180° C
beispiel 1						6 Minuten
	Polyamid-	Epicote			365	lang	8 Stunden
Vergleichs	imid-isoliert	828 Z	25 000 (5)	28		180° C
beispiel 2	Polyimid-	Epicote			375	6 Minuten lang 180° C	8 Stunden
Vergleichs-	azolon-isoliert	828 Z	25 000 (5)	37		6 Minuten
beispie! 3	Polyamid-	Amidlack			400	lang >200°C	> 3 Monate
Vergleichs-	isoiiert		23 000	185		>2 Stunden
oeispiel 4	Polyamid-	ohne	gebrochen		400	lang
Vergleichs	sol'wk-i		14 000	189
beispiel 5		*) Warenzeichen eines Härters (modifiziertes	gebrochen

Tabelle II

	Verwendeter	Rinde	Belastungs	Durchbrenn-Festigkeit	Kerntemperatur	Leistungsfähigkeit	Lager
Beispiel	isolierter Draht	gemisch	festigkeit		beim Durch		haltbarkeit
			(Zentrifu gal	benötigte Zeit	brennen	Aushärtungs	des Binde
			test)	(Minuten)	CC)	bedingungen	gemisches
Nr.	Polyester- D	Epicote	Upm (Minuten)		360		> 3 Monate
Beispiel 5	isoliert	1004 DDM	30 000(5)	12		180=C
						30 Minuten
	Polyamid-	Epicote			465	lang	> 3 Monate
Beispiel 6	imid-isoliert	1004 DDM	30 000 (5)	42		180" C
						30 Minuten
	Polyester-poly-	Epicote			■466	lang	> 3 Monate
Beispiel 7	imid-isoliert in	1004 DDM	30 000(5)	>50		180 C
	zwei Schichten					30 Minuten
	Polyimid-	Epicote			:-466	lang	> 3 Monate
Beispiel 8	isoliert	1004 DDM	30 000 (5)	>50		180C
						30 Minuten
	Polyamid-	Epicote			465	lang	> 3 Monate
Beispiel 9	imid-isoliert	1004 2MI	30 000 (5)	42		180^:C
						2 Minuten
	Polyester	Epicote			270	lang	7 Stunden
Vergleichs	isoliert	82S BMI*)	30 000 (5)	6		180 C
beispiel 6						4 Minuten
	Polyamid-	Epicote			276	lang	7 Stunden
Vergleichs	imid-isoliert	828 EMI	30 000 (5)	7		180C
beispiel 7						4 Minuten
	Polyester-	Epicote			3SO	lang	7 Stunden
Vergleichs-	polyimid in	828 EMI	30 000(5)	17		180⁼C
beispiel 8	zwei Schichten					4 Minuten
	Polyimid-	Epicote			460	lane	7 Stunden
Vergleichs	isoliert	828 EMI	30 000 (5)	32		180"⁰C
beispiel 9	Polyamid-	ohne			465	4 Minuten
Vergleichs	imid-isoliert		28 000	42		lang
beispiel 10			Bewegung der
		oberen Lage

*) 2-Äthyl-4-methylimidazol.

Die so hergestellten Elektromagnetwicklungen wurden auf ihre Eigenschaften hinsichtlich Belastungsund Durchbrennfestigkeit untersucht. Als Maß für die Belastungsfestigkeit sind eine Drehzahl und die Zeit aneegeben. die erforderlich ist, damit eine Windung bricht, wenn die Wicklung einer Zentrifugalkraft ausgesetzt wird. Als Maß für die Durchbrenn-Festigkeit sind die bis zum Durchbrennen benötigte Zeit, der Durchbrennzyklus sowie die Temperatur des Kerns beim Durchbrennen angegeben, wobei im Fall des Scheibenwischermotors der Tabelle I die Wicklung einer kontinuierlichen Blockierung unterworfen war und dabei eine Gleichspannung von 145 Volt angelegt wurde, während im Fall des Waschmotors der Tabelle II die Wicklung einer intermittierenden Blockie- öS rung unterworfen wurde, indem die gleiche Spannung

zyklisch jeweils für 10 Sekunden angelegt und für 5 Sekunden abgeschaltet wurde. Als Maß für die Leistungsfähigkeit sind in beiden Tabellen die Aushärtungsbedingungen und die Lagerhaltbarkeit des verwendeten Bindegemisches angegeben.

Wie aus den Tabellen klar hervorgeht sind die erfindungsgemäßen Elektromagnetwicklungeri der Beispiele 1, 2, 3, 5, 6, 7 und 8 denjenigen der Vergleichsbeispiele 1, 2, 3, 6, 7, 8 und 9 hinsichtlich der Durchbrennfestigkeit erheblich überlegen, jedoch in ihrer Belastungsfestigkeit beinahe gleich. Ferner ist zu entnehmen, daß die Wicklungen der Beispiele 4 und 9 nicht nur hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, sondern auch der Belastungs- und Durchbrennfestigkeit erheblich überlegen sind.

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Wicklung aus einem mit einem Kunststoffüberzug versehenen Draht, die mit einer Mischung aus einem Epoxydharz und einem Härter imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffüberzug aus mindestens einer Schicht aus Polyester, Polyesterimid, Polyimidamid, Polyimidazolon oder Poly- iq imid besteht, wobei derartig isolierte Drähte bei rechtwinklig kreuzender Übereinanderlagerung und Erhitzung mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 3^CC je Minute unter Wechselspannung von 100 Volt sowie einer Belastung von 200 g an der Kreuzungsstelle eine Kurzschlußtemperatur von über 300⁰C aufweisen, daß ferner das Epoxydharz ein durchschnittliches Molekulargewicht von über 800 hat und daß der Härter vom Amin-, Amid··, BF₃-Monoäthylamin- oder Imidazoltyp ist.

2. Elektrische Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxydharz ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1400 hat und daß der Härter aus Diaminodiphenylmethan besteht.

3. Elektrische Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel ein pulverisiertes Gemisch aus Epoxydharz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 800 bis 3800 und einem pulverisierbaren Imidazolhärter mit Schnellhärtungseigenschaften ist.

4. Elektrische Wicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxydharz ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1400 hat und daß der Härter aus 2-Methylimidazol besteht.