EP4307321A1 - Lackisolierter runddraht, verfahren zur herstellung und verwendung dazu - Google Patents

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Publication number
EP4307321A1
EP4307321A1 EP22184695.9A EP22184695A EP4307321A1 EP 4307321 A1 EP4307321 A1 EP 4307321A1 EP 22184695 A EP22184695 A EP 22184695A EP 4307321 A1 EP4307321 A1 EP 4307321A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
varnish
wire
round wire
enamel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22184695.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Katzenberger
Bastian PLOCHMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP22184695.9A priority Critical patent/EP4307321A1/de
Priority to PCT/EP2023/068541 priority patent/WO2024012954A1/de
Publication of EP4307321A1 publication Critical patent/EP4307321A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/06—Insulating conductors or cables
    • H01B13/065—Insulating conductors with lacquers or enamels

Definitions

  • the invention relates to a enamel-insulated round wire, a method for producing a enamel-insulated round wire and the use of enamel-insulated round wires.
  • a common example of an enameled round wire is a copper wire, i.e. a so-called enameled copper wire.
  • An enameled copper wire is an insulated conductor that was covered with an electrically insulating layer of varnish during production. The thickness and weight of this paint insulation is very low compared to other insulation materials with the same effect.
  • Enamelled copper wire is therefore preferred for the construction of electrical coils, transformers and machines.
  • Other applications include solderable switching wires and the production of high-frequency strands.
  • Electrical insulating varnishes are used to coat enamelled copper wires that are used as electrical conductors in electrical components such as coils, rotors and stators. To produce these electrical components, the coated and insulated round wire is wound using automated winding machines.
  • the painted electrical wires on the edges of the electrical components should not be damaged and should fit easily into the grooves of the components so that a high packing density of the wire in the electrical components can be achieved. High packing densities are required to achieve optimal induction performance.
  • a high packing density is also desirable because electrical machines such as electric motors that contain such electrical components are becoming more and more miniaturized because there is an increased demand for ever smaller devices and components.
  • low-voltage motors are usually manufactured using wound round enameled wires, which are drawn into the stator laminated core after the winding process.
  • a limiting factor is the copper filling in the groove, i.e. the number of wires, which can be inserted into the groove fully automatically using this technology.
  • the enamelled copper wires are first wrapped around a template using a so-called flyer winder and then pulled into the groove in a bundle.
  • the initially very ordered winding is no longer fixed, which can result in unfavorable structures - such as wire crossings.
  • Such crossings additionally increase the effective cross section of the wire bundles, which further increases the required pulling force and thus the load on both the pulling machine and the winding.
  • slippery waxes e.g. paraffins
  • siloxane co-polymers in the top wire enamel insulation layer also creates a significant increase in lubricity.
  • an electrical insulation system EIS of an electric motor which comprises electrical conductors in the form of round enamel wires with a round enamel wire winding arranged in a groove of a laminated core of a stator.
  • the cavities between the windings of the conductors are filled with impregnation resin.
  • the content of impregnation resin is determined by introducing a carrier containing impregnation resin into the conductor in order to sufficiently cast the cavities in the conductor of the laminated core.
  • the impregnation resin wets the surface of the round wire varnish before it hardens.
  • the wire enamel itself comprises a large number of individual plastic layers, for example made of polyethylene, "PE”, polyetherimide, “PEI”, polyamidimide “PAI”, polyimide “PI”, for example each layer being applied in a slidable manner on the layer below and/or above is to be flexible to mechanical stress, e.g. stretching, bending, etc. This also makes it more difficult for cracks to propagate through all layers.
  • PE polyethylene
  • PEI polyetherimide
  • PAI polyamidimide
  • PI polyimide
  • siloxane co-polymer technology - at least in the top wire enamel insulation layer - it is possible to realize very high copper fillings fully automatically, but subsequent impregnation - for example of the filled groove - using impregnation resin, for example unsaturated polyesterimide, polyester and / or Epoxy resin is not possible because the chemical surface groups that provide lubricity repel the impregnation resin.
