DE2504044C2

DE2504044C2 - Gleitmittel für Drähte mit Lackisolierung

Info

Publication number: DE2504044C2
Application number: DE19752504044
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. 8500 Nuernberg Hacker; Ernst 8740 Bad Neustadt Helwig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1975-01-31
Publication date: 1978-06-08
Also published as: DE2504044B1; ES435191A1

Description

OR₁

N N

.^R3

R₂O

Lackdrähte, d. h. Drähte mit Lackisolierung, besitzen einen dünnen, möglichst blasen- und porenfreien Lackfilm, dessen Stärke beispielsweise nach DIN 46435 festgelegt ist. Der Lackfilm dient zur Isolierung der Windungen einer Spule gegeneinander. Vor allem Lackdrähte für den Elektromaschinenbau, aber auch solche für die Schwachstromtechnik, werden während ihrer Verarbeitung bzw. beim Wickeln auf Wickelautomaten oder beim Einbringen in Nuten von Statoren oder Rotoren elektrischer Maschinen stark beansprucht.

Zur Vermeidung von Beschädigungen der Lackdrahtisolierung während der Verarbeitung und zur Ermöglichung eines einwandfreien Aufspulens sind die Drähte mit Gleitmitteln beschichtet. Dadurch werden die mechanischen Kräfte, die auf die Lackschicht wirken, herabgesetzt.

Im Elektromaschinenbau ist es zur Anhebung der elektrischen und mechanisch-thermischen Eigenschaften üblich, Wicklungen nach Tauch- oder Träufelverfahren, beispielsweise mit ungesättigten Polyesteroder Epoxidharzen, zu imprägnieren und anschließend in einem Temperprozeß zu verbacken.

übliche Gleitmittel, insbesondere solche auf Paraffinbasis, vermindern aber die Festigkeit des Verbandes Lackdraht'Imprägnierharz wesentlich. Sie besitzen nämlich die unerwünschte Eigenschaft, zwischen Imprägnierharz und Lackdraht eine Art Trennschicht zu bilden. Die verminderte Festigkeit läßt sich deutlich mit Umschaltversuchen an Elektromotoren zeigen, wenn Prüflinge mit gleitmittelfreien Wickvorgeschlagen, wobei R₁ und R₂ eine Allyl- und/oder Methallyl- und/oder Äthallyl- und/oder Propallyl- und/oder 3-Äthyl-butenyI-2- und/oder 3-ButenyI- und/ oder 2,4-Hexadienyl- und/oder Crotyl- und/oder eine Nonenylgruppe ist, R₃ Wasserstoff oder eine Alkylengruppe, die cyclisch mit R₄ verbunden sein kann, wobei einzelne Methylengruppen durch Oxo- oder Thiogruppen substituiert sein können, und R₄ ein Alkylrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Alkylencycloalkangruppe mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, eineAlkylenaryl(-heteroaryl)-Gruppe mit 7 bis 10 Kohlenstoffatomen oder eine Alkenyl- oder Alkinylgruppe mit ?> bis 16 Kohlenstoffatomen ist. Diese Verbindungen stellen demnach N-substituierte Amine dar, die am Stickstoffatom einen 2,4-Dienoxy-s-triazinyl-(6)-Rest tragen.

Derartige Gleitmittel werden während des Verbackungsprozesses in die Harzmatrix des Imprägnierharzes, beispielsweise von Imprägnierharzen auf der Basis ungesättigter Polyester- oder Epoxidharze, chemisch eingebaut. Diese Gleitmittel haben bei Raumtemperatur salben- bzw. seifenartige Konsistenz und besitzen neben einer hervorragenden Schmierwirkung den weiteren Vorteil, daß sie keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Klebrigkeit aufweisen.

Sie neigen daher wenig oder gar nicht dazu, während des Fertigungsprozesses oder auf dem Transport Schmutz zu binden.

Ls hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß das derartigen Triazinen zugrunde liegende Aufbauschema derart verallgemeinert werden kann, daß der Bereich der zur Verfügung stehenden Gleitmittel mit den obengenannten guten Eigenschaften wesentlich erweitert wird.

