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Draht für elektromagnetische Anwendungen
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Draht für elektromagnetische
Anwendungen mit verbesserter Wickel- und Einführbarkeit, der zusätzlich bei hohen
Temperaturen - einschließlich des Bereiches von 1850C bis 200"C - bindbar ist und
eine Deckschicht auf einer Grundschicht auf einem Leiter aufweist, wobei die Deckschicht
aus einem Polyamid aus der aus Polyundecanamid, Polydodecanamid sowie deren Mischungen
bestehenden Gruppe gewählt ist.
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Isolierte Kupfer- oder Aluminiumdrähte werden für Spulen aller Art
in elektromagnetischen Maschinen als Motor-, Magnet- und Transformatorwicklungen
eingesetzt. Die am weitesten verbreiteten Isolierungsarten für solche Drähte sind
Lacke, Natur-und Kunstfasern, Glas und Papier. Abhängig von der Art der Isolierung
kann man solche Drähte mit Temperaturindizes von 105"C bis 2200C klassifizieren.
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Die auf den Draht aufgebrachte Isolierung besteht häufig aus einem
Doppelsystem aus einer Grund- und einer Deckschicht. Das Material der Grundschicht
wird oft nach seiner Fähigkeit, bestimmte Aufgaben zu erfüllen, ausgesucht - beispielsweise
Wärmestabilität sowie Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Übliche Grundschichtmaterialien
sind Polyester und Polyurethane, obgleich Epoxy-, Polyacryl-, Polyimid- und Amidimidlacke
ebenfalls für die Grundschicht verwendet werden. Der hier benutzte
Ausdruck
"Grundschicht" soll auch Kombinationen der obengenannten Materialien einschließen.
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Bestimmte Nylons und insbesondere Nylon 6,6 (Polyhexymethylenadipamid)
sowie Nylon 6 (Polycaprolactam) sind als Deckschicht für Magnetdraht eingesetzt
worden. Wegen des geringen Reibungsbeiwerts von 0,17 (dynamisch, Schicht auf Schicht)
für Nylon-6- und Nylon-6,6-Filme sind derartige Drähte gegenüber solchen mit anderen
herkömmlichen Deckschichten besser wickelbar. Die Verwendung von mit Nylon 6 oder
Nylon 6,6 deckbeschichteten Drähten wirft jedoch für den Endbenutzer mehrere Probleme
auf.
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Zunächst ist es üblich, daß die Hersteller von Motoren und dergleichen
den aufgewickelten Draht in der Sollage festlegen - üblicherweise so, daß man die
mit Nylon 6 oder Nylon 6,6 deckbeschichteten Drahtspulen in ein Lackbad taucht und
den Lack auf der Spule backt. Diese Tauch- und Backbehandlung ist nicht nur zeitraubend
und teuer, sondern erzeugt auch unerwünschte Lösungsmittelmissionen und -dämpfe,
die nicht in die Atmosphäre gelangen dürfen. Die ideale Deckschicht wäre selbstbindend
- beispielsweise Polyvinylbutyral. Erwärmt man Polyvinylbutyral auf über etwa 1000C,
erweicht die Deckschicht und fließt, so daß die Windungen in der Sollage verkleben.
Mit Polyvinylbutyral beschichteter Draht ist im Einsatz auf Anwendungen in niedrigen
Wärmeklassen beschränkt, da seine Erweichungstemperatur niedrig ist. Bei Arbeitstemperaturen
von 1300C und höher kann selbstbindendes Polyvinylbutyral nicht mehr verwendet werden.
Es wäre nicht praktisch, Nylon 6 oder Nylon 6,6 wärmezubinden. Erwärmt man beispielsweise
Nylon 6,6 auf seine Schmelztemperatur von mehr als 2500C, übersteigt man die Wärme
festigkeit der Grundschicht und anderer Bestandteile des Systems - beispielsweise
Schlitzauskleidungen. Außerdem
baut Nylon 6,6 in Luft bei dieser
Temperatur bereits schnell ab.