  • impregnation resin for example unsaturated polyesterimide, polyester and / or Epoxy resin
  • no chemical bond can be created between the non-polar functional groups - for example siloxane or fluorine groups, i.e. the anti-friction varnish surface on the one hand and the polar impregnation resin on the other.
  • Impregnation of a round wire with high lubricity, produced by paraffin, fluorine and/or siloxane groups on the surface, is therefore not yet possible.
  • impregnation resins are regularly used in the grooves for low-voltage motors.
  • conventional impregnation resins in particular those based on polyurethane, unsaturated polyesterimide, polyester and/or epoxy resin, as well as any combinations, mixtures, copolymers and /or blends thereof, combined.
  • a baked varnish layer is particularly advantageous if the anti-friction varnish layer completely or almost completely covers the surface of the wire enamel insulation, because then the baked varnish layer during production, in particular the temperature input following filling of the groove, the superficial anti-friction varnish layer due to the baked varnish melting process breaks open and thus exposes paint insulation areas that can be bonded with impregnation resin.
  • the invention also relates to the use of a lacquer-insulated round wire - as described above - with a wire lacquer insulation and a full-surface or partially applied top layer made of a sliding lacquer for the production of low-voltage electric motors.
  • the general finding of the invention is that the sliding ability of the enamel-insulated round wires required for filling the groove with varnish-insulated round wires does not have to be developed over the entire surface by means of a lubricating varnish coating in order to achieve optimal filling of the groove. It was found that an area-by-area anti-friction varnish coating is sufficient. To produce a partial surface anti-friction coating, it is possible to apply it only in areas from the outset, or to remove it again in areas after the wires have been drawn into the groove.
  • a layer of baked varnish applied on the second top can be used because this at least partially removes an overlying lubricant varnish at the temperatures normally occurring in the manufacture of low-voltage motors due to current supply. Removal at elevated temperatures of 200°C to 300°C can be done by chipping off and/or sinking islands of anti-friction varnish into the underlying varnish layers.
  • Baking varnish is a product that - applied here as a "non-top" or penultimate layer to the round wire varnish - melts when the temperature is applied after the groove has been filled and therefore causes damage to an upper layer on it through at least cracks and defects and/or these partially or completely removed.
  • the anti-friction varnish is not always applied to the entire surface of the wire enamel insulation; it may be sufficient that there are areas on the surface with good anti-friction properties.
  • the lubricating varnish floats, for example after the wires have been drawn into the groove and temperature input, in the form of isolated areas on and in the baking varnish melt like ice floes on and in a thawing lake.
  • the mold can be impregnated in a technically sensible way with impregnation resin, which can be chemically bonded well with baking varnish as well as with the usual wire enamel insulation layers that are not capable of sliding varnish.
  • the anti-friction varnish layer is not applied to the entire surface of the baking varnish, for example only 40% or more of the surface is covered with anti-friction varnish. In the remaining areas, the baking varnish is exposed so that impregnation resin can chemically bond here.
  • the proportion of the surface that is covered with anti-friction varnish can vary, for example it is in the range of 40% to 100%, or from 50% to 99%, or in the range of 55% to 98%, or in the range of 60% to 95% %.
  • the anti-friction coating areas can include, for example, substances such as polysiloxane, soap, lubricants, wax, etc. “Slidable areas” in the multi-layer wire varnish structure, for example made of wax flakes, are also possible alone or in combination with other lubricating varnishes.
  • baking varnish Materials based on epoxy resin, vinyl ester resin, aliphatic polyamide, aromatic polyamide and/or polyvinyl butyral, for example, are suitable as a "baking varnish" on which the anti-friction varnish areas are either applied or which is completely covered with anti-friction varnish.
  • the baking varnish can also be used as a solid layer of a B-stage resin, such as in the case of Deamelt® 356 from Elantas® PDG, INc. USA, can be used.
  • the baked varnish layer is thicker than the other layers and/or is applied as a prepreg layer without intermediate hardening.
  • baking varnish products from Elantas ® PDG, INc. have proven themselves as “baking varnish”. USA from the “wire enamels” series proven here.
