DE19927520C2

DE19927520C2 - Gegen gepulste Spannungsstöße beständige Emaildrähte

Info

Publication number: DE19927520C2
Application number: DE19927520A
Authority: DE
Inventors: Chih-Min Jang; Ru-Shi Liu; Chi-Ting Du; Tsair-Shyang Huang; Yao-Chung Tu; Wen-Hsiung Liu; Wen-Cheng Wu; Tsen-Hsu Lin
Original assignee: Tai-I Electric Wire and Cable Co Ltd
Current assignee: Tai-I Electric Wire and Cable Co Ltd
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2019-06-17
Also published as: US6190770B1; TW412754B; DE19927520A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, daß konventionelle Typen von Geschwindigkeitsantrieben den Anforderungen in bezug auf Wirkungsgrad, Genauigkeit und Kosten nicht ge nügen können wegen ihrer hohen Installationskosten, ihres geringeren Dreh moments bei niedriger Geschwindigkeit, der hohen Wartungskosten und des hohen Energieverbrauchs. Zwar können Inverter vom Typ mit modulierter Im pulsbreite (PWM-Typ) den obengenannten Anforderungen genügen, es wurde jedoch gefunden, daß die Verwendung von PWM-Invertern zu einem vorzeiti gen Versagen von Emaildrähten führt wegen der hohen Spitzenspannungs werte, der gepulsten Spannungsstöße und der Oberschwingungen der Inver ter, die stark ansteigen und abfallen, und wegen der hohen Umschalt- Frequenzen. Insbesondere werden gepulste Spannungsstöße innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums in der Größenordnung von µs erzeugt, und dies be wirkt, daß die Temperatur plötzlich ansteigt (d. h. der Effekt von gepulsten Spannungsstößen auf die Temperatur ist signifikanter als derjenige einer Co ronaentladung). Der plötzliche Anstieg der Temperatur führt zu einer ther misch-oxidativen Zersetzung der Isolier-Überzugsschichten von Emaildrähten und verkürzt die Lebensdauer der Drähte.

In dem US-Patent Nr. 5 654 095 wird ein Versuch beschrieben, den obenge nannten Anforderungen zu genügen und darin ist ein gegen gepulste Span nungsstöße beständiger Emaildraht beschrieben, der gegen Spannungsstöße von bis zu 3000 Volt und gegen eine hohe Temperatur von bis zu 300°C be ständig ist, wobei die Steigerungs-Geschwindigkeit der Spannung mehr als 100 kV/µs und die Frequenz weniger als 20 kHz betragen. Der Emaildraht des US-Patents Nr. 5 654 095 ist charakterisiert durch die Zugabe von Metalloxid- Teilchen mit einer Teilchengröße von 0,05 bis 1 µm zu der Abschirmungs- bzw. Schutzschicht des Emaildrahts, um die gewünschte Beständigkeit gegen gepulste Spannungsstöße zu erzielen. Nach den Angaben in dem US-Patent Nr. 5 654 095 umfassen die Metalloxide, die auf wirksame Weise beständig sind gegen gepulste Spannungsstöße und die Lebensdauer von Emaildrähten erhöhen, Titandioxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, Eisenoxid und verschiedene in der Natur vorkommende Tone, z. B. solche, wie sie in den Zeilen 57-59 der Spalte 4 angegeben sind. Obgleich in den Bei spielen des US-Patents Nr. 5 654 095 das Metalloxid als Al₂O₃ erläutert wird, sind darin keinerlei Angaben über die Struktur von Al₂O₃ enthalten.

Es gibt zwei Hauptstrukturen von Al₂O₃, die α-Form und die γ-Form. Die α- Form ist eine trigonale (R-3CH)-Struktur, in der die Gitterkonstanten a = b = 4,8 Å (0,48 nm) und c = 13,0 Å (1,3 nm) und die Gitterwinkel α = β = 90° und γ = 120° betragen. Die γ-Form ist eine kubische (Fd-3mS)-Struktur, in der die Git terkonstanten a = b = c = 7,9 Å (0,79 nm) und die Gitterwinkel α = β = γ = 90° betra gen. Die Struktur der α-Form ist kompakter als diejenige der γ-Form. Das heißt mit anderen Worten, die Struktur der γ-Form liegt näher bei einer amorphen Phase und ist signifikant verschieden von derjenigen der α-Form.

