EP0030717B1 - Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten Download PDF

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EP0030717B1
EP0030717B1 EP80107816A EP80107816A EP0030717B1 EP 0030717 B1 EP0030717 B1 EP 0030717B1 EP 80107816 A EP80107816 A EP 80107816A EP 80107816 A EP80107816 A EP 80107816A EP 0030717 B1 EP0030717 B1 EP 0030717B1
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Harald Dr. Janssen
Eberhard Kertscher
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Beck Dr and Co GmbH
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    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/308—Wires with resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/06—Insulating conductors or cables
    • H01B13/14—Insulating conductors or cables by extrusion
    • H01B13/141—Insulating conductors or cables by extrusion of two or more insulating layers

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing winding wires with two insulating layers made of different materials, so-called two-layer enamelled wires.
  • Enamel-insulated winding wires are precisely characterized in the German standard DIN 46435 from April 1977, as shown in the table. They are used on a large scale in electrical engineering, transformer construction and electronics.
  • the conductor metal preferably copper or aluminum, is insulated with a thin, but mechanically and thermally extremely resistant synthetic resin lacquer layer.
  • Such enamelled wires are produced on wire enamelling machines by repeatedly applying an enamelled wire enamel to the metal wire.
  • wire enamel resin melts or dispersions and aqueous solutions of wire enamel resins are also used for wire enamelling.
  • thermoplastics for thick-walled sheathing of electrical conductor bundles and for the production of conductor wires has long been known from the cable industry.
  • - DE-B-2 638 763 describes a process for the production of enamel-insulated winding wires by extrusion of partially crystalline thermoplastic polycondensates with crystallite melting points above 170 ° C., preferably above 250 ° C.
  • a lacquer made of a further, preferably linear polymer - such as, for example, B. polyamide, polyvinyl acetate, polyester, polyamideimide - applied to the ladder by the same method.
  • a disadvantage of the process is the often low solubility of the linear polycondensates which are preferably used, so that these coatings have very low solids contents and require aggressive solvents which can adversely affect the basic insulation of the conductor during coating.
  • US-A-2 360 097 describes an extrusion process in which polyamide is extruded onto a wire in the form of a tube. Since the wire has a higher speed than the emerging plastic, the polyamide coating on the wire is stretched and shrunk. A second layer of polyamide can be applied to the wire coated in this way.
  • a method for the production of winding wires with two insulating layers made of different materials which is characterized in that on one by means of known wire enamels or wire enamel resins or on one by extrusion coating with partially crystalline NEN or amorphous thermoplastic polycondensates insulated electrical conductors, a second layer is applied by extrusion of a thermoplastic material such that the total layer thickness of both insulating layers meets the requirements of the German standard DIN 46435 (April 1977).
  • wire enamels or wire enamels are suitable for the basic insulation of the electrical conductor, which are used for the production of thermally stable winding wires of types M, W 155 and W 180 according to the German standard DIN 46416, parts 1, 4 and 5.
  • wire enamels or wire enamel resins based on terephthalic acid polyester, polyesterimide, polyamideimide and polyimide.
  • the wire enamels can be dissolved or dispersed in organic solvents or in water, or can be applied from the melt.
  • the partially crystalline thermoplastic polycondensates described in DE-B-2 638 763 such as, for. B. linear polyesters and polyamides and amorphous polyether sulfones or partially crystalline polyether ketones are suitable. These polycondensates can optionally be used in a mixture with dyes, pigments, fillers and other auxiliaries.
  • thermoplastic plastics are used for the second layer, the softening points of which are lower than that of the polycondensates of the first layer.
  • extrudable thermoplastic materials are suitable for the second insulation layer to be applied by extrusion in accordance with the invention, with the application of an adhesion promoter to the base layer or also interim heating of the insulated wire, if appropriate, to improve the adhesion between the two insulation layers.
  • an adhesion promoter to the base layer or also interim heating of the insulated wire, if appropriate, to improve the adhesion between the two insulation layers.
  • it is limited to those polymers that can be caked either by heating or by volatile solvents or that improve the mechanical properties of the already insulated enamelled wire - such as surface hardness, abrasion or elasticity.
  • Semi-crystalline or amorphous polyamides are particularly preferred. As partially crystalline polyamides such. B.
  • amorphous polyamides such.