  • the baking varnishes Deamelt ® 355, Deamelt ® 356, W23 ® , Schenbond ® 1539, Schenbond ® 1540 Bonding Enamel 1236 and Bonding Enamel 11251 were successfully tested here.
  • the so-called current UV process is often used, whereby the stators are heated in advance by energizing the individual phases before being immersed in the liquid impregnation resin.
  • the temperatures in the copper windings reach, which - are heated directly by the Joule effect - briefly 200°C to 300°C before the heat is distributed - relatively - homogeneously in the stator. It is therefore common practice to connect the stators and heat them, also to reduce the viscosity of the impregnation resin and to specifically bring about chemical gelling.
  • wire enamels include several, for example in the range of 3 to 30, layers of different or identical polymers, e.g. polyetherimide, polyetherimine and/or polyamideimide, as well as any combinations or mixtures thereof. This is commonly referred to as the multi-layer wire enamel construction of the wire insulation enamel.
  • impregnation resins based on polyurethane, saturated and particularly preferably unsaturated polyesterimide, polyamideimide, polyester and/or epoxy resin, as well as any combinations, mixtures, copolymers and/or blends thereof, combined, are used for the multilayer wire enamel structure.
  • the number of layers varies, for example it is between 3 and 25 layers, preferably 7 to 20 layers, or 10 to 20 layers, particularly preferably for example 15 layers.
  • the layers are preferably hardened separately from one another, so that sliding interfaces are created between them and no chemical bond occurs between the layers.
  • baking varnish can also be applied and hardened as the penultimate layer.
  • the baked lacquer layer then has a layer thickness in the range 0.2 to 200 ⁇ m, in particular 0.3 ⁇ m to 150 ⁇ m and particularly preferably in the range 0.5 to 100 ⁇ m.
  • the layers of the multilayer wire enamel structure for the wire enamel insulation of round wires are in the range from 0.2 ⁇ m to 200 ⁇ m, in particular from 0.3 ⁇ m to 50 ⁇ m and particularly advantageously in the range between 0.5 to 20 ⁇ m .
  • the baked lacquer layer is also applied as a prepreg based on, for example, epoxy resin and/or as a thermoplastic melting layer without further chemical crosslinking.
  • the baking varnish layer can - as a so-called “prepregable” material - comprise, for example, a partially cross-linked B-stage epoxy and / or vinyl ester resin.
  • "B-Stage” is the state of a three-dimensionally crosslinkable polymer when it is only crosslinked in one dimension, i.e. the duromeric material, for example, is still in chains and can therefore be melted without decomposing.
  • heating and simultaneous pressing of copper wires - e.g. windings in the motor - causes this upper layer of baked varnish to melt and is followed by "baking", i.e. the bonding and hardening of the copper wire enamels.
  • This caking - according to the state of the art - can serve as a replacement for later impregnation.
  • Figure 1 shows an overview of the state of the art, how enameled round wires are usually constructed and are present as an impregnated composite in a groove, for example of a low-voltage electric motor such as a traction motor.
  • a composite 7 of round wires 1 insulated with wire enamel 2 and impregnated with impregnation resin 3 can be seen.
  • a cone-shaped detail section 4 is shown enlarged, with the round wire 1 and wire enamel 2 again being visible.
  • the individual layers 4 can be seen in the enlarged view.
  • This lubricating varnish layer 9 comprises, for example, a siloxane copolymer, whereby the lubricating varnish layer 9 receives a slippery surface 8, on which the impregnation resin 3 unfortunately rolls off .
  • Figure 2 shows - based on this prior art - the solution according to the present invention using an exemplary embodiment.
  • the multi-layer wire varnish structure 20 on the round wire 1 is used again.
  • a thin anti-friction varnish layer 9 is applied as the top "last" layer.
  • anti-friction coatings that are suitable for the relevant area of application.
  • natural waxes, montan waxes, polyethylene waxes, and copolymers with propylene polymers made from higher ⁇ -olefins, polypropylene oxides, esters made from higher functional polyols and longer-chain fatty acids are suitable.