Gemäß der Erfindung werden ais Gleitmittel für Drähte mit Lackisolierung bei Raumtemperatur salben- oder seifenartige Konsistenz aufweisende Verbindungen des Typs A-C-B verwendet, wobei A eine chemische Gruppierung mit reaktionsfähigen Gruppen darstellt, die einen chemischen Einbau in ein polymerisierbares Imprägnierharzsystem ermöglichen, B ein gesättigter oder ungesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffrest und C ein Bindeglied in Form einer Kohlenstoff-, StickstoT-, Sauerstoff- oder Schwefel-

gruppierung ist, und wobei beim Vorliegen des Bindegliedes C in Form eines N-substituierten Amins die chemische Gruppierung A kein 2,4-Dienoxy-s-triazinyl-(6)-Rest ist.

Die erfindungsgemäß als Gleitmittel verwendeten Verbindungen — es können sowohl einzelne Verbindungen als auch Gemische dieser Verbindungen verwendet werden — werden während des Verbackungsprozesses des Imprägnierharzes — worauf bereits hingewiesen wurde — chemisch in dessen Harzmatrix eingebaut, d. h., es erfolgt sozusagen eine Entfernung des Gleitmittels auf chemischem Weg. Auf diese Weise wird eine gute Verbindung zwischen Lackdraht und Isolierharz ermöglicht. Die Funktion als Gleitmittel ist dadurch sichergestellt, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Verbindungen bei Raumtemperatur eine salben- oder seifenartige Konsistenz aufweisen. Dtese Verbindungen haben einen Schmelzpunkt etwa im Bereich zwischen 35 und 65° C und ergeben Reibungskoeffizienten μ (nach DlN 46 453, Absatz 11.2) zwischen 0,09 und 0,2. Neben einer hervorragenden Schmierwirkung weisen derartige Verbindungen ferner den Vorteil auf, daß sie keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Klebrigkeit besitzen.

Die erfindungsgemäß als Gleitmittel verwendeten Verbindungen weisen das Strukturschema A-C-B auf. Die Gruppierung A ist dabei im wesentlichen der Träger der funktionellen Gruppen, die einen chemischen Einbau in das Netzwerk des Imprägnierharzes während des Verbackungsprozesses ermöglichen. Bei Verwendung von Imprägnierharzen auf der Basis von ungesättigten Polyestern sind dies Gruppen, die während des Verbackungsprozesses unter radikalischer Initiierung in die Harzmatrix eingebaut werden. Vorzugsweise trägt die chemische Gruppierung A in diesem Fall wenigstens eine äthylenisch ungesättigte Gruppe. Bei Verwendung additiv härtender Imprägnierharze, beispielsweise Epoxid- oder Urethanharze, besitzen die funktionellen Gruppen vorteilhaft reaktive Wasserstoffatome.

Die Gruppierung B ist im wesentlichen Träger der reinen Gieitmitteleigenschaften, d. h.. sie ist mitbestimmend Tür die Konsistenz des Gleitmittels. Die Gruppierung B besteht aus einem gesättigten oder ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, d. h., B ist ein Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylrest. Zur Erzielung guter Gleitmitteleigenschaften weist B vorteilhaft 8 bis 24 Kohlenstoffatome und vorzugsweise 14 bis 20 Kohlenstoffatome auf. B kann also beispielsweise vorteilhaft ein Lauryl- oder Stearylrest sein.

Das Brücken- oder Bindeglied C zwischen den Funktionsträgern A und B ist eine Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelgruppierung. Unter einer Kohlenstoffgruppierung wild dabei sowohl eine Brücke in Form eines Kohlenstoffotomes auch die Imid-Struktur

-N=C-

und die Urethanstruktur —NH-CO-O— verstanden. Die Sauerstoffgruppierung wird vorzugsweise durch eine Ätherbindung —O— gebildet. Die Bezeichnung Schwefelgruppierung beinhaltet neben der Thioätherstruktur —S— auch die Sulfoxidstruktur —SO— und die Sulfonstruktur -SO₂-.

Die beiden freien Valenzen der Kohlenstoffgruppierung

— C-

zwei Valenzen sind bereits an die Gruppierungen A und B gebunden, können durch organische Reste oder Wasserstoffatome besetzt sein. Die freie Valenz an der Stickstoffgruppierung

— Ν—

kann beispielsweise an einen Alkylrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, an eine Alkylencycloalkangruppe mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, an eine Alkylenaryl(-heteioaryl)-Gruppe mit 7 bis 10 Kohlenstoffatomen, an eine Alkenyl- oder Alkinylgruppe mit 3 bis 16 Kohlenstoffatomen oder an Wasserstoff gebunden sein.