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Ein zweiter Nachteil von Deckschichten aws Nylon 6 oder 6,6 ist, daß
diese Stoffe Wasser aufnehmen. Die Wasseraufnahme verringert die elektrische Leistungsfähigkeit
der Drähte, verbessert aber deren Biegsamkeit. Nylon 6 und Nylon 6,6 werden jedoch
spröde, wenn sie Feuchtigkeit verlieren, so daß die Wickelbarkeit abnimmt und die
Schwierigkeiten mit Rissen in der Isolierung zunehmen.
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Obgleich weiterhin eine Deckschicht aus Nylon 6 oder 6,6 die Wickel-
und die Einführbarkeit gegenüber mit anderen Isolierstoffen beschichteten Drähten
verbessert, treten dennoch Wikkel- und Einführschwierigkeiten auf. Der Reibungsbeiwert
(dynamisch, Schicht auf Schicht) von Nylon 6,6 beträgt 0,17. Ein Deckschichtmaterial
mit schon um 0,01 niedrigerem Reibungsbeiwert würde die Wickel- und Einführbarkeit
des Drahts wesentlich verbessern. Der Stand der Technik - beispielsweise die US-PS
3 632 440 - anerkennt diesen Vorteil und lehrt, daß man mit einem filmbildenden
Polysiloxanharz für die Deckschicht eine bessere Leistung als mit Nylon erhält,
da der Reibungsbeiwert nur noch 0,14 beträgt. In den meisten elektrischen Systemen
ist das Vorhandensein eines Silikons jedoch nicht annehmbar.
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Es besteht also Bedarf an einem verbesserten Draht für elektromagnetische
Anwendungen, der bei einer Temperatur, die für die Deckschicht und andere Systemteile
harmlos ist, selbstbindet, gegen Feuchtigkeit widerstandsfähig ist und eine verbesserte
Wickel- und Einführbarkeit aufweist. Derartige Verbesserungen sollten jedoch die
Biegsamkeit, den Abriebwiderstand oder die Beständigkeit des Drahts nicht wesentlich
beeinträchtigen.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Draht für elektromagnetische
Anwendungen mit einem Leiter aus Kupfer, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
einer durchgehenden organischen wärmehärtenden Grundschicht auf dem Leiter, die
aus mindestens einer Schicht eines Isoliermaterials auf der gesamten Außenfläche
des Leiters besteht, und mit einer selbstbindbaren Deckschicht auf der Grundschicht,
dabei handelt es sich bei der Deckschicht um ein Polyamid aus Polyundecanamid, Polydodecanamid
oder deren Mischungen, wobei die Dicke der Deckschicht 5 bis 95% der Gesamtbeschichtungsdicke
ausmacht.
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Es hat sich herausgestellt, daß man einen selbstbindenden Draht für
elektromagnetische Anwendungen herstellen kann, indem man eine Deckschicht aus Nylon
11 (Polyundecanamid),Nylon 12 (Polydodecanamid) oder deren Mischungen verwendet.
Derzeit setzt man in Europa Nylon 11, ein Rizinusölderivat, wegen seiner Beständigkeit
gegen Lösungsmittel als Auskleidung für Benzintanks und dergleichen ein.
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Die neuartige Verwendung von Nylon 11 und Nylon 12 für die Deckschicht
auf Drähten für elektromagnetijhe Anwendungen ergibt eine verbesserte Wickel- und
Einführbarkeit gegenüber einem solchen Draht mit Nylon-6- oder -6,6-Isolierung.
Der Reibungsbeiwert (dynamisch, Schicht auf Schicht) von Nylon 11 und 12, der 0,14
bis 0,16 beträgt, ist geringer als der von Nylon 6,6. Bei bestimmten elektromagnetischen
Anwendungen wie beispielsweise Motorständerspulen und Jochspulen von Farbfernsehempfängern
erhält man mit einer Verringerung des Reibungsbeiwerts von bereits 0,01 eine erhebliche
Verbesserung der Abmessungspräzision der in Schnellwickeleinrichtungen gewickelten
Spulen sowie eine leichtere Einführ- bzw. Fädelbarkeit des Drahts. Im allgemeinen
nimmt der Reibungsbeiwert von Nylonmaterialien bei zunehmendem Druck ab - wie im
Fall des
Einfädelns. Diese Abnahme des Reibungsbeiwert ist jedoch
unter dem gleichen Druck für Nylon 11 und 12 höher als für Nylon 6 oder 6,6.
