EP3394861B1 - Isolierter elektrischer leiter - Google Patents

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EP3394861B1
EP3394861B1 EP17711216.6A EP17711216A EP3394861B1 EP 3394861 B1 EP3394861 B1 EP 3394861B1 EP 17711216 A EP17711216 A EP 17711216A EP 3394861 B1 EP3394861 B1 EP 3394861B1
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EP
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electric conductor
insulating layer
insulating
electrical conductor
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Jürgen Hochstöger
Rudolf Schrayvogel
Ewald Koppensteiner
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Gebauer and Griller Metallwerk GmbH
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Definitions

  • the invention relates to an insulated electrical conductor comprising an electrical conductor, preferably of copper or aluminum, with an insulating coating, wherein the insulating coating comprises at least one outer insulating layer made of thermoplastic material, and to a method for producing such an insulated electrical conductor.
  • Insulated electrical conductors are installed in almost any electrical device to conduct electrical current without causing short circuits that may be caused by the contact of non-electrically insulated conductors.
  • Such insulated electrical conductors comprise a copper electrical conductor and a coating electrically insulating the electrical conductor, which usually comprises one or more layers.
  • the insulating coating comprises an insulating layer of thermoplastic material.
  • a round cut is usually carried out on the insulated electrical conductor perpendicular to a conductor axis, the electrical conductor is stretched by 20% and then the detachment of the insulating coating from the electrical conductor is measured. The lower the detachment of the insulating coating from the electrical conductor, the better the adhesion.
  • the JPH03222210A discloses a method of making an insulated electrical conductor in which the conductor surface is cleaned in a gas plasma.
  • the electrical conductor of generic insulated electrical conductors consists of copper or an alloy with a high copper content or aluminum or other electrically conductive materials. Under the electrical conductor is understood to mean both a single conductor and a strand containing several individual conductors.
  • the cross-sectional geometry of the electrical conductor which is normal to a conductor axis, can have any geometric shape: square, rectangular, circular or elliptical, where it Usually, any edges should be rounded off or profiled.
  • the insulation of the electrical conductor is ensured by the provided at least one insulating layer of thermoplastic material, wherein the at least one insulating layer can advantageously form the outermost layer of the insulating coating. However, it is also conceivable that one or more further insulation layers are applied to the at least one insulation layer.
  • an oxide layer for example of copper oxide or aluminum oxide, forms on the surface of the electrical conductor.
  • the oxide layer has a negative effect on the adhesion properties of a layer of the insulating coating applied to the surface of the electrical conductor.
  • the adhesion of the layer of the insulating coating applied to the surface of the electrical conductor removed from the oxide layer is significantly improved. It has been found that the oxide layer can be completely removed by a plasma treatment under an oxygen-free protective gas atmosphere, wherein other impurities can be removed by the plasma treatment. It is even possible that the top atomic layers of the electrical conductor are removed by the plasma treatment.
  • a gas plasma is generated in the protective gas atmosphere and the electrical conductor in the plasma is bombarded with ions of the protective gas in order to remove at least the oxide layer by the ion bombardment.
  • Suitable protective gas or process gas are, for example, nitrogen, argon or hydrogen.
  • the plasma treatment has, in addition to the removal of the oxide layer, further positive effects on the insulated electrical conductor: on the one hand, the electrical conductor is heated by the impact energy of the ions on the surface and can be annealed during the plasma treatment to On the other hand, the surface energy of the electrical conductor can be increased by the ion bombardment, which additionally improves the adhesion of the insulating coating to the surface of the electrical conductor.
  • Another effect of the plasma treatment is to increase the micro-roughness of the surface of the electrical conductor, which also has a positive effect on the adhesion of the insulating coating.
  • At least part of the insulating coating is applied to the surface of the electrical conductor under a protective gas atmosphere, preferably under the same protective gas atmosphere under which the plasma treatment is carried out.
  • An inventive insulated electrical conductor has by the direct application of a plastic-containing intermediate layer of the insulating coating or by the direct application of the insulating layer of thermoplastic material on the plasma-treated and thus oxide layer-free surface of the electrical conductor particularly good adhesion properties: Is a wrap around the insulated electrical conductor vertically carried out to a conductor axis and the conductor stretched by 20% so the detachment of the insulating coating from the electrical conductor measured in the direction of the conductor axis is only a maximum of 3 mm, preferably a maximum of 2 mm, in particular a maximum of 1 mm.
  • the adhesion effect is thus achieved in both variants in that a plastic layer, which preferably consists of plastic, is applied directly under inert gas atmosphere on the plasma-cleaned and thus oxide layer-free surface of the electrical conductor.
  • the plastic layer may directly be the at least one insulating layer of thermoplastic material if no intermediate layer is provided.
  • the plastic layer may also be a plastic-containing intermediate layer, preferably a plasma polymer layer or at least one fluoropolymer layer. If the insulating coating has a plastic-containing intermediate layer, the at least one insulating layer is preferably applied directly to the plastic-containing intermediate layer. However, it is also conceivable that one or more further intermediate layers are provided between the plastic-containing intermediate layer and the at least one insulating layer.
  • the plastic-containing intermediate layer of the insulating coating is preferably the plasma polymer layer or the at least one fluoropolymer layer.
  • the insulating coating consists of the at least one insulating layer, ie has no further intermediate layers.
  • the detachment of the insulating coating from the electrical conductor usually remains well below 1 mm, in particular at most 0.2 mm, preferably at most 0.1 mm, preferably at most 0.05 mm, particularly preferably at maximum 0.01 mm, is when the at least one insulating layer is applied directly to the surface of the electrical conductor.
  • the at least one insulating layer comprises a polyaryletherketone [PAEK], in particular polyetheretherketone [PEEK], or consists of polyaryletherketone [PAEK], in particular polyetheretherketone [PEEK].
  • an insulated electrical conductor generally comprising an electrical conductor, preferably made of copper or aluminum, with an insulating coating the insulating coating either comprises at least one insulating layer of thermoplastic material or at least one insulating layer of thermoplastic Plastic and a plastic-containing intermediate layer, preferably a plasma polymer layer or at least one fluoropolymer layer comprises, wherein a formed on a surface of the electrical conductor oxide layer, preferably by bombardment of the electrical conductor with ions of a protective gas of a protective gas atmosphere in a gas plasma, is removed and subsequently either the at least one insulating layer is applied directly to the oxide layer-free surface of the electrical conductor or, in the case that the coating comprises the plastic-containing intermediate layer, at least the plastic-containing intermediate layer of the insulating coating is applied directly to the oxide layer-free surface of the electrical conductor.
  • a variant of the invention provides that the electrical conductor is arranged continuously until the application of the insulating coating under a protective gas atmosphere in order to prevent the formation of a new oxide layer on the surface of the electrical conductor. It is also possible to pass through several inert gas atmospheres in succession, as long as the plasma-treated electrical conductor is arranged uninterruptedly under one of the inert gas atmospheres.
  • the gas plasma for bombarding the electrical conductor is a low-pressure plasma, preferably with a pressure below 80 mbar, which can be produced in a manner known per se. For example, pressures below 50 mbar or even below 20 mbar are conceivable.
  • the insulating coating in particular the at least one insulating layer, a temperature resistance of at least 180 ° C, preferably of at least 200 ° C, in particular of at least 220 ° C.
  • thermoplastic of the at least one insulating layer is selected from the group consisting of polyaryletherketone [PAEK], polyimide [PI], polyamideimide [PAI], polyetherimide [PEI], polyphenylene sulfide [PPS], and combinations thereof.
  • PAEK polyaryletherketone
  • PI polyimide
  • PAI polyamideimide
  • PEI polyetherimide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • thermoplastic material may comprise one or more of the above-mentioned plastics and optionally further constituents, such as fiber material, fillers or other plastics.
  • Polyaryl ether ketones are composed of oxygen bridges, ie ether or ketone groups, linked phenyl groups, the number and sequence of the ether or ketone groups within the polyaryl ether ketones being variable.
  • Polyimides are plastics whose most important structural feature is the imide group. These include u. a. Polysuccinimide (PSI), polybismaleimide (PBMI) and polyoxadiazobenzimidazole (PBO), polyimide sulfone (PISO) and polymethacrylimide (PMI).
  • thermoplastic of the at least one insulation layer is a polyaryletherketone [PAEK] selected from the group consisting of polyetherketone [PEK], polyetheretherketone [PEEK], polyetherketone ketone [PEKK ], Polyether ether ketone ketone [PEEKK], polyether ketone ether ketone ketone [PEKEKK] and combinations thereof.
  • PAEK polyaryletherketone
  • Polyetheretherketone [PEEK] has proven particularly suitable for the at least one insulating layer.
  • the at least one insulating layer has a thickness between 10 and 1000 ⁇ m, preferably between 25 ⁇ m and 750 ⁇ m, particularly preferably between 30 ⁇ m and 500 ⁇ m, in particular between 50 ⁇ m and 250 ⁇ m.
  • layer thicknesses are conceivable, for example 40 .mu.m, 60 .mu.m, 80 .mu.m, 100 .mu.m or 200 .mu.m, to name a few possibilities.
  • the stated values can relate both to the thickness of a single layer of the insulating layer and to the total thickness of the insulating layer if the insulating layer comprises more than one layer.
  • the at least one insulating layer can be produced cheaply and quickly if it is applied by an extrusion process, that is, it is extruded. Therefore, in a further preferred embodiment variant of the invention, it is provided that the, preferably outer, insulating layer can be produced by means of an extrusion method.
  • the insulating coating consists of the at least one insulating layer and the at least one insulating layer is applied directly to the surface of the electrical conductor, a particularly simple and cost-effective production of an insulated electrical conductor according to the invention is made possible because the adhesion of the at least one insulating layer to the surface of the electrical conductor by the plasma treatment is already so good that no intermediate layers are necessary.
  • the insulating coating consists of the at least one insulating layer and that, when applied directly to the surface of the electrical conductor, Plastic containing intermediate layer is the at least one insulating layer.
  • the particularly preferred embodiment relates to an insulated electrical conductor comprising an electrical conductor, preferably made of copper or aluminum, with an insulating coating, wherein the insulating coating consists of at least one insulating layer of thermoplastic material, obtainable by a method in which the electrical conductor below an inert gas atmosphere in a gas plasma is bombarded with ions of the protective gas to remove an oxide layer formed on a surface of the electrical conductor and / or to increase the surface energy of the electrical conductor, and the at least one insulating layer applied directly to the surface of the electrical conductor is applied, the at least one insulating layer under a protective gas atmosphere on the electrical conductor.