Wichtige Beispiele für die Gruppierung A sind Abkömmlinge folgender Verbindungen: Isocyansäure (1), Benzolcarbonsäuren (2), Cyclohexancarbonsäuren (3), Zimtsäure (4), Benzol (5), Maleinsäure (6), Fumarsäure (7), Itaconsäure (8), Methacrylsäure (9), Acrylsäure (10), Maleinsäuremonoallylester (11), Mnno- oder Diester des Glycerins (12), Propylen (13) und Äthylen (14).

R₇-N N —

— C —

verstanden als auch eine Brücke in Form einer Carboxylgruppe —- CO — und einer Estergruppe — CO — O—-. Unter Stickstoffgruppierung wird neben der Struktur

-N—

(COOR₄),,,

(m + η < 6)

/

W

ο

/

C

O

/

HC

C
Il

O

/

CH,--C

\

C

25

H CH C

04

044

6

CH,
Il

5

R₅

Il

ι
!

Il

ο

Il

CH₂OCOR₇

CH ,,j,

C

O

C

CH
/

C

ο

CH = CH-CO-

O (III

CHO(H. COR₈I "^2|

CH, -

/ -■

(4)

CH,-

CH₂ = CH- (14)

/S

/■■ /

HC

5

Bei Verwendung radikalisch vernetzender Iniprä-

y,/7

il

CH₂

gnierharzc werden vorzugsweise Verbindungen ver

HC

CH, — C

wendet, bei denen wenigstens einer der Reste R₁ bis

R₁,

I

(5)

10

K₈ eine polymerisierbar Mehrfachbindung besitzt.

c —

Beispiele für derartige Reste sind die Allyl-, Methallyl-.

Il

Äthallyl-, Propallyl-. 3-Äthyl-butcnyl-2-. 3-Butcnyk

O

IS

2,4-Hcxadicnyi-, Crotyl- und Noncnyl-Gruppe.

Bei Verwendung von durch Additionsrcak!ionen

CH₂

vernetzenden Imprägnierharzen, wie beispielsweise

Harzen auf Fpoxid- und Urethanbasis, tragen die

CH

(6)

Reste R, bis R₈ vorzugsweise Gruppen mit re

I

20

aktiven Η-Atomen, wie beispielsweise —NtI-.

C-

-NH₂. —COOH oder —OH. Beim Vorliegen

Il

des Bindegliedes C als Stickstoffgruppierung kann das

O

Glcitmiiiclmolekül das reaktive Η-Atom aber auch

in der Form —NH- oder — NH -CO-O

25

enthalten.

(H CH, O ( C

Charakteristische Beispiele erfindungsgemäB als

Gleitmittel zu verwendender Verbindungen vom Tvp
A-C-B sind:

a) Für radikalisch vernetzende Imprügnierhar/e

U

Diallyl-stcaryl-isocyanurat, I -Carboallyloxy-3.4-

3°

dicarbostearyloxy-bcnzol (F.stcr der Trimellithsüure).

(7)

Malcinsäurcdilaurylcster, Malcinsäuredistearylestcr.

Fumarsäurcdilaurylcstcr, Fumarsäurelaurylstearyl-

35

ester, Fumarsäuredistearyleslcr, N - Lauryl - malcin-

imid, N-Stearyl-malcinimid, Zimlsäurestearyl-(lau

ryl-, celyl- oder myristyl-)ester und N-Mono(di)stearyl-

(lauryk myristyl-, celyl-)zimtsäureamid sowie mehr

fach mit höheren gesättigten Fettsäuren von C₁₀ bis C₂₄

40

allein oder im Gemisch mit ungesättigten Fettsäuren

von C_lH bis C₂₄ veresterte mehrwertige Alkohole.

(8)

bei denen wenigstens eine Hydroxylgruppe mit einer

ungesättigten Carbonsäure, beispielsweise Mcthacryl-

oder Acrylsäure, verestert ist.