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Die verbesserte Einführ- bzw. Fädelbarkeit erlaubt, die gleiche Drahtlänge
in einen Schlitz oder dergleichen mit geringerem Druck bzw. alternativ mehr Draht
in einen Schlitz gleicher Größe mit dem gleichen Druck einzuführen. Diese verbesserte
Einführbarkeit bringt weitere Vorteile mit sich. Zunächst kann man eine präzisionsgewickelte
Spule in einen Motorständer oder dergleichen praktisch ohne Verformung des Drahts
einsetzen; daher zeigt der elektrische Widerstand von nach der vorliegenden Erfindung
gewickelten Spulen eine geringe Variationsbreite.
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Weiterhin kann man nun bei verbesserter Einführbarkeit Motoren zu
engeren Toleranzen bauen. Bei mit Nylon 11 oder 12 deckbeschichteten Drähten lassen
sich, falls erforderlich, weiterhin mehr Windungen pro Spule einsetzen, ohne den
Motor umkonstruieren zu müssen. Zusätzlich kann man die Anzahl der gleichzeitig
eingesetzten Spulen erhöhen, so daß die Herstellungskosten sinken.
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Ein weiterer Vorteil von Nylon 11 und 12 ist ihre Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Die Tabelle 1 vergleicht die Wasseraufnahme verschiedener Nylonmaterialien.
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Tabelle 1 Wasseraufnahme von Nlonmaterialien 24 Std. Gleichgewicht
bei Gleichgewicht bei Nylonart ASTM D 570 50 % rel.F. 100% rel.F.
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6 1,60 % 2,7 % 9,5 % 6,6 1,50 % 2,5 % 8,0 % 11 0,25 S 0,8 % 1,9 -
2,9 % 12 0,25 % 0,7 % 1,4 - 2,5 % (geschätzt)
Die geringere Neigung
von Nylon 11 oder 12, Wasser aufzunehmen, ergibt einen speziellen Vorteil gegenüber
Nylon 6 oder 6,6 in elektromagnetischen Anwendungen. Nylon 11 behält seine elektrischen
Eigenschaften in einer feuchten Umgebung besser als Nylon 6 oder 6,6 bei (vergl.
Tabelle 2).
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Tabelle 2 Volumenspezifischer Widerstand von Nylon als Funktion der
relativen Feuchtigkeit Vol.-spez.Widerstand (Ohm.cm) Nylon Rel. Feuchtigkeit ASTM
D 257 6 trocken 10 50 % 1013 100 % 108 6,6 trocken 10 50 % 1013 100 % 109 11 trocken
1015 50 % 1014 100 % 1013 Nach der Wärmefestigkeit ist ein zu 20 % mit Nylon 11
oder 12 deckbeschichteter polyesterisolierter Draht in die 1800-Klasse eingeteilt;
für Benutzeranwendungen ist jedoch zu beachten, daß diese Temperatur im Erweichungsbereich
liegt.
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Bei der Prüfung der Bindefestiqkeit gebundener Spulen nach der NEMA
Standards Publication No. MW 1000-1977, Part 3,57, stellte sich heraus, daß wendelförmig
gewickelte Spulen nach der vorliegenden Erfindung höhere Bindefestigkeiten als solche
mit irgendeiner anderen thermoplastischen Bindedeckschicht
zeigten.
Infolge des engeren Erweichungsbereichs der Deckschicht nach der vorliegenden Erfindung
erhält man diese höhere Bindefestigkeit bei Temperaturen bis zur minimal erforderlichen
Bindetemperatur.