  • Such polyamides are advantageous for the second layer, which already flow at moderately elevated temperatures and which firmly bake the windings or coils used, for example, in electrical engineering and consumer electronics, which makes the use of the usual impregnating lacquers or impregnating resins superfluous.
  • Polyvinyl acetates can also be used for the second layer.
  • polyvinyl butyrates are particularly preferred because of their swellability in volatile solvents, e.g. B. alcohols, which, as an alternative to the aforementioned thermal caking, allows the coils to solidify by the action of solvents.
  • Polyvinyl butyrates with degrees of butyralization of 70-80% and average molecular weights of 30,000-200,000 are particularly suitable for this area of application.
  • a decisive advantage of the process is that it is also possible to use polymers which are difficult or not at all soluble in conventional solvents.
  • Examples 1 and 2 soft-annealed round copper wire of 0.6 mm in diameter was used, which first passed through a preheating section and, after passing through the coating zone in the extruder head, through a stripping nozzle which regulates the layer thickness. After passing through a cooling section, the coated wire was wound up. The second layer was then applied.
  • the permissible minimum layer thickness for grade 1 (L) according to DIN 46435 is 0.026 fJ.m
  • the permissible maximum layer thickness for grade 2 (2 L) is 0.074 fJ.m.
  • the specified extruder temperatures relate to the distance from the inlet to the nozzle.
  • the last three temperature specifications apply to the nozzle system.
  • the adhesion was excellent when using ethanol or methanol.
  • a lubricant-free copper wire with a nominal diameter of 0.04 mm insulated with a polyesterimide-based wire enamel was used.
  • the total diameter of the insulated wire was 0.430 mm.
  • the diameter increase due to the basic insulation was therefore 30 ⁇ m.
  • the permissible minimum layer thickness for grade 1 (L) according to DIN 46435 is 0.024 ⁇ m
  • the permissible maximum layer thickness for grade 2 (2 L) is 0.062 ⁇ m.
  • Coating material for the second layer Transparent amorphous polyamide made from dimethyl terephthalate and trimethyl hexamethylene diamine (mixture of isomers from 2,2,4- and 2,4,4-trimethyl hexamethylene diamine).

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten mit zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Materialien, sogenannten Zweischichtlackdrähten.
  • Lackisolierte Wickeldrähte sind in der Deutschen Norm DIN 46435 von April 1977, wie in der Tabelle gezeigt wird, genau charakterisiert. Sie kommen in großem Umfang im Elektromaschinenbau, Transformatorenbau und in der Elektronik zum Einsatz.
    Figure imgb0001
  • Das Leitermetall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, ist mit einer dünnen, jedoch mechanisch und thermisch äußerst widerstandsfähigen Kunstharzlackschicht isoliert.
  • Die Herstellung derartiger Lackdrähte erfolgt auf Drahtlackiermaschinen durch mehrfaches kontinuierliches Auftragen eines Drahtlackes auf den Metalldraht.
  • Außer den lösungsmittelhaltigen Drahtlacken werden zur Drahtlackierung auch Drahtlackharz-Schmelzen oder -Dispersionen sowie wässrige Lösungen von Drahtlackharzen eingesetzt.
  • Alle diese bekannten Verfahren sind durch die damit erreichbaren verhältnismäßig niedrigen Abzugsgeschwindigkeiten jedoch recht arbeits- und zeitaufwendig.
  • Aus der Kabelindustrie ist seit langem die Extrusion von Thermoplasten zur dickwandigen Ummantelung elektrischer Leiterbündel sowie zur Herstellung von Leitungsdrähten bekannt.
  • - In der DE-B-2 638 763 wird ein Verfahren zur Herstellung von lackisolierten Wickeldrähten durch Extrusion von teilkristallinen thermoplastischen Polykondensaten mit Kristallitschmelzpunkten oberhalb 170 °C, vorzugsweise oberhalb 250 °C, beschrieben.
  • Der Vorteil dieses Verfahrens ist es, daß keine Nachbehandlung - etwa ein Nachstrecken oder eine Härtungsreaktion - erforderlich ist, was eine beträchtliche Zeit- und Energieeinsparung zur Folge hat.
  • Für spezielle Anwendungen in der Elektrotechnik, z. B. im Elektromaschinenbau und in der Unterhaltungselektronik, besteht nun ein Bedürfnis, auf die vorhandene Isolation eine weitere Schicht eines andersartigen Polymeren aufzubringen, um den erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitungssicherheit solcher Wickeldrähte zu genügen oder spezielle Effekte zu erzielen. Dazu gehören die Erhöhung der Oberflächenhärte und der Abriebfestigkeit sowie die Eigenschaft der isolierten Drähte, nach dem Wickeln durch Wärme oder Lösungsmittelbehandlung miteinander zu verkleben.