45

b) Für additiv vernetzende Imprägnierharze

I - Carboxy-3,4 - dicarbostcaryloxy - benzol, N,N-

Distearyl - (myristyl-, lauryl-, cctyl-)malonsäurcdi-

amid, N,N'-Distcaryl-(myristyl-, larry!-, cctyl-)phc-

nylcndiamin, I'hthalsäuremonostearyl-flauryl-, myri

50

styl-, cctyl-)estcr, Hcxahydrophthalsäurcmonostcaryl-

(9)

(lauryl-, myristyl-, cetyl-)ester, N,N'-Dislearyl-(lauryl-,

myristyl-. cetyl-Jhexahydrophthalsäurcdiamid und N-

Stearyl-anilin sowie mehrfach mit höheren gesättigten

55

Fettsäuren von C,„ bis C₂₄ allein oder im Gemisch

mit ungesättigten Fettsäuren von C₁₈ bis C₂₄ veresterte

mehrwertige Alkohole, bei denen wenigstens über

eine Hydroxylgruppe eine Halbesterbinduni! /u einer

Di- oder I'olycarbonsäure besteht.

(10)

6o

Zur Verwendung bei radikalisch vernetzenden Im-

prägnierhar/en sind insbesondere /.imtsäurecster ties

l.auryl-. Myrislyl-. Celyl- und Stearylalkohols gin

geeignel. Bei der Verwendung von Impriignierliar/en

65

iijf l'ol>Lirclhiinhasis werden Gleitmittel mit reaktiven H-At(imen in OH- b/w. NH- oder N H,-Bindung bevorzugt.

Die crfindungsgcmäUc Verwendung \on Verbindungen des Typs Λ-C-U als Gleitmittel für Drähte mit l.ackisolierung erweist sich auch deshalb als besonders vorteilhaft, weil diese Verbindungen in monomerer lorm gegenüber der Isolations- b/w. l.aekschieht völlig inert sind. Ferner gewährleistet das relativ niedrige Doppelbindungsäquivalent b/w. der Aminwasserstoff dieser Verbindungen bei Tränkhar/en auf der Basis ungesättigter Polyester- und Epoxidharze einen raschen und sicheren Einbau in die I ränkharzmatrix. Weitere Vorteile liegen darin, dal! die erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen mit üblichen Gieß-, kinbetUings-, Tränk- und I räulelharzen auf der Basis von ungesättigten l'olyesterund'odcr Epoxidharzen gleich gut verträglich sind. Derartige Gleitmittel verbessern die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Wicklungen, insbesondere von Motoren-. Transformatoren- und Spulenwicklungen, erheblich, da sie eine gute Verbackung dieser Wicklungen gewährleisten. So läßt sich bei Motorenwicklungen aus Lackdrähten, die mit einem crfindungsgcmäßcn Gleitmittel verarbeitet wurden, die Anzahl der Umschaltungen von 400 000 auf mehr als 1 000000 erhöhen, ehe die Motoren ausfallen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gleitmittel ist darin zu sehen, daß durch eine Variation im chemischen Aufbau leicht eine Anpassung an spezielle Anforderungen möglich ist.

Die Beschichtung der Drähte mit dem Gleitmittel erfolgt im allgemeinen in der Weise, daß auf die Drähte eine Lösung des Gleitmittels aufgebracht wird, beispielsweise durch Bestreichen mittels eines Dochtes, und daß anschließend das Lösungsmittel entfernt wird. Dazu kann beispielsweise eine 3%ige (Gewichtsprozent) Lösung in einem Gemisch aus Testbenzin und Toluol verwendet werden.

An Hand von Versuchsergebnissen zweier Prüfreihen wird im folgenden die bei Verwendung von crfindungsgcmäßcn Gleitmitteln erzielbarc Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften dargestellt.

Prüfreihe 1

Für die Prüfung der Haftung zwischen Drahtlack und Imprägnierharz wird die Drahtbündclprüfung herangezogen. Dazu werden stabförmige Drahlwickclbündcl der Abmessung 10 χ 15 χ 150 mm. welche eine definierte Zahl von Leitern enthalten, mit einem ungesättigten Polyesterharz (UP-Harz) imprägniert. Auf einer Prüfmaschine mit Biegeeinrichlung werden die Drahtwickelbündel dann einer Biegebeanspruchung ausgesetzt, und dabei wird ein Kraft Weg-Diagramm aufgezeichnet. Bei Verglcichsuntersuchungen /wischen Drahtwickelbündeln (I) aus imprägnierten Lackdrähten mit herkömmlichen Gleitmitteln auf Paraflmbasis. entsprechenden Drahtwickclbündcln (II) aus