  • polytetrafluoroethylene dispersions such as those from the WO 2007/045575 are known, are suitable as a lubricating varnish for the lubricating varnish layer 9.
  • lubricating varnish layers with siloxane copolymer which are suitable as a lubricating varnish layer 9.
  • the polymers contained in the paint are functionalized with components, for example the modification of polyamide imides with terminal longer-chain alkyl groups.
  • baking varnish layer 10 as the "penultimate” layer, for example made of a prepreg epoxy, such as Deamelt® 356, from Elantas PDG, Inc. USA or another prepreg.
  • the baking varnish layer 10 can also be made of another suitable baking varnish polymer, which melts with an increase in volume at higher temperatures, such as those that occur in the production of low-voltage motors with already filled stator slots.
  • the core of the invention is to use the multi-layer structure of a wire enamel in order to use the top layer of anti-friction varnish 9 favorably for the drawing process of the enamel-insulated round wires into the stator groove of the motor and then - after filling the groove - to pass through the anti-friction layer through the temperature input "Bursting open” an underlying baking varnish layer 10 to destroy it to such an extent that a surface that can be chemically bonded to the impregnation resin is created.
  • FIG. 2 Partial image a) of Figure 2 shows a baked varnish layer 10, for example on prepreg-compatible epoxy, which is applied as the "penultimate" thin layer to the multilayer wire varnish structure 2 or 4. Above this is the last and uppermost anti-friction varnish layer 9, which cannot be chemically bonded to the impregnation resin.
  • Arrow 11 By heating, for example energizing, the winding that is already in the slot during production of the motor, a temperature input occurs and the baking varnish 10 melts. The melting causes the sliding varnish layer 9 to burst open in many places, so that the baked varnish material of the penultimate layer 10 comes to rest on the surface of the varnish insulation. See illustration of part b) of the Figure 2 .
  • Impregnation of the winding with impregnation resin 3 now hits a surface that is at least partly made of baking varnish 10, which means that a good and stable chemical bonding of the impregnation agent 3 to the baking varnish layer 10 is possible at these points.
  • Partial image c) of Figure 2 shows a good chemical bond of the impregnation resin 3 to the surface of the varnish-insulated round wire 1, because in many places the material of the baking varnish 10 forms the surface of the wire insulation.
  • the invention shows that, firstly, applying the anti-friction varnish layer in certain areas is sufficient for filling and/or that the multi-layer structure can be used to achieve the temperature input of current and/or joule heating without the often existing intermediate step briefly at 200 ° C to at least break up the top anti-friction varnish layer so that a subsequent impregnation with liquid impregnation resin can bind to the lacquer layer located under the top anti-friction layer, for example a baking varnish layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen lackisolierten Runddraht, ein Verfahren zur Herstellung eines lackisolierten Runddrahts und die Verwendung von lackisolierten Runddrähten. Bislang konnten gleitfähige Drahtlacke, insbesondere auch mit Siloxangruppen-haltigen Polymeren, nicht imprägniert werden, da die oberste "letzte" Gleitschicht beim Multilagenaufbau des Drahtlacks aufgrund der Siloxangruppen unpolare Eigenschaften hat. Die Erfindung zeigt, dass erstens eine bereichsweise Aufbringung der Gleitlackschicht zum Füllen ausreicht und/oder dass der Multilagenaufbau genutzt werden kann, um durch den ohne oftmals vorhandene Zwischenschritt mit Temperatureintrag der Bestromung und/oder Joule'sehen Erwärmung kurzzeitig auf 200°C die oberste Gleitlackschicht zumindest aufzubrechen, so dass eine darauffolgende Imprägnierung mit flüssigem Imprägnierharz an die unter der obersten Gleitschicht befindlichen Lackschicht, z.B. Backlackschicht, anbinden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen lackisolierten Runddraht, ein Verfahren zur Herstellung eines lackisolierten Runddrahts und die Verwendung von lackisolierten Runddrähten.