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Der Gesamtvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in einem neuartigen
und verbesserten selbstbindenden Draht für elektromagnetische Anwendungen mit geringerem
Reibungsbeiwert als irgendein anderer Draht, der jedoch feuchtigkeitsbeständig ist,
im trockenen Zustand nicht versprödet, bei Temperaturen von etwa 185 - 2000C selbstklebend
ist und mit einer geeigneten Grundschicht die Wärmeklasse 1800C (ASTM D-2307) erreicht,
so daß ein solcher Draht in fast allen herkömmlichen elektromagnetischen Anwendungen
eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlich
beschrieben werden.
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Fig. 1 zeigt im Schnitt einen nach der vorliegenden Erfindung beschichteten
Draht für elektromagnetische Anwendungen; Fig. 2 zeigt als Diagramm die Bindefestigkeit
einer nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Drahtspule bei unterschiedlichen
Temperaturen.
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Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Drahts nach
der vorliegenden Erfindung. Der Draht 1 weist einen mittig liegenden Leiter 2 -
gewöhnlich eine einzige Ader - auf, der im Querschnitt allgemein kreisrund ist.
obgleich der Leiter bei solchen Drähten im allgemeinen einen runden Querschnitt
hat, kann er auch cladratisch, rechteckig, bandförmig oder anders gezogen sein.
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Auf den Leiter ist, wie die Fig. 1 zeigt, eine isolierende Grundschicht
1 auf dessen gesamte Außenfläche aufgebracht.
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Die Grundschicht nach der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise
aus einem modifizierten Polymerisat für Hochtemperaturanwendungen. Die vorliegende
Erfindung umfaßt jedoch auch andere Grundschichtmaterialien - beispielsweise Polyvinylformal,
Polyurethane sowie Epoxyharze. Weitere Grundschichtmaterialien sind Acrylharze,
Polyimide, Amidimide, imidierte Polyester'und Amidimidpolyester. Die bevQrzugten
Polyester sind u.a. die normalen Polyester der Wärmeklasse 1550C auf der Basis von
Terephthalsäure (oder deren Estern), Nthylenglycol und Glycerol, sowie die Polyester
der Wärmeklasse 1800C auf der Basis von Terephthalsäure, THEIC (Tris-hydroxyäthylisocyanurate)
sowie Glycerol.
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Obgleich nicht gezeigt, kann es sich bei der Grundschicht 3 auch um
ein mehrschichtiges System handeln. Beispielsweise kann die Grundschicht ein außen
amidimidbeshichteter THEIC-modifizierter Polyester der Wärmeklasse 1800C oder ein
außen mit Nylon 6,6 beschichteter imiderter Polyester oder ein au-Ben mit Polyäthylenterephthalat
beschichteter Polyester sein.
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Die Deckschicht 4 nach der vorliegenden Erfindung, die auf die gesamte
Außenfläche der Grundschicht aufgebracht ist, besteht aus einem Polyamid, nämlich
Nylon 11, Nylon 12 oder deren Mischungen. Nylon 11 ist der Stoff Polyundecanamid
mit rer Formel N/ HN(CH2)1oCo-7NOH und wird aus 11-Aminoundecansäure hergestellt.
Nylon 12 ist der Stoff Polydidecanamid mit der chemischen Formel
H/
HN(CH2)11Co-7NoH-Da Nylon 11 und Nylon 12 mischbar sind, lassen sie sich gemischt
als Deckschicht auf den Draht nach der vorliegenden Erfindung aufbringen. Die folgende
Tabelle 3 gibt bestimmte Eigenschaften von Nylon 11 und Nylon 12 an: Tabelle 3 Eigenschaften
von Nylon 11 und Nylon 12 Eigenschaften Nylon 11 Nylon 12 Schmelztemperatur (OC)
185 175 - 180 Reibungsbeiwert (dynamisch) 0,14-0,15 0,16 Die Nylon 11 und/oder 12-Deckschicht
kann von 5 bis 95 % der Gesamtschicht auf der Ader ausmachen und kann auf einen
Draht beliebiger Größe und Form aufgetragen werden. Vorzugsweise macht die Nylon
11- und/oder Nylon-12-Deckschicht etwa 10 bis 20 % der insgesamt aufgetragenen Isolierschicht
aus. Der Deckschichtanteil kann von der Verwendung des Drahts abhängen.