  • the particularly preferred embodiment also relates to an insulated electrical conductor comprising an electrical conductor, preferably of copper or aluminum, with an insulating coating, wherein the insulating coating consists of at least one insulating layer of thermoplastic material, wherein according to the invention it is provided that an oxide layer formed on a surface of the electrical conductor is removed by bombardment of the electrical conductor with ions of a protective gas of a protective gas atmosphere in a gas plasma and subsequently the at least one insulation layer is applied directly to the oxide layer-free surface of the electrical conductor.
  • the insulating coating may, for example, consist only of a single insulating layer, which is applied directly on the surface of the electrical conductor, in order to allow a particularly simple production.
  • the insulating Coating consists of exactly two or more than two, for example, three or four, insulating layers.
  • a lowermost insulating layer is applied directly on the surface of the electrical conductor, wherein the further insulating layers are respectively applied to one of the preceding insulating layers.
  • At least one, for example one, two, three or four, further insulating layer of thermoplastic material can be applied to the insulating coating or to the insulating coating consisting of the at least one insulating layer.
  • the at least one further insulating layer is preferably constructed analogously to the at least one insulating layer, so that the thermoplastic of the at least one further insulating layer is selected from the group consisting of polyaryletherketone [PAEK], in particular polyetheretherketone [PEEK], polyimide [PI], polyamideimide [PAI], polyetherimide [PEI], polyphenylene sulfide [PPS] and combinations thereof.
  • the defective sections of the at least one insulating layer are generally relatively small areas, it is also conceivable for at least one further insulating layer outside the protective gas atmosphere to be applied to the insulating coating in order to cover any defective sections of the insulating coating in the region of the defective portions of the insulating coating, the adhesion of the further insulating layer is not improved.
  • other insulation layers can be applied if a greater thickness of the insulation is required. Therefore, in a further embodiment of the invention, it is provided that at least one, preferably one, two or three, further insulating layer is applied to the insulating coating, wherein the at least one further insulating layer is not applied under a protective gas atmosphere.
  • the insulating coating in order to improve the adhesion of the insulating coating to the surface of the electrical conductor, it is provided that the insulating coating has a plasma polymer layer of crosslinked macromolecules of non-uniform chain length applied directly to the surface of the electrical conductor, which plasma polymer layer by polymerization of a gaseous monomer in a gas plasma, preferably in the gas plasma for bombarding the electrical conductor, can be produced.
  • the intermediate layer of the insulating coating which is applied directly to the surface of the electrical conductor, is the plasma polymer layer in this exemplary embodiment.
  • the plasma polymer layer serves as an intermediate layer and, on the one hand, adheres excellently to the surface of the electrical conductor and, on the other hand, enables increased adhesion of the layer of the insulating coating applied to the plasma polymer layer, for example the at least one insulation layer.
  • a further embodiment variant of the first alternative embodiment provides that the plasma polymer layer has a thickness of 1 ⁇ m or less. It is conceivable thicknesses up to one hundredth of a micrometer as the lower limit. Due to the small layer thickness, the plasma polymer layer affects only insignificantly on the entire thickness of the insulated electrical conductor.
  • the monomer for producing the plasma polymer layer is ethylene, buthenol, acetone or tetrafluoromethane [CF 4 ].
  • the plasma polymer layers formed by these monomers in the plasma are distinguished by particularly good adhesion properties.
  • the plasma polymer layer should have similar properties as polytetrafluoroethylene [PTFE] or perfluoroethylene propylene [FEP], CF 4 is suitable as a monomer.
  • the insulating coating has at least one, applied directly to the surface of the electrical conductor, preferably polytetrafluoroethylene [PTFE] or perfluoroethylene propylene [FEP] comprising fluoropolymer layer.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP perfluoroethylene propylene
  • the fluoropolymer layer is also distinguished by excellent adhesion properties, both on the electrical conductor and on the layer applied to the fluoropolymer layer, and serves as an intermediate layer of the insulating coating. It is also conceivable that several fluoropolymer layers, for example two three or four, are applied one above the other to the electrical conductor.
  • the thickness of the at least one fluoropolymer layer is between 1 ⁇ m and 120 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m, more preferably between 10 ⁇ m and 80 ⁇ m, in particular between 20 ⁇ m and 50 ⁇ m ,
  • the entire insulating coating in one preferred embodiment of the invention applied under a protective gas atmosphere.
  • the at least one insulating layer is applied directly to the plasma polymer layer or the at least one fluoropolymer layer.
  • the insulating coating consists of at least two layers: the first lower, directly applied to the electrical conductor layer according to the first or second alternative embodiment and the second upper layer in the form of at least one insulating layer of thermoplastic material.
  • the outermost layer of the insulating coating can be formed either by the at least one insulation layer itself or by one or more further layers.
  • the electrical conductor preferably made of copper or aluminum, is subjected to the process in the form of a band or a wire.
  • the electrical conductor is either "in-line", ie directly after the production of the electrical conductor (such as by cold forming or extrusion), treated according to the inventive method or the electrical conductor is provided in a wound-up form via a coil outlet.
  • the electrical conductor is subjected to a mechanical and / or chemical pre-cleaning before the plasma treatment.
  • the plasma treatment is carried out analogously to the previous embodiments, wherein the electrical conductor is continuously conveyed through the plasma treatment unit performing the plasma treatment.
  • the thickness of the layer removed by the plasma treatment from the electrical conductor can be adjusted precisely.
  • the insulating coating is applied to the treated surface of the electrical conductor.
  • the insulating coating adheres particularly well on the surface of the electrical conductor due to the removal of the oxide layer or by the activation of the surface by increasing the surface energy of the electrical conductor.
  • the electrical conductor is arranged continuously until the application of the insulating coating under a protective gas atmosphere.
  • thermoplastic material if two, three or more insulating layers of thermoplastic material are provided, at least the first of the insulating layers is applied directly to the surface of the electrical conductor and the subsequent insulation layers are at least partially applied to the underlying insulating layers.
  • thermoplastic of the at least one insulating layer is selected from the group consisting of polyaryletherketone [PAEK], in particular polyetheretherketone [PEEK], polyimide [PI], polyamideimide [PAI], polyetherimide [PEI], polyphenylene sulfide [ PPS] and combinations thereof.
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PI polyimide
  • PAI polyamideimide
  • PEI polyetherimide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • a variant of the method provides that the at least one insulating layer is extruded. Extrusion is a cost-effective method for applying the insulation layer and is particularly suitable for PAEK, in particular PEEK, and PPS.
  • the at least one insulating layer can thus also be applied in a simple manner as the outermost layer of the insulating coating.
  • the electrical conductor By preheating the electrical conductor, which is particularly advantageous when the at least one insulating layer or the insulating coating is extruded directly onto the surface of the electrical conductor, a sudden cooling of the plastic-containing intermediate layer is reduced in contact with the electrical conductor and thus negative influences on the adhesion minimized.
  • the electrical conductor is cooled before the application of the insulating coating in order to overheat, such as a melt, the plastic-containing intermediate layer in contact with the electrical conductor to prevent. Therefore, in a further preferred embodiment variant of the method according to the invention, provision is made for the electrical conductor to be brought to a temperature of at least 200 ° C., preferably at least 400 ° C., before the application of the insulating coating.
  • the insulated electrical conductor is cooled depending on the strength of the at least one insulation layer to be achieved.
  • the adjustment of the mechanical properties of the at least one insulating layer, in particular the mechanical strength, takes place, inter alia, by the defined cooling of the insulated electrical conductor and the consequent adjustment of the degree of crystallization and is particularly important if the at least one insulating layer is the outermost layer the insulating coating is. If, for example, the insulated electrical conductor is cooled slowly, for example by cooling in the air, the crystallinity of the at least one insulation layer is high. It is also conceivable quenching in a water bath, so an abrupt cooling, or a combination of abrupt and slow cooling.
  • the insulating coating consists of the at least one insulating layer and that the at least one insulating layer as a plastic-containing intermediate layer of the insulating coating under a protective gas atmosphere directly on the surface of the electrical Ladder is applied.
  • the following process step is carried out accordingly: Applying an insulating coating on the surface of the electrical conductor, wherein the insulating coating consists of at least one insulating layer of thermoplastic material and wherein the at least one insulating layer is applied directly under inert gas atmosphere on the surface of the electrical conductor.
  • the insulating coating consists of at least two, preferably exactly two, insulating layers and the insulating coating is produced by tandem extrusion under a protective gas atmosphere.
  • the tandem extrusion the at least two insulation layers are produced independently of one another, so that blockage of an extrusion tool only causes an error in one of the insulation layers.
  • the defective section is covered by the subsequent extrusion steps with high probability.
  • thermoplastic of the at least one further insulating layer is preferably selected from the group consisting of polyaryletherketone [PAEK], in particular polyetheretherketone [PEEK], polyimide [PI], polyamideimide [PAI], polyetherimide [PEI], polyphenylene sulfide [PPS] and combinations thereof.
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PI polyimide
  • PAI polyamideimide
  • PEI polyetherimide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the insulating coating comprises at least one fluoropolymer layer which is applied directly to the surface of the electrical conductor as a plastic-containing intermediate layer
  • the steps required for producing the insulating coating can be reduced by the fact that the at least one insulating layer and the at least one fluoropolymer Layer can be prepared by co-or tandem extrusion.
  • both layers can be produced in a single manufacturing step and with an extrusion unit.
  • a plasma polymer layer is applied as a plastic-containing intermediate layer.
  • an inventive insulated electrical conductor is used as a winding wire for electric machines, preferably electric motors or transformers.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a method for producing an insulated electrical conductor, as shown in the FIGS. 2a to 2d or. 3a to 3d is shown.
  • the insulated electrical conductor comprises an electrical conductor 1 made of copper, wherein other materials such as aluminum are conceivable, and an insulating coating 2, which has at least one insulating layer 3 of thermoplastic, preferably high temperature resistant, plastic.
  • the at least one insulating layer 3 is formed as an outer insulating layer 3 and thus forms the outermost layer of insulating coating 2.
  • one or more further layers, preferably insulating layers can be applied, which can then form the outermost layer of the insulating coating 2.