  • Ein weitverbreitetes Beispiel für einen lackisolierten Runddraht ist ein Kupferdraht, also ein so genannter Kupferlackdraht. Ein Kupferlackdraht ist ein isolierter Leiter, der bei der Fertigung mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen wurde. Die Dicke und das Gewicht dieser Lackisolation ist im Vergleich zu anderen Isolierstoffen mit gleicher Wirkung sehr gering. Ein Kupferlackdraht wird daher bevorzugt zum Bau von elektrischen Spulen, Transformatoren und Maschinen verwendet. Weitere Anwendungen sind lötbare Schaltdrähte sowie die Herstellung von Hochfrequenzlitzen.
  • Durch den Einsatz von Kupferlackdraht wird die mechanische Baugröße elektrischer Maschinen in günstiger Weise verringert, wobei sich durch die Konzentration der elektrischen und magnetischen Felder auf kleinerem Raum im Rahmen der Wickeltechnik räumliche Einsparungseffekte ergeben. Letztlich führt diese Verringerung der Baugröße durch kürzere Leitungswege auch zu Energieeinsparungen bei gleicher Leistungsabgabe.
  • Elektroisolierlacke werden zur Beschichtung der Kupferlackdrähte, die als elektrische Leiter in elektrischen Bauteilen wie Spulen, Rotoren und Statoren verwendet werden, eingesetzt. Um diese elektrischen Bauteile herzustellen, wird der beschichtete und isolierte Runddraht mit automatisierten Wickelmaschinen aufgewickelt. Dabei sollten die lackierten elektrischen Drähte an den Kanten der elektrischen Bauteile nicht verletzt werden und sich leicht in die Nuten der Bauteile einfügen, damit eine hohe Packungsdichte des Drahtes in den elektrischen Bauteilen erreicht werden kann. Hohe Packungsdichten sind erforderlich, um eine optimale Induktionsleistung zu erreichen. Eine hohe Packungsdichte ist außerdem erstrebenswert, da elektrische Maschinen wie beispielsweise Elektromotoren, die solche elektrischen Bauteile enthalten, mehr und mehr miniaturisiert werden, da eine gestiegene Nachfrage nach immer kleineren Geräten und Bauteilen besteht.
  • Beispielsweise werden Niederspannungsmotoren üblicherweise mittels gewickelten Rund-Lackdrähten hergestellt, welche nach dem Wickelprozess in das Statorblechpaket eingezogen werden. Ein limitierender Faktor ist dabei die Kupferfüllung in der Nut, also die Anzahl der Drähte, welche mittels dieser Technologie vollautomatisiert in die Nut eingebracht werden können. Die Kupferlackdrähte werden zunächst mittels eines so genannten Flyer-Wicklers um eine Schablone gewickelt und im Anschluss im Bündel in die Nut gezogen. Hierbei wird die zunächst sehr geordnete Wicklung nicht weiter fixiert, wodurch ungünstige Gelege entstehen können, - wie z.B. Drahtkreuzungen. Solche Kreuzungen vergrößern zusätzlich den effektiven Querschnitt der Drahtbündel wodurch die benötigte Einzugskraft und dadurch die Belastung sowohl auf den Einziehautomaten als auch auf die Wicklung weiter erhöht wird. Um diese Kräfte zu minimieren und damit die maximal mögliche Kupferfüllung zu erhöhen, werden nach dem Stand der Technik gleitfähige Wachse, z.B. Paraffine, als Überzug eingesetzt. Auch wird durch die Nutzung von Siloxan-Co-Polymeren in der obersten Drahtlack-Isolationsschicht eine deutliche Erhöhung der Gleitfähigkeit erzeugt.
  • Eine gute Gleitfähigkeit ermöglicht so die Verarbeitung des Kupferlackdrahtes in modernen Hochgeschwindigkeitswickelautomaten, in welchen Draht-, Brems- und/oder Führungssysteme den Kupferlackdraht stark beanspruchen. Aus diesen Gründen hat sich das Merkmal der Gleitfähigkeit von Drähten zu einem wichtigen Qualitätsmerkmal für die Herstellung und Verarbeitung von isolierten Runddrähten entwickelt.