Es wurde gefunden, daß in der (den) Abschirmungs- bzw. Schutzschicht(en) eines Emaildrahtes die Verwendung sowohl von Al₂O₃-Teilchen der α-Form als auch von Al₂O₃-Teilchen der γ-Form eine viel höhere Beständigkeit gegen ge pulste Spannungsstöße ergeben kann als sie mit Al₂O₃-Teilchen der α-Form oder Al₂O₃-Teilchen der γ-Form allein erzielbar ist.

Aus der JP 48 020 941 A ist ein isolierender Abstandshalter als Träger für E lektroden von Hochspannungselektronenröhren bekannt, bei dem ein aus Glimmer bestehender Abstandshalterkörper beidseits mit einer Aluminiumoxid schicht versehen ist. Die Aluminiumoxidschichten enthalten 5 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid der γ-Phase und 95 bis 10 Gew.-% Aluminiumoxid beispielswei se der α-Phase. Dadurch ist eine hohe Durchschlagfestigkeit des isolierenden Abstandhalters zu erreichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Emaildraht (emaillierten Draht) bzw. einen elektrischen mit einem Überzug isolierten Leitungsdraht be reitzustellen, der eine erhöhte Beständigkeit gegen Abbau der Isolierung durch gepulste Spannungsstöße aufweist.

Gemäß ihrem breiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen gegen gepulste Spannungsstöße beständigen Emaildraht (emaillierten Draht), der einen Metalldraht und mindestens eine auf den Metalldraht aufgebrachte Ab schirmungsschicht bzw. Schutzschicht gegen gepulste Spannungsstöße um faßt, wobei die Abschirmungsschicht (Schutzschicht) besteht aus mindestens einem Polymer, das darin dispergierte Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und Al₂O₃- Teilchen in der γ-Form im Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 100 enthält. Die Schutz schicht, die Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form enthält, kann den Emaildraht (emaillierten Draht) beständig gegen gepulste Spannungsstöße machen, ohne die anderen Eigenschaften des Emaildrahts (emaillierten Drahts) zu beeinträchtigen.

Diese und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Obgleich am Ende der Beschreibung Patentansprüche angegeben sind, die insbesondere angeben und deutlich machen, worin die Erfindung gesehen wird, wird angenommen, daß die Erfindung beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung besser verständlich ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demzufolge ein Emaildraht (email lierter Draht), der umfaßt einen Metalldraht und mindestens eine Überzugs schicht, die sich auf der Außenseite des Drahtes befindet, wobei die Kompo nenten dieser mindestens einen Überzugsschicht identisch oder verschieden sein können mit der Maßgabe, daß mindestens eine der Überzugsschichten Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form enthält. Das heißt mit anderen Worten, im Falle des Emaildrahtes, der eine einzige äußere Überzugsschicht enthält, ist die einzige äußere Überzugsschicht die Abschir mungs- bzw. Schutzschicht, die Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und Al₂O₃- Teilchen in der γ-Form enthält, während ansonsten mindestens eine der äuße ren Überzugsschichten die Abschirmungs- bzw. Schutzschicht ist, die Al₂O₃- Teilchen in der α-Form und Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form enthält.

Der erfindungsgemäß verwendete Metalldraht kann in irgendeiner beliebigen Form vorliegen, im allgemeinen hat er eine kreisförmige oder rechteckige Form. Wenn er in einer kreisförmigen Form vorliegt, ist es bevorzugt, daß der Durchmesser des Drahtes 0,05 bis 3,2 mm, besonders bevorzugt 0,10 bis 1,5 mm und am meisten bevorzugt 0,35 bis 1,2 mm beträgt.

Jede der mindestens einen erfindungsgemäßen Überzugsschichten wird her gestellt aus einer Beschichtungszusammensetzung, die (a) ein Kunstharz und (b) ein organisches Lösungsmittel umfaßt. Das Kunstharz und das organische Lösungsmittel für jede Überzugsschicht können identisch oder verschieden sein. Die Beschichtungszusammensetzung kann gegebenenfalls andere (wei tere) konventionelle Komponenten enthalten, die für Überzugsschichten eines Emaildrahtes geeignet sind, beispielsweise Farbstoffe, Pigmente, Dispergier mittel und dgl. Die ausgewählten Wahlkomponenten und ihre Mengen sollten die erwünschten Eigenschaften der Überzugsschicht nicht beeinflussen.