  • the electrical conductor 1 is continuously supplied in the illustrated embodiment as a belt or wire via a coil outlet 7 to the process and can be prepared for example by means of cold forming process, such as drawing or rolling, or extrusion, for example by means of Conform® technology. It goes without saying that the method according to the invention can also be carried out "in-line", that is, directly connected to the production process.
  • the electrical conductor 1 is prepurified in a pre-cleaning unit 8 mechanically, for instance by means of a grinding process, or chemically, for instance by means of suitable solvents or acids, in order to remove coarse dirt from the electrical conductor 1.
  • the pre-cleaned electrical conductor 1 enters a plasma treatment unit 9 in which a protective gas atmosphere of nitrogen, argon or hydrogen prevails and a gas plasma in the form of a low-pressure plasma with less than 20 mbar pressure is produced.
  • a low-pressure plasma can be produced even at a pressure of less than 80 mbar.
  • the surface of the electrical conductor 1 is bombarded with ions of the protective gas in order to remove or remove an oxide layer formed on a surface of the electrical conductor 1.
  • the electrical conductor 1 is soft-annealed by the plasma treatment and the surface energy of the electrical conductor 1 therefore increases, activating the surface.
  • the adhesion between the electrical conductor 1 made of copper and the applied on the electrical conductor 1 insulating coating 2 can be significantly improved.
  • the insulating coating 2 consists only of an insulating layer 3.
  • the insulating layer 3 has a temperature resistance of over 180 ° C, preferably of over 220 ° C, so that the insulated electrical conductor can be used even at high operating temperatures.
  • the outer insulation layer 3 consists of polyetheretherketone [PEEK], which has both high temperature resistance and high resistance to a large number of organic and inorganic substances.
  • the outer insulation layer 3 may also consist of polyphenylene sulfide [PPS] or comprise PEEK and / or PPS.
  • the electrical conductor 1 passes after passing through the plasma treatment unit 9 in the extrusion unit 11 in which the outer insulating layer 3 is extruded onto the electrical conductor 1.
  • the electrical conductor 1 is preheated to a temperature of at least 200 ° C, preferably at least 300 ° C.
  • both the extrusion and the transport of the conductor 1 in the extrusion unit 11 takes place under a protective gas atmosphere.
  • An insulated electrical conductor produced in this way can be used, for example, as a winding wire, which is also known in English as "magnet wire", in an electric machine, such as an electric motor or a transformer.
  • the thickness of the outer insulating layer 3 is about 30 microns in the present embodiment.
  • the insulating layer 3 consists of a polyaryletherketone [PAEK] such as polyetheretherketone [PEEK], particularly good adhesion properties are achieved.
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • the detachment of the insulating layer 3 from the electrical conductor 1 usually remains well below 1 mm, and in particular is at most 0.2 mm, preferably at most 0.1 mm, preferably at most 0.05 mm, particularly preferably at most 0.01 mm.
  • the thermoplastic material of the insulation layer 3 is polyimide [PI], polyamide-imide [PAI], polyetherimide [PEI], polyphenylene sulfide [PPS], increased adhesion properties can be achieved.
  • the at least one insulation layer 3 may also comprise two, three, four or more individual insulation layers 3, all of which are produced under a protective gas atmosphere in the extrusion unit 11.
  • the probability of errors in the insulating coating 2 can be drastically reduced, since errors in the lowermost of the insulation layers 3 are compensated by subsequent insulation layers 3. Tandem extrusion processes are particularly suitable for such a preparation.
  • further insulation layers which are preferably constructed analogously to the at least one insulation layer 3, ie in particular of a polyaryletherketone [PAEK] such as polyetheretherketone [PEEK] or another of the aforementioned plastics, outside the inert gas atmosphere in a further extrusion unit 12 are applied to the insulating coating 2.
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • This plasma polymer layer 4 is in process according to the invention in a plasma polymerization unit 10, which is arranged after the plasma treatment unit 9 and before the extrusion unit 11. It is also conceivable that the plasma treatment and the plasma polymerization are carried out in a combined device.
  • the plasma polymer layer 4 is formed on the surface of the electrical conductor 1 by reacting a gaseous monomer such as ethylene, butenol, acetone or tetrafluoromethane [CF 4 ] is activated by the plasma and thereby highly crosslinked macromolecules of different chain length and a proportion of free radicals form, which deposit as a plasma polymer layer 4 on the surface of the electrical conductor 1.
  • a gaseous monomer such as ethylene, butenol, acetone or tetrafluoromethane [CF 4 ]
  • the resulting plasma polymer layer 4 is less than 1 ⁇ m thick and adheres particularly well to the activated and oxide-free surface of the electrical conductor 1.
  • the outer insulation layer 3 is in turn extruded onto the plasma polymer layer 4 in the extrusion unit 11 as described above, whereby the adhesion between the plasma polymer layer 4 and the outer insulation layer 3 is also high.
  • the insulating coating 2 comprises, in addition to the outer insulation layer 3 made of PEEK, a plastic layer formed as a fluoropolymer layer 5 of polytetrafluoroethylene [PTFE] or perfluoroethylene propylene [FEP], which is applied directly to the surface of the electrical conductor 1 and the adhesion between the electrical conductor 1 and the outer insulating layer 3 further improved.
  • the fluoropolymer layer 5 is produced together with the outer insulation layer 3 in the extrusion unit 11 by means of a co-or tandem extrusion process.
  • the thickness of the fluoropolymer layer 5 is in the present embodiment about 30 microns.
  • the insulated electrical conductor After extruding the outer insulation layer 3, the insulated electrical conductor is cooled in a controlled manner, for example by air cooling, and passed over a series of pressure rollers which further improve adhesion by applying pressure to the insulated electrical conductor. Finally, the insulated electrical conductor is wound on a Spulenaufwickler 13.
  • Fig. 1 it is an overview, in which all the facilities are shown, which are necessary for the production of the individual variants. While the order, from right to left, of the devices passed through are independent of the embodiment and in any case, the plasma treatment unit 9 and the extrusion unit 11 have to be traversed, the plasma polymerization unit 9 and the further extrusion unit 12 optional equipment that is used only in the production of specific design variants. It goes without saying that instead of a co-or tandem extrusion process, several individual extrusions can be carried out sequentially.

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen isolierten elektrischen Leiter umfassend einen elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einer isolierenden Beschichtung, wobei die isolierende Beschichtung zumindest eine äußere Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff umfasst, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen isolierten elektrischen Leiters.
    • STAND DER TECHNIK
  • Isolierte elektrische Leiter werden in nahezu jedem elektrischen Gerät verbaut, um elektrischen Strom zu leiten ohne dabei Kurzschlüsse zu verursachen, die durch den Kontakt von nicht elektrisch isolierten Leitern verursacht werden können. Derartige isolierte elektrische Leiter umfassen einen elektrischen Leiter aus Kupfer und eine den elektrischen Leiter elektrisch isolierenden Beschichtung, die üblicher Weise eine oder mehrere Schichten aufweist. Um die Isolierung des elektrischen Leiters sicherzustellen umfasst die isolierende Beschichtung eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff.
  • Während es in vielen Anwendungsgebieten vorteilhaft ist, wenn die Haftung der isolierenden Beschichtung am elektrischen Leiter schwach ausgebildet ist, um ein leichtes Abisolieren des elektrischen Leiters zu ermöglichen, ist es in anderen Anwendungsgebieten erwünscht, eine möglichst große Haftung sicherzustellen. Solche Anwendungsgebiete finden sich beispielsweise im Elektromaschinenbau und insbesondere bei Elektromotoren oder Transformatoren, wo die isolierten elektrischen Leiter auch einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind. Die Verarbeitbarkeit der isolierten elektrischen Leiter erfordert dabei oftmals eine erhöhte Haftung der isolierenden Beschichtung am elektrischen Leiter, teilweise auch bei hohen Betriebstemperaturen.
  • Um die Haftung zu überprüfen wird üblicher Weise ein Rundumschnitt am isolierten elektrischen Leiter senkrecht zu einer Leiterachse durchgeführt, der elektrische Leiter um 20% gedehnt und danach die Ablösung der isolierenden Beschichtung vom elektrischen Leiter gemessen. Desto geringer die Ablösung der isolierenden Beschichtung vom elektrischen Leiter ist, desto besser ist die Haftung.
  • In herkömmlichen isolierten elektrischen Leiter die eine isolierende Beschichtung mit einer, vorzugsweise hochtemperaturbeständigen, Isolationsschicht aufweisen, ist die Haftung zwischen dem elektrischen Leiter, insbesondere aus Kupfer, und der isolierenden Beschichtung, insbesondere der Isolationsschicht, eher gering, da die Haftung eines Kunststoffs am elektrischen Leiter aufgrund der Oberflächeneigenschaften gering ist. Die JPH03222210A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines isolierten elektrischen Leiters bei welchem die Leiteroberfläche in einem Gas-Plasma gereinigt wird.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen isolierten elektrischen Leiter vorzuschlagen, welcher die Nachteile des Stands der Technik überwindet und eine gute Haftung zwischen der isolierenden Beschichtung und dem elektrischen Leiter gewährleistet.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der elektrische Leiter gattungsgemäßer isolierter elektrischer Leiter besteht aus Kupfer oder einer Legierung mit einem hohen Kupferanteil oder Aluminium oder sonstigen elektrisch leitfähigen Materialien. Unter dem elektrischen Leiter wird dabei sowohl ein Einzelleiter als auch eine mehrere Einzelleiter enthaltende Litze verstanden. Die Querschnittsgeometrie des elektrischen Leiters, welche normal auf eine Leiterachse steht, kann dabei eine beliebige geometrische Form aufweisen: quadratisch, rechteckig, kreisrund oder elliptisch, wobei es üblich ist etwaige Kanten abzurunden, bzw. profiliert. Die Isolation des elektrischen Leiters wird durch die vorgesehene zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff sichergestellt, wobei die zumindest eine Isolationsschicht vorteilhafter Weise die äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung ausbilden kann. Es ist aber auch denkbar, dass auf der zumindest einen Isolationsschicht eine oder mehrere weitere Isolationsschichten aufgetragen sind.