  • Im allgemeinen geschieht das in der Weise, daß als Grundisolierung ein Lack aus einem härtbaren wärmebeständigen Harz - wie z. B. Terephthalsäurepolyester- oder Polyesterimid-Harz - verwendet wird, der in üblichen Lackieranlagen mehrmals auf den Draht aufgetragen und dann eingebrannt wird.
  • Anschließend oder auch in einem Arbeitsgang wird dann als zweite Schicht ein Lack aus einem weiteren, vorzugsweise linearen Polymeren - wie z. B. Polyamid, Polyvinylacetat, Polyester, Polyamidimid - nach dem gleichen Verfahren auf die Leiter aufgetragen.
  • Nachteilig bei dem Verfahren ist die oft geringe Löslichkeit der vorzugsweise verwendeten linearen Polykondensate, so daß diese Lacke nur sehr geringe Festkörpergehalte aufweisen und aggressive Lösungsmittel erfordern, die beim Lackieren die Grundisolierung des Leiters nachteilig beeinflussen können.
  • Die US-A-2 360 097 beschreibt ein Extruderverfahren, bei dem Polyamid in Form eines Schlauches auf einen Draht aufextrudiert wird. Da der Draht eine höhere Geschwindigkeit besitzt als der austretende Kunststoff wird der Polyamidüberzug auf dem Draht verstreckt und aufgeschrumpft. Auf den derart beschichteten Draht kann eine zweite Schicht aus Polyamid aufgebracht werden.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten mit zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Materialien gefunden, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß auf einen mittels bekannter Drahtlacke oder Drahtlackharze bzw. auf einen durch Extrusionsbeschichtung mit teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Polykondensaten isolierten elektrischen Leiter eine zweite Schicht durch Extrusion eines thermoplastischen Kunststoffes derart aufgebracht wird, daß die Gesamtschichtstärke beider Isolierschichten den Anforderungen der Deutschen Norm DIN 46435 (April 1977) genügt.
  • Für die Grundisolierung des elektrischen Leiters sind alle üblichen und bekannten Drahtlacke bzw. Drahtlackharze geeignet, die zur Herstellung von wärmestabilen Wickeldrähten der Typen M, W 155 und W 180 gemäß der Deutschen Norm DIN 46416, Teil 1, 4 und 5 verwendet werden. Dies sind insbesondere Drahtlacke bzw. Drahtlackharze auf der Basis von Terephthalsäurepolyester, Polyesterimid, Polyamidimid und Polyimid. Die Drahtlacke können in organischen Lösungsmitteln oder in Wasser gelöst oder dispergiert sein, oder aber aus der Schmelze aufgetragen werden.
  • Für die durch Extrusionsbeschichtung hergestellte Grundisolierung des elektrischen Leiters sind die in der DE-B-2 638 763 beschriebenen teilkristallinen thermoplastischen Polykondensate, wie z. B. lineare Polyester und Polyamide sowie amorphe Polyäthersulfone bzw. teilkristalline Polyätherketone geeignet. Diese Polykondensate können gegebenenfalls in Mischung mit Farbstoffen, Pigmenten, Füllstoffen und sonstigen Hilfsmitteln eingesetzt werden.
  • In diesem Fall ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens darin zu sehen, daß für die zweite Schicht thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden, deren Erweichungspunkte niedriger liegen als die der Polykondensate der ersten Schicht.
  • Für die erfindungsgemäß durch Extrusion aufzutragende zweite Isolationsschicht sind im Prinzip zwar alle extrudierbaren thermoplastischen Kunststoffe geeignet, wobei gegebenenfalls zur Verbesserung der Haftung zwischen den beiden Isolationsschichten die Applizierung eines Haftvermittlers auf die Grundschicht oder auch eine zwischenzeitliche Erwärmung des isolierten Drahtes angebracht sein kann. In der Praxis beschränkt man sich jedoch auf solche Polymere, die entweder durch Erwärmung oder durch leicht flüchtige Lösungsmittel verbackbar sind oder die den bereits isolierten wärmebeständigen Lackdraht in seinen mechanischen Eigenschaften - wie Oberflächenhärte, Abrieb oder Elastizität - verbessern. Besonders bevorzugt sind teilkristalline oder amorphe Polyamide. Als teilkristalline Polyamide kommen z. B. durch Polykondensation aus aliphatischen Dicarbonsäuren und aliphatischen Diaminen hergestellte 6,6-Polyamide, 6,10-Polyamide u. a. in Frage, weiterhin die aus den Lactamen oder ω-Aminocarbonsäuren gebildeten 6-Polyamide, 11-Polyamide, 12-Polyamide u. a.