ίο Lackdrähten, deren Gleitmittel vor der Imprägnierung abgewaschen wurde, und Drahtwickelbündeln (III) aus Lackdrähten mit Zimtsäurcstearylestcr als Gleitmittel zeigen die letzteren eine Bicgstcifigkcitsverbcsserung um mehr als das Doppelte. In der folgenden

is Tabelle sind zur Veranschaulichung bei Raumtemperatur erhaltene Meßwerte aus Drahtwickclbündeln der vorstehend genannten Abmessungen mit 1,06 mm starken Lackdrähten einander gegenübergestellt, und zwar jeweils das Maximum des Kraft Weg-Diagramms.

Probe

I Polycstcr-

imid
II Polyestcr-

imid

111 Polyesterimid

lmpntpnicr- !\in- liiere- Maximum
harz spann-radius

liiniic

(mini lmml [N]

UP-Harz 120 K) 765

UP-Harz 120 IO 1088

UP-Harz 120 K) etwa 1750

Prüfreihe 2

In einer zweiten Prüfreihe werden sogenannte Rcversierprüfungen an elektrischen Maschinen durchgeführt. Dabei laufen Elektromotoren reversierend im Rcchts-Links-Lauf. Die Abstände zwischen den Schaltungen werden so gewählt, daß die Wicklungserwärmung der entsprechenden Isolierstoffklassc nach VDE 0530 entspricht. Beispielsweise ist die dabei auftretende Wicklungsbelastung einer Wicklung, die Tür 11 kW 220/380 V ( 1/Y) ausgelegt ist, d. h. für 11 kW und 220 V in Dreieckschaltung bzw. 380 V in Sternschaltung, beim Schalt Vorgang etwa 1000 V und 180 A. Bei derartigen Reversierprüfungen zeigt sich, daß sich bei Motorwicklungen aus Lackdrähten, die mit dem erfindungsgemäßen Gleitmittel verarbeitet wurden, die Anzahl der Umschaltungen von 400 000 auf mehr als 1 000 000 erhöhen läßt, ehe die Motoren ausfallen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer bei Raumtemperatur salben- oder seifenartige Konsistenz aufweisenden Verbindung des Typs A-C-B als Gleitmittel für Drähte mit Ladrisolierung, wobei A eine chemische Gruppierung mit reaktionsfähigen Gruppen darstellt, die einen chemischen Einbau in ein polymerisierbares Imprägnierharzsystem ermöglichen, B ein gesättigter oder ungesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffrest und C ein Bindeglied in Form einer Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelgruppierung ist, und wobei beim Vorliegen des Bindegliedes C in Form eines N-substituierten Amins die chemische Gruppierung A kein 2,4-Dienoxy-s-triazinyl-(6)-Rest ist.

2. Verwendung einer Verbindung nach Anspruch 1, deren chemische Gruppierung A wenigstens eine äthylenisch ungesättigte Gruppe aufweist.

3. Verwendung einer Verbindung nach Anspruch 1, deren chemische Gruppierung A und/ oder deren Bindeglied C wenigstens ein reaktives Wasserstoffatom besitzen.

4. Verwendung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Kohlenwasserstoffrest B 8 bis 24 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 14 bis 20 Kohlenstoffatome, aufweist.

5. Verwendung einer Verbindung nach Anspruch 4 in Form eines Zimtsäureesters des Lauryl-, Myristyl-, Cetyl- oder Stearylalkohols.

lungcn mit Prüflingen verglichen werden, welche mit Gleitmittel versehene Wicklungen aufweisen. Ein zusätzlicher Arbeitsgang zur Entfernung der Gleitmittel vor dem Tränk- bzw. Tauchprozeß, womit die obengenannten Schwierigkeiten beseitigt werden könnten, ist bei Großserien wirtschaftlich nicht tragbar.

Zur Vermeidung der genannten Nachteile sind in der DE-OS 2409 979 als Gleitmittel Tür Drähte mit

ίο Lackisolierung 2,4-Dienoxy-6-aminoalkyl(-en)-s-triazine der allgemeinen Formel