In der Beschichtungszusammensetzung können beliebige Kunstharze, wie sie üblicherweise in Emaildrähten (emaillierten Drähten) verwendet werden, ein gesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Kunstharze können, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, modifizierte oder nicht-modifizierte Polyacetal- Polyurethan-, Polyester-, Polyesterimid-, Polyamidimid-, Polyamid-, Poly sulfon-, Polyimid-Harze oder Mischungen davon sein. Die Auswahl des Kunst harzes hängt von der geforderten Temperatur-Beständigkeit und den gefor derten Isolier-Eigenschaften der Überzugsschichten ab.

Außerdem kann der Fachmann auf diesem Gebiet ein organisches Lösungs mittel auswählen, das für das ausgewählte Kunstharz geeignet ist. Bei dem organischen Lösungsmittel kann es sich handeln, ohne daß die Erfindung dar auf beschränkt ist, um Kresole, Kohlenwasserstoffe, Dimethylphenol, Toluol, Xylol, Ethylbenzol, N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methylpyrrolidon (NMP), Ester, Ketone oder Mischungen davon.

Die Kombination von Kunstharz und organischem Lösungsmittel besteht, be zogen auf das Gesamtgewicht von Kunstharz und Lösungsmittel, aus 20 bis 80 Gew.-% Kunstharz und 80 bis 20 Gew.-% organischem Lösungsmittel, beson ders bevorzugt aus 25 bis 75 Gew.-% Kunstharz und 75 bis 25 Gew.-% orga nischem Lösungsmittel.

Zur Erzielung der gewünschten Beständigkeit gegen gepulste Spannungsstö ße muß mindestens eine der äußeren Überzugsschichten des erfindungsge mäßen Emaildrahts (emaillierten Drahts) eine Abschirmungs- bzw. Schutz schicht sein, die besteht aus einem Überzug, der Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form enthält. Vorzugsweise beträgt die Gesamt menge der Al₂O₃-Teilchen einschließlich der Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und der Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form in der Abschirmungs- bzw. Schutzschicht, bezogen auf 100 Gew.-Teile Kunstharz, 3 bis 20 Gew.-Teile (3 bis 20 PHR), wobei eine Menge von 5 bis 15 Gew.-Teilen (5 bis 15 PHR) besonders bevor zugt ist. Die Teilchengröße der Al₂O₃-Teilchen, die für die vorliegende Erfin dung geeignet ist, beträgt 0,001 bis 10 µm, vorzugsweise 0,01 bis 5 µm und besonders bevorzugt 0,05 bis 1,0 µm.

Die Al₂O₃-Teilchen können durch Mischen mit hoher Scherwirkung oder unter Verwendung einer Mischvorrichtung in der Beschichtungszusammensetzung gleichmäßig dispergiert werden. Gegebenenfalls kann ein Dispergiermittel verwendet werden, um das Dispergieren der Al₂O₃-Teilchen zu erleichtern und um zu verhindern, daß die Teilchen ausfallen (sich absetzen). Die Menge des Dispergiermittels, wenn es verwendet wird, beträgt 0,01 bis 2 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Kunstharz und organisches Lösungsmittel.