  • Als amorphe Polyamide sind z. B. geeignet : Ein aus Terephthalsäure bzw. Dimethylterephthalat und Trimethylhexamethylendiamin (Gemisch aus 2,2,4 und 2,4,4-Isomeren) hergestelltes transparentes Polyamid, weiterhin ein Mischpolyamid aus 3 Komponenten auf der Grundlage von Caprolactam, Hexamethylendiamin/Adipinsäure und p,p'-Diaminodicyclohexylmethan/Adipinsäure sowie weitere glasklare Mischpolyamide auf der Grundlage mehrerer Komponenten mit Glastemperaturen zwischen 100 und 200°C.
  • Vorteilhaft sind solche Polyamide für die zweite Schicht, die bereits bei mäßig erhöhten Temperaturen verfließen und die beispielsweise im Elektromaschinenbau und in der Unterhaltungselektronik eingesetzten Wicklungen bzw. Spulen fest verbacken, was den Einsatz der sonst üblichen Tränklacke bzw. Tränkharze überflüssig macht.
  • Weiterhin einsetzbar sind Polyvinylacetate für die zweite Schicht. Innerhalb dieser Stoffklasse besonders bevorzugt sind Polyvinylbutyrate wegen ihrer Quellbarkeit in leicht flüchtigen Lösungsmitteln, z. B. Alkoholen, die als Alternative zum vorgenannten thermischen Verbacken eine Verfestigung der Spulen durch Lösungsmitteleinwirkung zuläßt.
  • . Besonders geeignet für dieses Anwendungsgebiet sind Polyvinylbutyrate mit Butyralisierungsgraden von 70-80 % und durchschnittlichen Molekulargewichten von 30 000-200 000.
  • Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß auch Polymere eingesetzt werden können, die nur schwer oder gar nicht in üblichen Lösungsmitteln löslich sind.
  • Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der DE-A-2 728 883 beschrieben.
  • Im Fall der Herstellung der Grund- und der Deckschicht im Extrusionsverfahren wird entweder auf ein und demselben Extruder ein bereits mit einer Grundisolation der beschriebenen Art versehener Draht anschließend mit der zweiten Schicht versehen oder aber es werden im Tandemverfahren unter Verwendung von zwei hintereinandergeschalteten Extrudern beide Schichten in einem Arbeitsgang aufgetragen.
  • In den folgenden Beispielen werden die Verarbeitungsbedingungen für die einzelnen Polymersysteme sowie eigene Eigenschaften der gefertigten Wickeldrähte bei Benutzung der in der DE-A-2 728 883 beschriebenen Fertigungseinrichtung angegeben.
  • In den Beispielen 1 und 2 kam weichgeglühter Kupferrunddraht von 0,6 mm Durchmesser zum Einsatz, der über eine Abspulvorrichtung zunächst eine Vorheizstrecke und nach Passieren der Beschichtungszone im Extruderkopf eine Abstreiferdüse, die die Schichtstärke reguliert, durchlief. Nach Passieren einer Kühlstrecke wurde der beschichtete Draht aufgespult. Anschließend wurde die zweite Schicht aufgetragen. Die nach DIN 46435 zulässige Mindestschichtdicke für Grad 1 (L) beträgt 0,026 fJ.m, die zulässige maximale Schichtdicke für Grad 2 (2 L) 0,074 fJ.m.
  • Die angegebenen Extrudertemperaturen beziehen sich jeweils auf die Strecke vom Einlauf bis zur Düse. Die drei letzten Temperaturangaben gelten für das Düsensystem.