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Beispielsweise hat sich ergeben, daß Nylon 11 die Wickelbarkeit und
die Einführbarkeit des Drahts erhöht. Wenn also die Hauptgesichtspunkte das Wickeln
und Einfädeln sind, kann eine verhältnismäßig dünne Deckschicht (10 % der insgesamt
aufgebauten Beschichtung) aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wünschenswert sein.
Wo der Hauptgesichtspunkt die Bindbarkeit des Drahts ist, kann eine dickere (20
% oder mehr der Gesamtbeschichtung) Deckschicht erwünscht sein, um die erzielte
Binafestigkeit zu erhöhen. Obgleich dünne Deckschichten auf Nylon 11 und/oder Nylon
12 wärmebindbar sind, hat sich ergeben, daß die Bindefestigkeit mit der Dicke der
Deckschicht steigt.
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Der Draht nach der vorliegenden Erfindung läßt sich nach beliebigen
Verfahren herstellen. Das folgende Beispiel soll nur zur Erläuterung dienen. Ein
blanker Kupferrunddraht mit einem Nenndurchmesser von 1,02 mm (0,0404 in.; No. 18
AWG) diente als Leiter. Der blanke Kupferdraht wurde zunächst mit einer Grundschicht
eines THEIC-modifizierten Terephthalpolyester versehen, der in einem Feststoffanteil
von etwas 35 % in vier Lagen aufgebracht wurde. Nach jeder Lage wurde der Draht
durch einen herkömmlichen Härteofen (beispielsweise 5,5 m bzw. 18 ft.) einer Temperatur
von 300 bis 4500C mit einer Geschwindigkeit von etwa 13,7 m/min (45 ft./min.) gezogen.
Jede der aufeinanderfolgenden Lagen erhöhte den Gesamtdurchmesser des Drahtes, während
der Draht durch Beschichtungsdüsen mit einem Durchmesser von 1,10 mm (0,043 in.),
1,12 mm (0,044 in.), 1,14 mm (0,045 in.) und 1,17 mm (0,046 in.) lief. Nach dem
Härten hatte die Grundschicht den Drahtdurchmesser um 0,05 mm (0,002 in.) auf 1,07
mm (0,0423 in.) erhöht.
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Eine Deckschicht aus Nylon 11 oder Nylon 12 wurde auf den beschichteten
Draht aufgetragen, indem zunächst das Nylonmaterial mit einem Feststoffanteil von
etwa wQ Gew.-% in Cresylsäure, d.h. einer Mischung aus Phenol, Cresol und Xylenol
bei einer Temperatur von etwa 100 bis 1200C gelöst wurde. Diese gelöste Mischung
wurde mit einem aromatischen Kohlenwasserstoff wie Xylol zu einem Feststoffanteil
von etwa 15 % verdünnt. Die resultierende Lösung enthielt etwa drei Teile Cresylsäure
auf einen Teil aromatischer Kohlenwasserstoff und hatte eine Viskosität von etwa
3 bis 7 Pa.s bei 250C. Diese Lösung wurde auf den grundierten Draht vorzugsweise
in zwei Lagen aufgetragen. Jede der beiden Lagen wurde aufgebracht, indem der Draht
durch Beschichtungsdüsen mit einem Durchmesser von jeweils 1,195 mm (0,047 in.)
gezogen wurde. Der Draht wurde in dem oben erwähnten Ofen gehärtet, wonach der Gesamtdurchmesser
um
insgesamt 0,02 mm (0,0007 in.) auf 1,09 mm (0,0430 in.) zunahm. Eine 20- bis 30%ige
Deckschicht mit Nylon 11 und/oder Nylon 12 läßt sich typischerweise glatt auf 1,o2-mm-Draht
in zwei Schichten aufbringen. Die gesamte Nylondeckschicht auf dem Draht der vorliegenden
Beispiele machte etwa 25 % der gesamten Beschichtungsdicke aus.