Jede der Überzugsschichten des Emaildrahts wird gebildet durch Aufbringen einer entsprechenden Beschichtungszusammensetzung auf den Metalldraht und anschließendes Trocknen und Aushärtenlassen der Beschichtungszu sammensetzung. Im allgemeinen beträgt die Dicke jeder Schicht 0,051 bis 0,127 mm (2,0 bis 5,0 mils) und die Schicht wird hergestellt durch wiederholtes Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung auf die Oberfläche des Drahtes in 5 bis 15 Durchgängen. Das Verfahren zum Aufbringen des Über zugs hängt von der Viskosität der Beschichtungszusammensetzung ab. Im all gemeinen wird eine Beschichtungszusammensetzung, die bei 30°C eine Vis kosität von höher als 500 mPas (cps) aufweist, mittels Düsen aufgebracht, eine Beschichtungszusammensetzung, die bei 30°C eine Viskosität von 100 bis 200 MPa.s (cps) aufweist, wird mittels einer Walze aufgebracht und eine Beschichtungszusammensetzung, die bei 30°C eine Viskosität von 40 bis 100 MPa.s (cps) aufweist, wird mittels eines Filzes aufgebracht. Die Geschwindig keit des Aufbringens der Beschichtungszusammensetzung liegt zwischen 3 und 450 m/min. Der beschichtete Draht wird, nachdem jede Überzugsschicht aufgebracht worden ist, in einen Ofen eingeführt, um die Schicht trocknen und aushärten zu lassen. Die Temperatur des Ofens hängt von der Art des Über zugs, der Länge des Ofens und der Dicke der Überzugsschicht ab. Im allge meinen liegt die Temperatur am Eingang des Ofens zwischen 300 und 350°C und am Ausgang des Ofens liegt sie zwischen 350 und 700°C.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern. In den Beispiel wurden die folgenden Formulierungen von Überzügen und Al₂O₃-Teilchen aufgebracht:

1. PAI-Überzug: Polyamidimid-Überzug, erhältlich von der Firma Tai-I E lectric Wire & Cable Co., Ltd. ROC. als TAI-AIW-31.5, der durch Erhit zen auf eine erhöhte Temperatur gehärtet werden kann, wobei das Lö sungsmittel des Überzugs Xylol, NMP und DMF umfaßt, Viskosität: 1500 mPa.s (cps)/30°C, Feststoff-Gehalt 30,2%.
2. PEI-Überzug: Polyesterimid-Überzug, erhältlich von der Firma Nissho ku-Schenectady Kagaku Co., Ltd., Japan, als ISOMID-42, der durch Er hitzen auf eine erhöhte Temperatur und durch eine Umesterungs- Reaktion oder eine Veresterungs-Reaktion ausgehärtet werden kann, wobei das Lösungsmittel des Überzug umfaßt Xylol, Kohlenwasserstof fe, Kresole und Phenol, Viskosität: 2050 MPa.s (cps)/30°C, Feststoff- Gehalt: 42,2%.
3. Al₂O₃-Teilchen: Teilchen in der α-Form und Teilchen in der γ-Form, Teilchengröße der α-Form: etwa 0,3 µm, Teilchengröße der γ-Form: et wa 0,05 µm.

Beispiele Vergleichsbeispiel C1

PEI- und PAI-Überzüge wurden getrennt mittels Düsen auf die Oberfläche von Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 1,024 mm unter den folgenden Be dingungen aufgebracht:

a) innere Überzugsschicht (die Überzugsschicht haftet direkt an dem Kupferdraht):
Überzug: PEI-Überzug
Beschichtungsdurchgänge: neun (9) Durchgänge
lineare Beschichtungs-Geschwindigkeit: 9 m/min
b) äußere Überzugsschicht (die Überzugsschicht liegt auf der inneren Ü berzugsschicht auf):
Überzug: PAI-Überzug
Beschichtungsdurchgänge: drei (3) Durchgänge
lineare Beschichtungs-Geschwindigkeit: 9 m/min
c) Ofen: Länge = 3,5 m, Einlaß-Temperatur = 360°C, Auslaß-Temperatur = 480°C.

Die Eigenschaften der beschichteten Drähte sind in der Tabelle I angegeben.

Vergleichsbeispiel C2

Das gleiche wie das Vergleichsbeispiel C1, jedoch mit der Ausnahme, daß 5 bis 10% Al₂O₃-Teilchen in der α-Form, bezogen auf das Gewicht des Kunst harzes, dem PAI-Überzug zugegeben wurden, und die Al₂O₃-Teilchen enthal tenden PAI-Überzüge wurden mit einer hohen Rührgeschwindigkeit miteinan der gemischt. Die Eigenschaften der beschichteten Drähte sind in der Tabelle I angegeben.