  • Durch den Kontakt mit Sauerstoff, der unausweichlich ist sofern der elektrische Leiter der Atmosphäre ausgesetzt ist, bildet sich eine Oxidschicht, beispielsweise aus Kupferoxid oder Aluminiumoxid, an der Oberfläche des elektrischen Leiters aus. Umfassende Versuchsreihen haben gezeigt, dass sich die Oxidschicht negativ auf die Haftungseigenschaften einer auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebrachten Schicht der isolierenden Beschichtung auswirkt.
  • Wenn jedoch die Oxidschicht entfernt wird, verbessert sich die Haftung der auf der von der Oxidschicht befreiten Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebrachten Schicht der isolierenden Beschichtung maßgeblich. Es hat sich gezeigt, dass die Oxidschicht durch eine Plasmabehandlung unter einer - sauerstofffreien - Schutzgasatmosphäre vollständig entfernt werden kann, wobei auch sonstige Verunreinigungen durch die Plasmabehandlung entfernt werden können. Es ist sogar möglich, dass durch die Plasmabehandlung die obersten Atomschichten des elektrischen Leiters abgetragen werden.
  • Bei der Plasmabehandlung wird ein Gas-Plasma in der Schutzgasatmosphäre erzeugt und der elektrische Leiter im Plasma mit Ionen des Schutzgases beschossen, um zumindest die Oxidschicht durch den Ionenbeschuss abzutragen. Als Schutzgas bzw. Prozessgas eignen sich beispielsweise Stickstoff, Argon oder Wasserstoff. Die Plasmabehandlung hat neben der Entfernung der Oxidschicht noch weitere positive Effekte auf den isolierten elektrischen Leiter: einerseits wird der elektrische Leiter durch die Aufprallenergie der Ionen auf der Oberfläche erhitzt und kann während der Plasmabehandlung weichgeglüht werden, um das Gefüge des elektrischen Leiters zu rekristallisieren andererseits kann durch den Ionenbeschuss die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters erhöht werden, was die Haftung der isolierenden Beschichtung an der Oberfläche des elektrischen Leiters zusätzlich verbessert. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Aktivierung der Oberfläche des elektrischen Leiters. Ein weiterer Effekt der Plasmabehandlung ist die Erhöhung der Mikrorauigkeit der Oberfläche des elektrischen Leiters, welches sich ebenfalls positiv auf die Haftung der isolierenden Beschichtung auswirkt.
  • Um die erneute Ausbildung einer Oxidschicht an der Oberfläche des elektrischen Leiters zu verhindern, wird zumindest ein Teil der isolierenden Beschichtung unter Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise unter derselben Schutzgasatmosphäre unter der die Plasmabehandlung durchgeführt wird, auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird.
  • Um die eingangs gestellte Aufgabe zu lösen, ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, dass der isolierte elektrische Leiter einen elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einer isolierenden Beschichtung umfasst, wobei die isolierende Beschichtung entweder
    zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff umfasst, oder
    • zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff und
    • eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht, vorzugsweise eine Plasmapolymer-Schicht oder zumindest eine Fluoropolymer- Schicht, umfasst,
    erhältlich durch ein Verfahren, in dem der elektrische Leiter unter einer Schutzgasatmosphäre in einem Gas-Plasma mit Ionen des Schutzgases beschossen wird, um eine auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters ausgebildete Oxidschicht zu entfernen und/oder die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters zu erhöhen,
    und nachfolgend entweder
    die zumindest eine Isolationsschicht unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird
    oder, im dem Fall, dass die Beschichtung die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht umfasst,
    zumindest die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung, unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird.
  • Ein erfindungsgemäßer isolierter elektrischer Leiter weist durch die unmittelbare Aufbringung einer Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung oder durch die unmittelbare Aufbringung der Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff auf die plasmabehandelte und dadurch oxidschichtfreie Oberfläche des elektrischen Leiters besonders gute Haftungseigenschaften auf: Wird ein Rundumschnitt am isolierten elektrischen Leiter senkrecht zu einer Leiterachse durchgeführt und der Leiter um 20% gedehnt so beträgt die Ablösung der isolierenden Beschichtung vom elektrischen Leiter in Richtung der Leiterachse gemessen lediglich maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm, insbesondere maximal 1 mm.
  • Der Haftungseffekt wird also bei beiden Varianten dadurch erreicht, dass eine Kunststoffschicht, welche vorzugsweise aus Kunststoff besteht, unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die plasmagereinigte und dadurch oxidschichtfreie Oberfläche des elektrischen Leiters aufgetragen wird. Einerseits kann es sich bei der Kunststoffschicht unmittelbar um die zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff handeln, wenn keine Zwischenschicht vorgesehen ist. Andererseits kann es sich bei der Kunststoffschicht auch um eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht, vorzugsweise eine Plasmapolymer-Schicht oder um zumindest eine Fluoropolymer-Schicht, handeln. Wenn die isolierende Beschichtung eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht aufweist, ist die zumindest eine Isolationsschicht bevorzugt unmittelbar auf die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht aufgebracht. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine oder mehrere weitere Zwischenschichten zwischen der Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht und der zumindest einen Isolationsschicht vorgesehen sind.
  • Wenngleich eine Vielzahl von unterschiedlichen Kunststoffen denkbar ist, die als Material für die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung geeignet sind, handelt es sich bei der Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung vorzugsweise um die Plasmapolymer-Schicht oder um die zumindest eine Fluoropolymer-Schicht.
  • Wenn keine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht vorgesehen ist und die Isolationsschicht unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgetragen ist, ist es besonders bevorzugt, wenn die isolierende Beschichtung aus der zumindest einen Isolationsschicht besteht, also keine weiteren Zwischenschichten aufweist.
  • Überraschenderweise hat sich im Rahmen von Testreihen herausgestellt, dass die Ablösung der isolierenden Beschichtung vom elektrischen Leiter üblicher Weise weit unter 1 mm bleibt, insbesondere maximal 0,2 mm, vorzugsweise maximal 0,1 mm, bevorzugt maximal 0,05 mm, besonders bevorzugt maximal 0,01 mm, beträgt, wenn die zumindest eine Isolationsschicht unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird. Besonders vorteilhafte Effekte können dadurch erreicht werden, dass die zumindest eine Isolationsschicht ein Polyaryletherketon [PAEK], insbesondere Polyetheretherketon [PEEK], umfasst oder aus Polyaryletherketon [PAEK], insbesondere Polyetheretherketon [PEEK], besteht.
  • Somit wird in der Regel ein isolierter elektrischer Leiter umfassend einen elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einer isolierenden Beschichtung
    wobei die isolierende Beschichtung entweder
    zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff umfasst
    oder
    zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff und eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht, vorzugsweise eine Plasmapolymer-Schicht oder zumindest eine Fluoropolymer-Schicht, umfasst,
    hergestellt, wobei eine auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters ausgebildete Oxidschicht, vorzugsweise durch Beschuss des elektrischen Leiters mit Ionen eines Schutzgases einer Schutzgasatmosphäre in einem Gas-Plasma, entfernt ist
    und nachfolgend entweder
    die zumindest eine Isolationsschicht unmittelbar auf die oxidschicht-freie Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht ist
    oder, im dem Fall, dass die Beschichtung die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht umfasst,
    zumindest die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung unmittelbar auf die oxidschicht-freie Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht ist.
  • Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Leiter bis zum Aufbringen der isolierenden Beschichtung durchgehend unter Schutzgasatmosphäre angeordnet ist, um die Ausbildung einer neuen Oxidschicht auf der Oberfläche des elektrischen Leiters zu verhindern. Es können auch mehrere Schutzgasatmosphären hintereinander durchlaufen werden, solange der plasmabehandelte elektrische Leiter ununterbrochen unter einer der Schutzgasatmosphären angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Gas-Plasma zum Beschießen des elektrischen Leiters um ein Niederdruckplasma, vorzugsweise mit einem Druck unter 80 mbar, handelt, welches sich in an sich bekannter Weise herstellen lässt. Beispielsweise sind Drücke unter 50 mbar oder sogar unter 20 mbar denkbar.
  • Um den Einsatz des isolierten elektrischen Leiters in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur, beispielsweise in Elektromaschinen mit erhöhter Betriebstemperatur, zu ermöglichen, ist in einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung, insbesondere die zumindest eine Isolationsschicht, eine Temperaturbeständigkeit von zumindest 180°C, vorzugsweise von zumindest 200°C, insbesondere von zumindest 220°C, aufweist.
  • Besonders gute Eigenschaften hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit und der Beständigkeit gegen eine Vielzahl an organischen und chemischen Lösungsmittel, insbesondere auch gegen Hydrolyse, werden in einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen isolierten elektrischen Leiters und des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon. Es versteht sich dabei von selbst, dass der thermoplastische Kunststoff einen oder mehrere der oben genannten Kunststoffe sowie gegebenenfalls weitere Bestandteile, wie beispielsweise Fasermaterial, Füllstoffe oder weitere Kunststoffe, umfassen kann.
  • Polyaryletherketone setzen sich aus mittels Sauerstoffbrücken, also Ether- oder Ketongruppen, verbundenen Phenylgruppen zusammen, wobei die Anzahl und Abfolge der Ether- bzw. Ketongruppen innerhalb der Polyaryletherketone variabel ist. Polyimide sind Kunststoffe, deren wichtigstes Strukturmerkmal die Imidgruppe ist. Dazu gehören u. a. Polysuccinimid (PSI), Polybismaleinimid (PBMI) und Polyoxadiazobenzimidazol (PBO), Polyimidsulfon (PISO) und Polymethacrylimid (PMI).
  • Entsprechend ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen isolierten elektrischen Leiters und des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht ein Polyaryletherketon [PAEK] ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetherketon [PEK], Polyetheretherketon [PEEK], Polyetherketonketon [PEKK], Polyetheretherketonketon [PEEKK], Polyetherketon-etherketonketon [PEKEKK] und Kombinationen davon ist. Als besonders gut geeignet für die zumindest eine Isolationsschicht hat sich Polyetheretherketon [PEEK] erwiesen.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Isolationsschicht eine Dicke zwischen 10 und bis 1000 µm, vorzugsweise zwischen 25 µm und 750 µm, besonders bevorzugt zwischen 30 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 50 µm und 250 µm, aufweist. Es versteht sich von selbst, dass auch andere Schichtdicken denkbar sind, beispielsweise 40 µm, 60 µm, 80 µm, 100 µm oder 200 µm, um einige Möglichkeiten zu nennen. Es versteht sich von selbst, dass sich die angegebenen Werte sowohl auf die Dicke einer einzelnen Schicht der Isolationsschicht als auch auf die Gesamtdicke der Isolationsschicht beziehen kann, wenn die Isolationsschicht mehr als eine Schicht umfasst.