    • Beispiel 1
  • Beschichtungsmaterial :
    • 1. Schicht : Polyäthylenterephthalat pigmentiert mit 8 % Titandioxid
    • 2. Schicht : 12-Polyamid (Polymeres aus Laurinlactam, Schmelzpunkt ca. 180 °C)
  • Verarbeitungsbedingungen :
    • Extrusionstemperatur :
      • 1. Schicht: 240/250/260/270/270/280 °C
      • 2. Schicht : 165/180/180/190/200/220 °C
  • Abzugsgeschwindigkeit :
    • 1. Schicht : 200 m/min
    • 2. Schicht : 200 m/min
  • Schichtstärke (Durchmesserzunahme)
    • 1. Schicht : 34 µm
    • 2. Schicht : 30 µm
  • Eigenschaften der Wickeldrähte :
    • Härte : B
    • Erweichungstemperatur: 245 °C
  • Die hohe Elastizität und gute Haftung der Beschichtung wird dadurch dokumentiert, daß nach Dehnen des Drahtes bis zum Bruch (23 %) eine Wickellocke um den einfachen Drahtdurchmesser (0,6 mm) noch rissfrei war.
  • Verzinnbarkeit : bei 375 °C in Lötzinn 60/40/3,5 s
    • bei 420 °C in Lötzinn 60/40 : 2,0 s
    • Durchschlagsspannung (nach DIN 46453). Teil 1, (Abs. 13.2.2.) : 5,0 kV
    • Verbackungstemperatur (nach DIN 46453, Teil 1, Abs. 18.2.1.) : 200 °C
    • Wiedererweichungstemperatur (nach DIN 46453, Teil 1, Abs. 18.2.2.) : 130 °C
    Beispiel 2
  • Beschichtungsmaterial
    • 1. Schicht : Polyäthylenterephthalat pigmentiert mit 8 % Titandioxid
    • 2. Schicht: Polyvinylbutyrat, mittleres Molekulargewicht ca. 100000
      • Verarbeitungsbedingungen :
      • Extrusionstemperaturen :
        • 1. Schicht: 240/250/260/270/270/280 °C
        • 2. Schicht : 120/160/180/170/170/190 °C
  • Abzugsgeschwindigkeit:
    • 1. Schicht : 200 m/min
    • 2. Schicht: 100 m/min
  • Schichtstärke (Durchmesserzunahme)
    • 1. Schicht : 44 µm
    • 2. Schicht : 22 µm

    also Gesamtdurchmesserzunahme : 66 µm
  • Eigenschaften der Wickeldrähte :
    • Härte : H
    • Wickellocke über den einfachen Drahtdurchmesser nach 20% Vordehnung des Drahtes ohne Risse
  • Verbackungstest :
    • 2 Drahtenden werden ohne sich zu berühren 5 Sekunden in Lösungsmittel getaucht und anschließend aneinandergepreßt. Beim Auseinanderziehen wird die Verklebung der Drähte beurteilt.
  • Bei Verwendung von Äthanol oder Methanol war die Verklebung ausgezeichnet.
    • Beispiel 3
  • Zum Einsatz kam ein mit einem Drahtlack auf Polyesterimidbasis nach üblichen Methoden isolierter gleitmittelfreier Kupferdraht mit einem Nenndurchmesser von 0,04 mm. Der Gesamtdurchmesser des isolierten Drahtes betrug 0,430 mm. Die Durchmesserzunahme durch die Grundisolierung betrug also 30 µm. Die nach DIN 46435 zulässige Mindestschichticke für Grad 1 (L) beträgt 0,024 µm, die zulässige maximale Schichtdicke für Grad 2 (2 L) 0,062 µm.
    Figure imgb0002
  • Beschichtungsmaterial für die zweite Schicht : Transparentes amorphes Polyamid aus Dimethylterephthalat und Trimethylhexamethylendiamin (Isomerengemisch aus 2,2,4- und 2,4,4-Trimethylhexamethylendiamin).
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten mit zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen mittels bekannter Drahtlacke oder Drahtlackharze bzw. auf einen durch Extrusionsbeschichtung mit teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Polykondensaten isolierten elektrischen Leiter eine zweite Schicht durch Extrusion eines thermoplastischen Kunststoffes derart aufgebracht wird, daß die Gesamtschichtstärke beider Isolierschichten den Anforderungen der Deutschen Norm 46435 (April 1977) genügt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Materials für die zweite Schicht teilkristalline oder amorphe Polyamide verwendet werden..
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die zweite Schicht Polyvinylacetal verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyvinylacetal Polyvinylbutyral verwendet wird.
EP80107816A 1979-12-18 1980-12-11 Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten Expired EP0030717B1 (de)

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AT7988/79 1979-12-18
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