Vergleichsbeispiel C3

Das gleiche wie das Vergleichsbeispiel C1, jedoch mit der Ausnahme, das 5 bis 10% Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form, bezogen auf das Gewicht des Kunst harzes, zu dem PAI-Überzug zugegeben wurden, und die Al₂O₃-Teilchen ent haltenden PAI-Überzüge wurden mit hoher Rührgeschwindigkeit gemischt. Die Eigenschaften der beschichteten Drähte sind in der Tabelle I angegeben.

Beispiel 1

Das gleiche wie das Vergleichsbeispiel C3, jedoch mit der Ausnahme, das 5 bis 10% Al₂O₃-Teilchen in der α-Form (α-Form/γ-Form = 1/9), bezogen auf das Gewicht des Kunstharzes, dem PAI-Überzug zugegeben wurden, und die Al₂O₃-Teilchen enthaltenden PAI-Überzüge wurden mit einer hohen Rührge schwindigkeit gemischt. Die Eigenschaften der beschichteten Drähte sind in der Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Fußnoten

1. Der Wärmeschocktest wurde bei 200°C für 1 h nach den NEMAMW- 35C-Standards durchgeführt, wobei Emaildrähte, nachdem sie um einen Dorn mit einem Durchmesser herumgewickelt worden waren, der das Dreifache des Durchmesser der Emaildrähte hatte, getestet wurden.
2. Die Lebensdauer gegenüber gepulsten Spannungsstößen wurde wie folgt getestet:
- a) ein verdralltes Paar von Emaildrähten wurde dem Test unterwor fen bei einer Belastung von 1364 g und jedes Drahtpaar wurde mit 8 Umwicklungen miteinander verdrallt;
- b) ein Ende des Drahtes wurde mit dem Ausgang eines Frequenz- Inverters verbunden und das andere Ende wurde mit einem Drei- Phasen-3HP-induzierten Generator verbunden; der Inverter lie ferte dem Generator eine Ausgangs-Spannung von 380 V durch 100 m Draht bei einer Hauptfrequenz von 60 Hz, einer Träger- Frequenz von 10 kHz und einem Spitzenwert der Trägerspan nung mit einer sinusartigen Rechteckwelle von 537 V; und der Test wurde an dem Verbindungspunkt zwischen dem Draht und dem Generator und in einem Ofen mit konstanter Temperatur von 195°C durchgeführt.

Wie in der Tabelle I angegeben, ist die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Emaildrähte (emaillierten Drähte) gegen gepulste Spannungsstöße, bei denen die Schutzschicht sowohl Al₂O₃-Teilchen in der α-Form als auch Al₂O₃- Teilchen in der γ-Form enthält, viel höher als bei den Emaildrähten (emaillier ten Drähten), bei denen die Schutzschicht Al₂O₃-Teilchen in der α-Form oder Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form enthält.

Claims

1. Elektrisch isolierter Leiter mit mindestens einer äußeren Überzugsschicht aus einer mit kleinen Aluminiumoxid-Teilchen (Al₂O₃) gefüllten Polymermasse, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung/Verbesserung der Wechselstrom- Festigkeit/Stoßfestigkeit Al₂O₃-Teilchen, bestehend aus einer Mischung von α(alpha)-Al₂O₃-Teilchen und γ(gamma)-Al₂O₃-Teilchen, im Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 100 vorgesehen werden.

2. Elektrisch isolierter Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Überzugsschicht ein Kunstharz enthält und 3 bis 20 Gew.-Teile Al₂O₃- Teilchen auf 100 Gew.-Teile Kunstharz entfallen.

3. Elektrisch isolierter Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der äußeren Überzugsschicht 5 bis 15 Gew.-Teils Al₂O₃-Teilchen auf 100 Gew.-Teile Kunstharz enthält.

4. Elektrisch isolierter Leiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen den Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und den Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form 1 : 5 bis 1 : 50 beträgt.

5. Elektrisch isolierter Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen den Al₂O₃-Teilchen in der α-Form und den Al₂O₃-Teilchen in der γ-Form 1 : 5 bis 1 : 15 beträgt.

6. Elektrisch isolierter Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße Al₂O₃-Teilchen 0,01 bis 5 µm beträgt.

7. Elektrisch isolierter Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus modifizierten oder unmodifizierten Polyacetal-, Polyurethan-, Polyester-, Polyesterimin-, Polyimin-, Polyamid-, Polysulfon-, Polyimidharzen und Mischungen davon besteht.