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Die Deckschicht aus Nylon 11 oder Nylon 12 läßt sich auf den Draht
nach herkömmlichen Verfahren auftragen. Alternativ kann man die Deckschicht nach
moderneren Verfahren - beispielsweise Auspressen oder Pulverbeschichten - auftragen
oder man kann die Deckschicht auch durch Mikrowellen-, Induktions- oder Laserbeheizung
auf den Draht aufschmelzen, wobei das Nylonmaterial schmilzt und glatt und gleichmäßig
um den Draht herumfließt.
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Der Draht nach der vorliegenden Erfindung kennzeichnet sich durch
eine verbesserte Wickel- und Einführbarkeit infolge seines geringen Reibungsbeiwerts.
Wie üblich, kann man auf den Draht ein trockenes Gleitmittel wie Paraffin auftragen,
um die Gleitfähigkeit zu verbessern. Der Draht nach der vorliegenden Erfindung kann
also der Spannung in einer Präzisionsschnellwickelmaschine widerstehen, wie sie
für die Jochspulen für Farbfernsehempfänger eingesetzt werden, und hat in dieser
Anwendung auch einen guten Abriebwiderstand und eine gute Beständigkeit unter Wärmeschocks.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Draht wärmebindbar
ist, d.h. man kann ihn in einem Ofen oder durch Widerstandsbeheizung oder dergleichen
bei einer unschädlich niedrigen Temperatur von etwa 180 bis 200"C binden.
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Nylon 11 und/oder Nylon 12 dienen als ausgezeichneter Wärmekleber
für aufgespulten Draht, indem man die Spule mindestens auf die Schmelztemperatur
der Deckschicht erwärmt, die für Nylon 11 1850C und für Nylon 12 1750C beträgt.
Die Temperatur, mit der die Deckschicht behandelt wird, darf nicht so hoch sein,
daß der Draht selbst Schaden nimmt. Für alle praktischen Anwendungen erhält man
durch Erwärmen der Spule auf eine Temperatur von 180 bis 2000C eine wirksame Bindung
der Drahtwindungen nach der vorliegenden Erfindung.
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Bisher hat man eine Jochspule gebunden, indem man das gesamte Joch
in ein aktiviertes Bindelösungsmittel tauchte; alternativ hat man einen Lackauftrag
auf die Spule in einem zusätzlichen Bearbeitungsgang aufgebracht. Indem man den
Draht der vorliegenden Erfindung verwendet, braucht man die Jochspule nur einfach
widerstandszubeheizen, um sie zu binden. Die Bindefestigkeit ist dabei für die Spule
gut genug, um die gebundene Konfiguration aufrechtzuerhalten, während sie bei erhöhter
Temperatur arbeitet, wie sie beispielsweise in angeschalteten Farbfernsehempfängern
auftreten.
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Zum Ermitteln der Bindefestigkeit nach der ASTM-Prüfnorm D 2519 wurde
der oben beschriebene Draht nach der vorliegenden Erfindung zu einlagigen Zylinderspulen
gewickelt und diese dann durch Widerstandsbeheizung bei etwa 2000C gebunden. Nach
dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Bindefestigkeit der Spulen bestimmt. Die
Bindefestigkeit für 1,o2-mm-Draht (NO. 18 AWG) beträgt bei Raumtemperatur 133 bis
178 N; die Bindefestigkeit bei höheren Temperaturen ist in Fig. 2 als Diagrammkurve
dargestellt.
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Die zur Aufnahme der Meßergebnisse der Fig. 2 verwendeten Spulen waren
nach der NEMA Standards Publikation No. MW 1000-1977, Part 3, 57 aufgebaut und bei
2000C gebunden. Es wird darauf verwiesen, daß der Draht nach der vorliegenden Erfindung
bei
der Erwärmung auf 1500C noch mehr als 50 % seiner Anfangsbindefestigkeit
(bei Raumtemperatur) beibehält.