  • Die zumindest eine Isolationsschicht lässt sich kostengünstig und schnell herstellen, wenn sie durch ein Extrusionsverfahren aufgebracht wird also aufextrudiert ist. Daher ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die, vorzugsweise äußere, Isolationsschicht mittels eines Extrusions-Verfahrens herstellbar ist.
  • Wenn die isolierende Beschichtung aus der zumindest einen Isolationsschicht besteht und die zumindest eine Isolationsschicht unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird, wird eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung eines erfindungsgemäßen isolierten elektrischen Leiters ermöglicht, da die Haftung der zumindest einen Isolationsschicht an der Oberfläche des elektrischen Leiters durch die Plasmabehandlung bereits so gut ist, dass keine Zwischenschichten notwendig sind.
  • Daher ist in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung aus der zumindest einen Isolationsschicht besteht und dass es sich bei der unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebrachten, Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht um die zumindest eine Isolationsschicht handelt.
  • Somit betrifft die besonders bevorzugte Ausführungsvariante einen isolierten elektrischen Leiter umfassend einen elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einer isolierenden Beschichtung, wobei die isolierende Beschichtung aus zumindest einer Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff besteht, erhältlich durch ein Verfahren, in dem der elektrische Leiter unter einer Schutzgasatmosphäre in einem Gas-Plasma mit Ionen des Schutzgases beschossen wird, um eine auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters ausgebildete Oxidschicht zu entfernen und/oder die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters zu erhöhen, und die zumindest eine Isolationsschicht unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird, die zumindest eine Isolationsschicht unter Schutzgasatmosphäre auf den elektrischen Leiter aufgebracht wird.
  • In gleiche Art und Weise betrifft die besonders bevorzugte Ausführungsvariante auch einen isolierte elektrischer Leiter umfassend einen elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einer isolierenden Beschichtung, wobei die isolierende Beschichtung aus zumindest einer Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff besteht, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass eine auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters ausgebildete Oxidschicht durch Beschuss des elektrischen Leiters mit Ionen eines Schutzgases einer Schutzgasatmosphäre in einem Gas-Plasma entfernt ist und nachfolgend die zumindest eine Isolationsschicht unmittelbar auf die oxidschicht-freie Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht ist.
  • Die isolierende Beschichtung kann beispielsweise nur aus einer einzigen Isolationsschicht bestehen, welche unmittelbar auf der Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht ist, um eine besonders einfache Herstellung zu ermöglichen.
  • Um jedoch die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in der isolierenden Beschichtung, beispielsweise einen nicht mit der isolierenden Beschichtung versehenen Abschnitt des elektrischen Leiters bedingt durch einen Fehler im Herstellungsverfahren einer Isolationsschicht, drastisch zu verringern, ist in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung aus genau zwei oder aus mehr als zwei, beispielsweise aus drei oder vier, Isolationsschichten besteht. Dabei ist jedenfalls eine unterste Isolationsschicht unmittelbar auf der Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht, wobei die weiteren Isolationsschichten jeweils auf einer der vorhergehenden Isolationsschichten aufgebracht sind. Sollte in der untersten Isolationsschicht ein Fehler aufgetreten sein, also ein Abschnitt des elektrischen Leiters nicht von der untersten Isolationsschicht abgedeckt sein, so wird durch die nachfolgenden Isolationsschichten die Wahrscheinlichkeit, dass genau der fehlerhafte Abschnitt der untersten Isolationsschicht auch von den nachfolgenden Isolationsschichten nicht abgedeckt wird, einer Exponentialfunktion folgend reduziert. Desto höher die Anzahl der Isolationsschichten, desto geringer die Wahrscheinlichkeit, dass ein Abschnitt des elektrischen Leiters gar keine isolierende Beschichtung aufweist. Um die verbesserte Haftung der nachfolgenden Isolationsschichten am elektrischen Leiter zu erreichen, werden alle Isolationsschichten unter Schutzgasatmosphäre aufgebracht, sodass die Haftung nachfolgender Isolationsschichten im Bereich von fehlerhaften Abschnitten der vorhergehenden Isolationsschichten verbessert ist.
  • Grundsätzlich kann auf der isolierenden Beschichtung bzw. auf der aus der zumindest einen Isolationsschicht bestehenden isolierenden Beschichtung zumindest eine, also beispielsweise eine, zwei, drei oder vier, weitere Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht werden. Die zumindest eine weitere Isolationsschicht ist dabei vorzugsweise analog zur zumindest einen Isolationsschicht aufgebaut, sodass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen weiteren Isolationsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], insbesondere Polyetheretherketon
    [PEEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  • Da es sich bei den fehlerhaften Abschnitten der zumindest einen Isolationsschicht in der Regel um verhältnismäßig kleine Flächen handelt, ist es auch denkbar, dass zumindest eine weitere Isolationsschicht außerhalb der Schutzgasatmosphäre auf die isolierende Beschichtung aufgebracht werden, um etwaige fehlerhafte Abschnitte der isolierenden Beschichtung abzudecken, sodass im Bereich der fehlerhaften Abschnitte der isolierenden Beschichtung die Haftung der weiteren Isolationsschicht nicht verbessert ist. Natürlich können auch weitere Isolationsschichten aufgebracht werden, wenn eine größere Dicke der Isolierung erforderlich ist. Daher ist in einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass zumindest eine, vorzugsweise eine, zwei oder drei, weitere Isolationsschicht auf der isolierenden Beschichtung aufgebracht ist, wobei die zumindest eine weitere Isolationsschicht nicht unter Schutzgasatmosphäre aufgebracht wird.
  • In einer ersten alternativen Ausführungsvariante der Erfindung ist zur Verbesserung der Haftung der isolierenden Beschichtung an der Oberfläche des elektrischen Leiters vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung eine unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebrachte Plasmapolymer-Schicht aus vernetzten Makromolekülen uneinheitlicher Kettenlänge aufweist, welche Plasmapolymer-Schicht durch Polymerisation eines gasförmigen Monomers in einem Gas-Plasma, vorzugsweise im Gas-Plasma zum Beschießen des elektrischen Leiters, herstellbar ist. In anderen Worten handelt es sich bei der unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebrachten, Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung in diesem Ausführungsbeispiel um die Plasmapolymer-Schicht. Die Plasmapolymer-Schicht dient als Zwischenschicht und haftet einerseits ausgezeichnet an der Oberfläche des elektrischen Leiters und ermöglich andererseits eine erhöhte Haftung der auf die Plasmapolymer-Schicht aufgetragenen Schicht der isolierenden Beschichtung, beispielsweise der zumindest einen Isolationsschicht.
  • Eine weitere Ausführungsvariante der ersten alternativen Ausführungsvariante sieht vor, dass die Plasmapolymer-Schicht eine Dicke von 1 µm oder weniger aufweist. Denkbar sind dabei Dicken bis zu einem Hundertstel eines Mikrometers als Untergrenze. Durch die geringe Schichtdicke wirkt sich die Plasmapolymer-Schicht nur unwesentlich auf die gesamte Dicke des isolierten elektrischen Leiters aus.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der ersten alternativen Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Monomer zur Herstellung der Plasmapolymer-Schicht um Ethylen, Buthenol, Aceton oder Tetrafluormethan [CF4]. Die durch diese Monomere im Plasma gebildeten Plasmapolymer-Schichten zeichnen sich durch besonders gute Haftungseigenschaften aus. Insbesondere wenn die Plasmapolymer-Schicht ähnliche Eigenschaften wie Polytetrafluorethylen [PTFE] oder Perfluorethylenpropylen [FEP] aufweisen soll, bietet sich CF4 als Monomer an.
  • In einer zweiten alternativen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung zumindest eine unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebrachte, vorzugsweise Polytetrafluorethylen [PTFE] oder Perfluorethylenpropylen [FEP] umfassende, Fluoropolymer-Schicht aufweist. Auch die Fluoropolymer-Schicht zeichnet sich durch hervorragende Haftungseigenschaften, sowohl am elektrischen Leiter als auch an der auf der Fluoropolymer-Schicht aufgetragenen Schicht, aus und dient als Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung. Es ist auch denkbar, dass mehrere Fluoropolymer-Schichten, beispielsweise zwei drei oder vier, übereinander auf den elektrischen Leiter aufgebracht werden. Besonders vorteilhafte Haftungseigenschaften werden dadurch erreicht, dass die die Dicke der zumindest einen Fluoropolymer-Schicht zwischen 1 µm und 120 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 80 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 50 µm, beträgt.
  • Um die zuvor beschrieben verbesserten Haftungseigenschaften für auf die Plasmapolymer-Schicht oder die zumindest eine Fluoropolymer-Schicht aufgetragenen Schichten der isolierenden Beschichtung, insbesondere für die zumindest eine Isolationsschicht, am elektrischen Leiter zu erreichen, sodass die Haftung nachfolgender Schichten im Bereich von fehlerhaften Abschnitten der vorhergehenden auf dem elektrischen Leiter aufgetragenen Schichten erhöht ist, wird die gesamte isolierende Beschichtung in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung unter Schutzgasatmosphäre aufgebracht.
  • Um die Anzahl an unterschiedlichen Schichten in der isolierenden Beschichtung zu reduzieren und die damit verbundenen Herstellungskosten gering zu halten ist in einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine Isolationsschicht unmittelbar auf die Plasmapolymer-Schicht oder die zumindest eine Fluoropolymer-Schicht aufgebracht ist. In anderen Worten besteht die isolierende Beschichtung aus zumindest zwei Schichten: die erste untere, unmittelbar auf dem elektrischen Leiter aufgebrachte Schicht entsprechend der ersten oder zweiten alternativen Ausführungsvariante und die zweite obere Schicht in Form der zumindest einen Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff. Die äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung kann dabei entweder durch die zumindest eine Isolationsschicht selbst ausgebildet sein oder aber durch eine oder mehrere weitere Schichten.
  • Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines isolierten elektrischen Leiters, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
    • Beschießen eines unter einer Schutzgasatmosphäre angeordneten elektrischen Leiters, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit Ionen des Schutzgases in einem Gas-Plasma, vorzugsweise einem Niederdruckplasma, um eine auf der Oberfläche des elektrischen Leiters ausgebildete Oxidschicht zu entfernen und/oder die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters zu erhöhen;
    • Aufbringen einer isolierenden Beschichtung auf die Oberfläche des elektrischen Leiters, wobei die isolierende Beschichtung entweder
      zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff umfasst,
      oder
      zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff und
      eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht, vorzugsweise eine Plasmapolymer-Schicht oder zumindest eine Fluoropolymer-Schicht, umfasst
      wobei entweder
      die zumindest eine Isolationsschicht unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird
      oder, im dem Fall, dass die Beschichtung die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht umfasst,
      zumindest die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird.
  • Der elektrische Leiter, vorzugsweise aus Kuper oder Aluminium, wird in Form eines Bandes oder eines Drahts dem Verfahren unterzogen. Dabei wird der elektrische Leiter entweder "in-line", also direkt anschließend an die Herstellung des elektrischen Leiters (etwa durch Kaltumformung oder Extrusion), entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt oder aber der elektrische Leiter wird in aufgewickelter Form über einen Spulenablauf zur Verfügung gestellt. In der Regel wird der elektrische Leiter vor der Plasmabehandlung noch einer mechanischen und/oder chemischen Vorreinigung unterzogen. Die Plasmabehandlung wird analog zu den vorhergegangen Ausführungen durchgeführt, wobei der elektrische Leiter kontinuierlich durch die die Plasmabehandlung durchführende Plasmabehandlungs-Einheit gefördert wird. Durch die geeignete Wahl der Prozessparameter lässt sich die Dicke der durch die Plasmabehandlung vom elektrischen Leiter abgetragenen Schicht genau einstellen. Zusätzlich dazu lässt sich auch die Temperatur für das Weichglühen und die damit verbundene Rekristallisation des Gefüges des elektrischen Leiters definieren.
  • Nach der Plasmabehandlung, also dem Abtragen der Oxidschicht und jedweden Verunreinigungen von der Oberfläche des elektrischen Leiters, wobei auch dünne Schichten der Oberfläche des elektrischen Leiters selbst (kleiner als 1 µm, vorzugsweise kleiner 0,1 pm) abgetragen werden können, durch Beschuss mit Ionen im Gas-Plasma bzw. der Aktivierung der Oberfläche des elektrischen Leiters, wird die isolierende Beschichtung auf die behandelte Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht. Die isolierende Beschichtung haftet aufgrund der Entfernung der Oxidschicht bzw. durch die Aktivierung der Oberfläche durch Erhöhung der Oberflächenenergie des elektrischen Leiters besonders gut auf der Oberfläche des elektrischen Leiters. Um die Ausbildung einer neuen Oxidschicht auf der Oberfläche des elektrischen Leiters zu verhindern, welche den erfindungsgemäßen Effekt unterbinden oder zumindest entscheidend abschwächen würde, wird entweder die zumindest eine Isolationsschicht oder zumindest die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung, also insbesondere die Plasmapolymer-Schicht oder die zumindest eine Fluoropolymer-Schicht, unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die oxidschicht-frei Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht. Insbesondere von Vorteil ist es dabei, wenn der elektrische Leiter bis zum Aufbringen der isolierenden Beschichtung durchgehend unter Schutzgasatmosphäre angeordnet ist. Es versteht sich dabei von selbst, dass, sofern zwei, drei oder mehr Isolationsschichten aus thermoplastischem Kunststoff vorgesehen sind, jedenfalls die erste der Isolationsschichten unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird und die nachfolgenden Isolationsschichten zumindest teilweise auf die darunterliegenden Isolationsschichten aufgebracht werden.
  • Derart hergestellte isolierte elektrische Leiter weisen durch die unmittelbare Aufbringung einer Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung oder durch die unmittelbare Aufbringung der zumindest einen Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff auf die plasmabehandelte, oxidfreie Oberfläche des elektrischen Leiters besonders gute Haftungseigenschaften auf: Wird ein Rundumschnitt am isolierten elektrischen Leiter senkrecht zu einer Leiterachse durchgeführt und der Leiter um 20% gedehnt so beträgt die Ablösung der isolierenden Beschichtung vom elektrischen Leiter in Richtung der Leiterachse gemessen lediglich maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm, insbesondere maximal 1 mm.
  • Wenn die zumindest eine Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird, wurde festgestellt, dass die Ablösung der isolierenden Beschichtung vom elektrischen Leiter üblicher Weise weit unter 1 mm bleibt, insbesondere maximal 0,2 mm, vorzugsweise maximal 0,1 mm, bevorzugt maximal 0,05 mm, besonders bevorzugt maximal 0,01 mm, beträgt. Besonders vorteilhafte Effekte werden dann erreicht, wenn der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], insbesondere Polyetheretherketon [PEEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  • Eine Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass die zumindest eine Isolationsschicht aufextrudiert wird. Die Extrusion stellt ein kostengünstiges Verfahren zum Aufbringen der Isolationsschicht dar und eignet sich insbesondere auch für PAEK, insbesondere PEEK, und PPS. Die zumindest eine Isolationsschicht lässt sich somit auch in einfacher Art und Weise als äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung aufbringen.
  • Durch eine Vorwärmung des elektrischen Leiters, die vor allem vorteilhaft ist, wenn die zumindest eine Isolationsschicht bzw. die isolierende Beschichtung direkt auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufextrudiert wird, wird eine ruckartige Abkühlung der Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht bei Kontakt mit dem elektrischen Leiter reduziert und damit negative Einflüsse auf die Haftung minimiert. Gleichfalls kann vorgesehen sein, das der elektrische Leiter vor dem Aufbringen der isolierenden Beschichtung abgekühlt wird, um eine zu starke Erhitzung, etwa eine Schmelze, der Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht bei Kontakt mit dem elektrischen Leiter zu verhindern. Daher ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der elektrische Leiter vor dem Aufbringen der isolierenden Beschichtung auf eine Temperatur von zumindest 200 °C, vorzugsweise zumindest 400 °C, gebracht wird.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der isolierte elektrische Leiter nach dem Aufextrudieren der zumindest einen Isolationsschicht in Abhängigkeit der zu erreichenden Festigkeit der zumindest einen Isolationsschicht abgekühlt wird. Die Einstellung der mechanischen Eigenschaften der zumindest einen Isolationsschicht, insbesondere der mechanischen Festigkeit, erfolgt unter anderem durch die definierte Abkühlung des isolierten elektrischen Leiters und die dadurch bedingte Einstellung des Kristallisationsgrades und ist besonders wichtig, wenn es sich bei der zumindest einen Isolationsschicht um die äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung handelt. Wird der isolierte elektrische Leiter beispielsweise langsam abgekühlt, etwa durch Abkühlen an der Luft, ergibt sich eine hohe Kristallinität der zumindest einen Isolationsschicht. Denkbar ist auch ein Abschrecken in einem Wasserbad, also eine abrupte Abkühlung, oder eine Kombination aus abrupter und langsamer Abkühlung.
  • Um die Haftung der isolierenden Beschichtung am elektrischen Leiter weiter zu verbessern, insbesondere wenn die zumindest eine Isolationsschicht direkt auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird, ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der isolierte elektrische Leiter nach dem Aufextrudieren der zumindest einen Isolationsschicht über Rollen, vorzugsweise Anpressrollen, geführt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die zumindest eine Isolationsschicht die äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung bildet. Ein enges Führen des isolierten elektrischen Leiters über die Anpressrollen unter Beaufschlagung des isolierten elektrischen Leiters mit Druck führt zu einer besonders guten Haftung der isolierenden Beschichtung bzw. insbesondere der zumindest einen Isolationsschicht auf der Oberfläche des elektrischen Leiters. Dabei werden die Grenzflächen der isolierenden Beschichtung zwischen den einzelnen Schichten, sofern mehrere vorhanden sind, und/oder die Grenzfläche der untersten Schicht der isolierenden Beschichtung und die Oberfläche des elektrischen Leiters aneinander gepresst und so die Adhäsionseffekte verstärkt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung, welche sich durch besonders gute Haftungseigenschaften auszeichnet, ist vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung aus der zumindest einen Isolationsschicht besteht und dass die zumindest eine Isolationsschicht als Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird. Entsprechend wird folgender Verfahrensschritt durchgeführt:
    Aufbringen einer isolierenden Beschichtung auf die Oberfläche des elektrischen Leiters, wobei die isolierende Beschichtung aus zumindest einer Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff besteht und wobei die zumindest eine Isolationsschicht unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht wird.
  • Dadurch wird ebenfalls die zuvor erwähnte besonders geringe Ablösung von weniger als 1 mm erreicht.
  • Um, wie zuvor erwähnt, die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in der isolierenden Beschichtung drastisch zu verringern, ist in einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen, dass die isolierende Beschichtung aus zumindest zwei, vorzugsweise genau zwei, Isolationsschichten besteht und die isolierende Beschichtung mittels Tandemextrusion unter Schutzgasatmosphäre hergestellt wird. Durch die Tandemextrusion werden die zumindest zwei Isolationsschichten unabhängig voneinander hergestellt, sodass eine Verstopfung eines Extrusionswerkzeugs nur einen Fehler in einer der Isolationsschichten hervorruft. Dadurch wird der fehlerhafte Abschnitt durch die nachfolgenden Extrusionsschritte mit hoher Wahrscheinlichkeit abgedeckt.
  • Wenn, wie zuvor ausgeführt, aufgrund der verhältnismäßig kleinen Fläche der Fehler, auf eine verbesserte Haftung verzichtet werden kann oder eine dickere isolierende Beschichtung erforderlich ist, sieht eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung vor, dass zumindest eine weitere Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff mittels Tandemextrusion auf die isolierende Beschichtung aufextrudiert wird, wobei die Extrusion der weiteren Isolationsschicht nicht unter Schutzgasatmosphäre stattfindet.
  • Vorzugsweise ist der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen weiteren Isolationsschicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], insbesondere Polyetheretherketon [PEEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  • Wenn die isolierende Beschichtung zumindest eine Fluoropolymer-Schicht umfasst, die als Kunststoff enthaltende Zwischenschicht unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters aufgebracht ist, lassen sich die zur Herstellung der isolierenden Beschichtung benötigten Schritte dadurch reduzieren, dass die zumindest eine Isolationsschicht und die zumindest eine Fluoropolymer-Schicht mittels Ko- oder Tandemextrusion hergestellt werden. So können beide Schichten in nur einem einzigen Herstellungsschritt und mit einer Extrusions-Einheit hergestellt werden.
  • Zur Verbesserung der Haftung der isolierenden Beschichtung am elektrischen Leiter ist in einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen, dass unmittelbar auf der Oberfläche des elektrischen Leiters mittels Polymerisation eines gasförmigen Monomers in einem Gas-Plasma eine Plasmapolymer-Schicht als Kunststoff enthaltende Zwischenschicht aufgebracht wird.
  • Da eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Haftung der isolierenden Beschichtung am elektrischen Leiter insbesondere im Elektromaschinenbau von Bedeutung ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer isolierter elektrischer Leiter als Wickeldraht für Elektromaschinen, vorzugsweise Elektromotoren oder Transformatoren, verwendet wird.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.
  • Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Fig. 2a
    eine erste Ausführungsvariante eines isolierten elektrischen Leiters mit rechteckigem Querschnitt;
    Fig. 2b
    eine zweite Ausführungsvariante eines isolierten elektrischen Leiters mit rechteckigem Querschnitt;
    Fig. 2c
    eine dritte Ausführungsvariante eines isolierten elektrischen Leiters mit rechteckigem Querschnitt;
    Fig. 3a-3c
    die erste bis dritte Ausführungsvariante mit rundem Querschnitt.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines isolierten elektrischen Leiters, wie er in den Figuren 2a bis 2d bzw. 3a bis 3d dargestellt ist. Der isolierte elektrische Leiter umfasst einen elektrischen Leiter 1 aus Kupfer, wobei auch andere Materialien wie etwa Aluminium denkbar sind, und eine isolierende Beschichtung 2, welche zumindest eine Isolationsschicht 3 aus thermoplastischem, vorzugsweise hochtemperaturbeständigem, Kunststoff aufweist. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist die zumindest eine Isolationsschicht 3 als eine äußere Isolationsschicht 3 ausgebildet und bildet somit die äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung 2. Es versteht sich jedoch von selbst, dass in alternativen Ausführungsvarianten auf der Isolationsschicht 3 noch eine oder mehrere weitere Schichten, vorzugsweise Isolationsschichten, aufgebracht sein können, die dann die äußerste Schicht der isolierenden Beschichtung 2 ausbilden können.
  • Der elektrische Leiter 1 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel als Band oder Draht über einen Spulenablauf 7 stetig dem Verfahren zugeführt und kann etwa mittels Kaltumformungsverfahren, wie Ziehen oder Walzen, oder Extrusion, beispielsweise mittels Conform® - Technologie, hergestellt sein. Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch "in-line" durchgeführt werden kann, also direkt an den Herstellungsprozess anschließt. In einem ersten Schritt wird der elektrische Leiter 1 in einer Vorreinigungs-Einheit 8 mechanisch, etwa mittels eines Schleifverfahrens, oder chemisch, etwa mittels geeigneter Lösungsmittel oder Säuren, vorgereinigt, um grobe Verschmutzungen vom elektrischen Leiter 1 zu entfernen.
  • Im nächsten Verfahrensschritt gelangt der vorgereinigte elektrische Leiter 1 in eine Plasmabehandlungs-Einheit 9 in der eine Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff, Argon oder Wasserstoff vorherrscht und ein Gas-Plasma in Form eines Niederdruckplasmas mit weniger als 20 mbar Druck hergestellt ist. Ein Niederdruckplasma kann jedoch auch schon bei einem Druck von weniger als 80 mbar hergestellt werden. In diesem Niederdruckplasma wird die Oberfläche des elektrischen Leiters 1 mit Ionen des Schutzgases beschossen, um eine auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters 1 gebildete Oxidschicht abzutragen bzw. zu entfernen. Gleichzeitig wird der elektrische Leiter 1 durch die Plasmabehandlung weich geglüht und die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters 1 erhöht also die Oberfläche aktiviert.
  • Durch das Abtragen der Oxidschicht und jedweden Verunreinigungen von der Oberfläche des elektrischen Leiters 1, wobei sogar vorgesehen sein kann, dass sehr dünne Schichten des elektrischen Leiters 1 selbst von der Oberfläche abgetragen werden, und die Erhöhung der Oberflächenenergie kann die Haftung zwischen dem elektrischen Leiter 1 aus Kupfer und der auf dem elektrischen Leiter 1 aufgebrachten isolierenden Beschichtung 2 entscheidend verbessert werden.
  • In der ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen isolierten elektrischen Leiters, dargestellt in Figur 2a als Flachleiter mit rechteckigem Querschnitt und in Fig. 3a mit rundem Querschnitt, besteht die isolierende Beschichtung 2 nur aus einer Isolationsschicht 3. Die Isolationsschicht 3 weist dabei eine Temperaturbeständigkeit von über 180°C, vorzugsweise von über 220°C, auf, sodass der isolierte elektrische Leiter auch bei hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden kann. Die äußere Isolationsschicht 3 besteht dabei aus Polyetheretherketon [PEEK], welches sowohl die hohe Temperaturbeständigkeit als auch eine hohe Beständigkeit gegenüber einer großen Anzahl an organischen und anorganischen Substanzen aufweist. Alternativ dazu kann die äußere Isolationsschicht 3 auch aus Polyphenylensulfid [PPS] bestehen oder PEEK und/oder PPS umfassen.
  • Um die erhöhte Haftung zwischen dem elektrischen Leiter 1 und der äußeren Isolationsschicht 3 zu erreichen, gelangt der elektrische Leiter 1 nach dem Durchlaufen der Plasmabehandlungs-Einheit 9 in die Extrusions-Einheit 11 in der die äußere Isolationsschicht 3 auf den elektrische Leiter 1 aufextrudiert wird. Dabei wird der elektrische Leiter 1 auf eine Temperatur von zumindest 200°C, vorzugsweise zumindest 300°C, vorgeheizt. Um die erneute Ausbildung einer Oxidschicht zu verhindern, erfolgt sowohl die Extrusion als auch der Transport des Leiters 1 in die Extrusions-Einheit 11 unter Schutzgasatmosphäre. Ein derart hergestellter isolierter elektrischer Leiter kann beispielsweise als Wickeldraht, im Englischen auch als "magnet wire" geläufig, in einer Elektromaschine, wie einem Elektromotor oder einem Transformator, eingesetzt werden. Die Dicke der äußeren Isolationsschicht 3 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 30 µm.
  • Insbesondere wenn die Isolationsschicht 3 aus einem Polyaryletherketon [PAEK] wie Polyetheretherketon [PEEK] besteht, werden dadurch besonders gute Haftungseingenschaften erreicht. So bleibt die Ablösung der Isolationsschicht 3 vom elektrischen Leiter 1 üblicher Weise weit unter 1 mm, und beträgt insbesondere maximal 0,2 mm, vorzugsweise maximal 0,1 mm, bevorzugt maximal 0,05 mm, besonders bevorzugt maximal 0,01 mm. Auch wenn es sich bei dem thermoplastischen Kunststoff der Isolationsschicht 3 um Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] handelt, lassen sich gesteigerte Haftungseigenschaften erreichen.
  • Im Allgemeinen kann die zumindest eine Isolationsschicht 3 auch zwei, drei vier oder mehr einzelne Isolationsschichten 3 umfassen, welche allesamt unter Schutzgasatmosphäre in der Extrusions-Einheit 11 hergestellt werden. Dadurch lässt sich die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in der isolierenden Beschichtung 2 drastisch reduzieren, da Fehler in der untersten der Isolationsschichten 3 durch nachfolgende Isolationsschichten 3 ausgeglichen werden. Für eine solche Herstellung eignen sich insbesondere Tandemextrusionsverfahren.
  • Zusätzlich oder stattdessen kann auch vorgesehen sein, dass weitere Isolationsschichten, die vorzugsweise analog zu der zumindest einen Isolationsschicht 3 aufgebaut sind, also insbesondere aus einem Polyaryletherketon [PAEK] wie Polyetheretherketon [PEEK] oder einem anderen der zuvor genannten Kunststoffe bestehen, außerhalb der Schutzgasatmosphäre in einer weiteren Extrusions-Einheit 12 auf die isolierende Beschichtung 2 aufgebracht werden.
  • Um die Haftung zwischen der isolierenden Beschichtung 2 und dem elektrischen Leiter 1 alternativ zur ersten Ausführungsvariante zu erhöhen, umfasst die isolierende Beschichtung 2 in der in den Figuren 2b und 3b dargestellten zweiten Ausführungsvariante neben der äußeren Isolationsschicht 3 aus PEEK oder PPS eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht in Form einer Plasmapolymer-Schicht 4. Diese Plasmapolymer-Schicht 4 wird im erfindungsgemäßen Verfahren in einer Plasmapolymerisations-Einheit 10 hergestellt, die nach der Plasmabehandlungs-Einheit 9 und vor der Extrusions-Einheit 11 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, dass die Plasmabehandlung und die Plasmapolymerisation in einer kombinierten Einrichtung durchgeführt werden. Nachdem die Oxidschicht entfernt und die Oberflächenenergie erhöht wurde, siehe oben, bildet sich in der Plasmapolymerisations-Einheit 10 die Plasmapolymer-Schicht 4 auf der Oberfläche des elektrischen Leiters 1 aus, indem ein gasförmiges Monomer, wie Ethylen, Buthenol, Aceton oder Tetrafluormethan [CF4] mittels des Plasmas aktiviert wird und sich dadurch hochvernetzte Makromoleküle unterschiedlicher Kettenlänge und einem Anteil an freien Radikalen ausbilden, welche sich als Plasmapolymer-Schicht 4 auf der Oberfläche des elektrischen Leiters 1 ablagern. Die so entstandene Plasmapolymer-Schicht 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel weniger als 1 µm dick und haftet besonders gut an der aktivierten und oxidfreien Oberfläche des elektrischen Leiters 1.
  • Die äußere Isolationsschicht 3 wird wiederum in der Extrusions-Einheit 11 wie oben beschrieben auf die Plasmapolymer-Schicht 4 aufextrudiert, wobei auch die Haftung zwischen Plasmapolymer-Schicht 4 und äußerer Isolationsschicht 3 hoch ist.
  • In der dritten Ausführungsvariante, abgebildet in den Figuren 2c und 3c, umfasst die isolierende Beschichtung 2 neben der äußeren Isolationsschicht 3 aus PEEK eine als Fluoropolymer-Schicht 5 aus Polytetrafluorethylen [PTFE] oder Perfluorethylenpropylen [FEP] ausgebildete Kunststoff enthaltende Zwischenschicht, die unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters 1 aufgebracht ist und die Haftung zwischen dem elektrischen Leiter 1 und der äußeren Isolationsschicht 3 weiter verbessert. Hergestellt wird die Fluoropolymer-Schicht 5 gemeinsam mit der äußeren Isolationsschicht 3 in der Extrusions-Einheit 11 mittels eines Ko- oder Tandemextrusions-Verfahrens. Die Dicke der Fluoropolymer-Schicht 5 beträgt dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 30 µm.
  • Nach dem Aufextrudieren der äußeren Isolationsschicht 3 wird der isolierte elektrische Leiter kontrolliert abgekühlt, beispielsweise durch Luftkühlung, und über eine Reihe von Anpressrollen geführt, die durch Ausüben von Druck auf den isolierte elektrische Leiter die Haftung weiter verbessern. Abschließend wird der isolierte elektrische Leiter auf einem Spulenaufwickler 13 aufgewickelt.
  • Bei den dargestellten Einrichtungen in Fig. 1 handelt es sich über eine Übersicht, in der alle Einrichtungen gezeigt sind, die zur Herstellung der einzelnen Ausführungsvarianten notwendig sind. Während die Reihenfolge, von rechts nach links, der durchlaufenen Einrichtungen von der Ausführungsvariante unabhängig sind und jedenfalls die Plasmabehandlungs-Einheit 9 und die Extrusions-Einheit 11 durchlaufen werden müssen, handelt es sich bei der Plasmapolymerisations-Einheit 9 und der weiteren Extrusions-Einheit 12 um optionale Einrichtungen, die nur bei der Herstellung spezifischer Ausführungsvarianten zum Einsatz kommen. Es versteht sich von selbst, dass statt eines Ko- oder Tandemextrusions-Verfahrens auch mehrere einzelne Extrusionen sequentiell durchgeführt werden können.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    elektrischer Leiter
    2
    isolierende Beschichtung
    3
    Isolationsschicht
    4
    Plasmapolymer-Schicht
    5
    Fluoropolymer-Schicht
    6
    Metallschicht
    7
    Spulenablauf
    8
    Vorreinigungs-Einheit
    9
    Plasmabehandlungs-Einheit
    10
    Plasmapolymerisations-Einheit
    11
    Extrusions-Einheit
    12
    weitere Extrusionseinheit
    13
    Spulenaufwickler

Claims (30)

  1. Isolierter elektrischer Leiter umfassend
    einen elektrischen Leiter (1), vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einer isolierenden Beschichtung (2),
    wobei die isolierende Beschichtung (2) entweder
    zumindest eine Isolationsschicht (3) aus thermoplastischem Kunststoff umfasst,
    oder
    zumindest eine Isolationsschicht (3) aus thermoplastischem Kunststoff und
    eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht (4,5), vorzugsweise eine Plasmapolymer-Schicht (4) oder zumindest eine Fluoropolymer-Schicht (5), umfasst,
    erhältlich durch ein Verfahren, in dem der elektrische Leiter (1) unter einer Schutzgasatmosphäre in einem Gas-Plasma mit Ionen des Schutzgases beschossen wird, um eine auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters (1) ausgebildete Oxidschicht zu entfernen und/oder die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters (1) zu erhöhen,
    und nachfolgend entweder
    die zumindest eine Isolationsschicht (3) unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1) aufgebracht wird
    oder, in dem Fall, dass die Beschichtung (2) die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht (4,5) umfasst,
    zumindest die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht (4,5), unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1) aufgebracht wird.
  2. Isolierter elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (1) bis zum Aufbringen der isolierenden Beschichtung (2) durchgehend unter Schutzgasatmosphäre angeordnet ist, um die Ausbildung einer neuen Oxidschicht auf der Oberfläche des elektrischen Leiters (1) zu verhindern.
  3. Isolierter elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gas-Plasma zum Beschießen des elektrischen Leiters um ein Niederdruckplasma, vorzugsweise mit einem Druck unter 80 mbar, handelt.
  4. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2), insbesondere die zumindest eine Isolationsschicht (3), eine Temperaturbeständigkeit von zumindest 180°C, vorzugsweise von zumindest 200°C, insbesondere von zumindest 220°C, aufweist.
  5. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht (3) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  6. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht (3) ein Polyaryletherketon [PAEK] ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetherketon [PEK], Polyetheretherketon [PEEK], Polyetherketonketon [PEKK], Polyetheretherketonketon [PEEKK], Polyetherketon-etherketonketon [PEKEKK] und Kombinationen davon ist.
  7. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolationsschicht (3) eine Dicke zwischen 10 und bis 1000 µm, vorzugsweise zwischen 25 µm und 750 µm, besonders bevorzugt zwischen 30 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 50 µm und 250 µm, aufweist.
  8. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolationsschicht (3) mittels eines Extrusions-Verfahrens herstellbar ist.
  9. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) aus der zumindest einen Isolationsschicht (3) besteht.
  10. Isolierter elektrischer Leiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) aus einer Isolationsschicht (3) besteht.
  11. Isolierter elektrischer Leiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) aus zumindest zwei, vorzugsweise genau zwei, Isolationsschichten (3) besteht.
  12. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff auf der isolierenden Beschichtung (2) aufgebracht ist, wobei die zumindest eine weitere Isolationsschicht nicht unter Schutzgasatmosphäre aufgebracht wird.
  13. Isolierter elektrischer Leiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen weiteren Isolationsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], vorzugsweise Polyetheretherketon [PEEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  14. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) zumindest eine Fluoropolymer-Schicht (5) aufweist
    und dass es sich bei der unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1) aufgebrachten, Kunststoff enthaltenden Zwischenschicht um die Fluoropolymer-Schicht (5) handelt.
  15. Isolierter elektrischer Leiter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoropolymer-Schicht (5) Polytetrafluorethylen [PTFE] oder Perfluorethylenpropylen [FEP] umfasst.
  16. Isolierter elektrischer Leiter einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zumindest einen Fluoropolymer-Schicht (5) zwischen 1 µm und 120 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 80 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 50 µm, beträgt.
  17. Isolierter elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte isolierende Beschichtung (2) unter Schutzgasatmosphäre auf den elektrischen Leiter (1) aufgebracht wird.
  18. Verfahren zur Herstellung eines isolierten elektrischen Leiters, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
    - Beschießen eines unter einer Schutzgasatmosphäre angeordneten elektrischen Leiters (1), vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit Ionen des Schutzgases in einem Gas-Plasma, vorzugsweise einem Niederdruckplasma, um eine auf der Oberfläche des elektrischen Leiters (1) ausgebildete Oxidschicht zu entfernen und/oder die Oberflächenenergie des elektrischen Leiters (1) zu erhöhen;
    - Aufbringen einer isolierenden Beschichtung (2) auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1), wobei die isolierende Beschichtung (2) entweder
    zumindest eine Isolationsschicht (3) aus thermoplastischem Kunststoff umfasst,
    oder
    zumindest eine Isolationsschicht (3) aus thermoplastischem Kunststoff und
    eine Kunststoff enthaltende Zwischenschicht (4,5), vorzugsweise eine Plasmapolymer-Schicht (4) oder zumindest eine Fluoropolymer-Schicht (5), umfasst
    wobei entweder
    die zumindest eine Isolationsschicht (3) unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1) aufgebracht wird
    oder, in dem Fall, dass die Beschichtung (2) die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht (4,5) umfasst,
    zumindest die Kunststoff enthaltende Zwischenschicht (4,5) unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1) aufgebracht wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht (3) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen Isolationsschicht (3) ein Polyaryletherketon [PAEK] ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetherketon [PEK], Polyetheretherketon [PEEK], Polyetherketonketon [PEKK], Polyetheretherketonketon [PEEKK], Polyetherketon-etherketonketon [PEKEKK] und Kombinationen davon ist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolationsschicht (3) aufextrudiert wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (1) vor dem Aufbringen der isolierenden Beschichtung (2) auf eine Temperatur von zumindest 200 °C, vorzugsweise zumindest 400 °C, gebracht wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierte elektrische Leiter nach dem Aufextrudieren der zumindest einen Isolationsschicht (3) in Abhängigkeit der zu erreichenden Festigkeit der zumindest einen Isolationsschicht (3) abgekühlt wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierte elektrische Leiter (1) nach dem Aufextrudieren der zumindest einen Isolationsschicht (3) über Rollen, vorzugsweise Anpressrollen, geführt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) aus der zumindest einen Isolationsschicht (3) besteht.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) aus zumindest zwei, vorzugsweise genau zwei, Isolationsschichten (3) besteht und die isolierende Beschichtung (2) mittels Tandemextrusion unter Schutzgasatmosphäre hergestellt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Isolationsschicht aus thermoplastischem Kunststoff mittels Tandemextrusion auf die isolierende Beschichtung (2) aufextrudiert wird, wobei die Extrusion der zumindest einen weiteren Isolationsschicht nicht unter Schutzgasatmosphäre stattfindet
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff der zumindest einen weiteren Isolationsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyaryletherketon [PAEK], insbesondere Polyetheretherketon [PEEK], Polyimid [PI], Polyamidimid [PAI], Polyetherimid [PEI], Polyphenylensulfid [PPS] und Kombinationen davon.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung (2) zumindest eine zumindest eine Fluoropolymer-Schicht (5) umfasst
    und dass die Fluoropolymer-Schicht (5) als Kunststoff enthaltende Zwischenschicht der isolierenden Beschichtung (2) unter Schutzgasatmosphäre unmittelbar auf die Oberfläche des elektrischen Leiters (1) aufgebracht wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zumindest eine Fluoropolymer-Schicht (5) und die zumindest eine Isolationsschicht (3) mittels Ko- oder Tandemextrusion hergestellt werden.
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