  • Aus der EP 3769403 A1 ist ein elektrisches Isolationssystem EIS eines Elektromotors bekannt, das elektrische Leiter in Form von Rundlackdrähten mit einer in einer Nut eines Blechpakets eines Stators angeordneten Rundlack-Drahtwicklung umfasst. Zwischen den Wicklungen der Leiter sind die Hohlräume mit Imprägnierharz ausgefüllt. Der Gehalt an Imprägnierharz wird durch Einbringen eines Imprägnierharz-haltigen Trägers in den Leiter bestimmt, um die Hohlräume im Leiter des Blechpakets ausreichend zu vergießen. Dabei benetzt das Imprägnierharz die Oberfläche des Runddrahtlacks vor der Aushärtung.
  • Der Drahtlack an sich umfasst eine Vielzahl einzelner Kunststoffschichten, beispielsweise aus Polyethylen, "PE", Polyetherimid, "PEI", Polyamidimid "PAI", Polyimid "PI", wobei beispielsweise jede Schicht für sich gleitfähig auf der darunter und/oder darüberliegenden Schicht aufgebracht ist, um flexibel gegenüber mechanischer Belastung, z.B. Streckung, Biegung, etc. zu sein. Dadurch wird auch Rissausbreitung durch alle Lagen erschwert.
  • Mittels der Siloxan-Co-Polymertechnologie - zumindest in der obersten Drahtlack-Isolationsschicht - ist es möglich, sehr hohe Kupferfüllungen vollautomatisiert zu realisieren, jedoch ist eine nachträgliche Imprägnierung - beispielsweise der gefüllten Nut - mittels Imprägnierharz, dass beispielsweise ungesättigtes Polyesterimid, Polyester und/oder Epoxidharz umfasst, nicht möglich, da die chemischen Oberflächengruppen, die die Gleitfähigkeit bewirken, das Imprägnierharz abstoßen. Insbesondere ist keine chemische Anbindung zwischen den unpolaren funktionellen Gruppen - beispielsweise Siloxan- oder Fluor-gruppen, also der Gleitlack-Oberfläche einerseits und dem polaren Imprägnierharz andererseits, herstellbar. Eine Imprägnierung eines Runddrahtes mit hoher Gleitfähigkeit, hergestellt durch Paraffin, Fluor und/oder Siloxangruppen an der Oberfläche, ist daher bislang nicht möglich. Für Niederspannungsmotoren werden aber regelmäßig Imprägnierharze in den Nuten eingesetzt.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Runddrahtlack zur Verfügung zu stellen, der hohe Gleitfähigkeit mit guter Imprägnierbarkeit mit den herkömmlichen Imprägnierharzen, insbesondere solche auf Basis von Polyurethan, ungesättigtem Polyesterimid, Polyester und/oder Epoxidharz, sowie beliebige Kombinationen, Mischungen, Copolymeren und/oder Blends davon, kombiniert.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
  • Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Lackisolierter Runddraht, einen elektrischen Leiter, der mit Drahtlack, dessen Oberfläche durch eine Gleitlackschicht reibungsvermindert ist, isoliert ist, wobei die Gleitlackschicht
    • nicht vollflächig die unteren, mit dem Imprägnierharz chemisch verbindbaren Schichten bedeckt und/oder
    • unterhalb, direkt angrenzend an die GleitlackSchicht eine "vorletzte" Schicht aus Backlack vorgesehen ist.
  • Eine Backlackschicht ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gleitlackschicht ganz oder fast ganz vollflächig die Oberfläche der Drahtlack-Isolation bedeckt, weil dann die Backlackschicht während der Herstellung, insbesondere dem, einem Füllen der Nut nachgeschalteten, Temperatureintrag, die oberflächliche Gleitlackschicht durch den Backlack-Schmelzvorgang aufbricht und so Lackisolationsbereiche freilegt, die mit Imprägnierharz verbindbar sind.
  • Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines lackisolierten Runddrahtes, folgende Verfahrensschritte umfassend:
    1. a) Aufbringen von polymerisierbarem Lackmaterial schichtweise auf den Runddraht,
    2. b) Schichtweise Aushärten und Polymerisieren des Lackmaterials zum Erhalt einer dünnen polymerisierten Lackschicht,
    3. c) optionales Wiederholen der ersten beiden Verfahrensschritte a) und b), bis ein Runddraht mit einer Lackisolation im Multilagen-Drahtlack-Aufbau vorliegt,
    4. d) optionales Aufbringen einer Backlackschicht darüber,
    5. e) vollflächiges oder teilweises Aufbringen einer Gleitlack-Schicht auf die nach den Verfahrensschritten a) bis c) oder a) bis d) hergestellte Isolation,
    6. f) Herstellen der Wicklung,
    7. g) Einziehen der Wicklung in die Nut,
    8. h) Erwärmen der gefüllten Nut, wodurch der die Oberfläche ganz oder teilweise bedeckende Gleitlack entfernt wird,
    9. i) Imprägnieren der Nut durch Eintauchen in flüssiges Imprägnierharz und anschließendes
    10. j) Aushärten des Imprägnierharzes.
  • Schließlich ist noch Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines lackisolierten Runddrahtes - wie oben beschrieben - mit einer Drahtlack-Isolation und einer vollflächigen oder teilweise aufgebrachten obersten Lage aus einem Gleitlack zur Herstellung von Niederspannungs-Elektromotoren.
  • Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die zum Befüllen der Nutz mit Lackisoliertem Runddrähten erforderliche Gleitfähigkeit der lackisolierten Runddrähte durch Gleitlackbeschichtung nicht vollflächig ausgebildet sein muss, um eine optimale Füllung der Nut zu erreichen. Es wurde gefunden, dass eine bereichsweise Gleitlack-Beschichtung hier bereits ausreicht. Zur Herstellung einer teilweisen oberflächlichen Gleitlackbeschichtung ist es möglich, diesen von vorneherein nur bereichsweise aufzutragen, oder ihn nach dem Einzug der Drähte in die Nut bereichsweise wieder zu entfernen.
  • Zur zumindest bereichsweisen Entfernung der oberflächlichen Gleitlackbeschichtung kann z. B. nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine zweitoberst aufgebrachte Backlackschicht eingesetzt werden, weil diese, bei den normal bei der Herstellung der Niederspannungs-Motoren durch Bestromung auftretenden Temperaturen einen darüberliegenden Gleitlack zumindest teilweise entfernt. Das Entfernen bei erhöhter Temperatur von 200°C bis 300°C kann durch Abplatzen und/oder durch Versenken von Gleitlack-Inseln in darunterliegende Lack-Schichten erfolgen.
  • Backlack ist ein Produkt, das hier - als "nicht-oberste" respektive vorletzte - Schicht auf den Runddrahtlack aufgetragen - beim Temperatureintrag nach dem Füllen der Nut aufschmilzt und daher einer darauf befindlichen oberen Schicht Schäden durch zumindest Risse und Fehlstellen zufügt und/oder diese teilweise oder ganz entfernt.
  • Der Gleitlack ist auf der Drahtlack-Isolation nicht immer vollflächig aufgebracht, es reicht unter Umständen aus, dass oberflächlich Bereiche mit guten Gleiteigenschaften vorliegen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform mit Backlack unterhalb der Gleitlackschicht treibt der Gleitlack beispielsweise nach dem Einziehen der Drähte in die Nut und Temperatureintrag in Form isolierter Bereiche auf und in der Backlackschmelze wie Eisschollen auf und in einem auftauenden See.
  • In der Form kann mit Imprägnierharz, dass sich mit Backlack so gut wie mit den üblichen, nicht Gleitlack-fähigen Drahtlack-Isolationsschichten chemisch gut verbinden lässt, technisch sinnvoll imprägniert werden.
  • Die Gleitlackschicht ist nach einer anderen Ausführungsform auf dem Backlack nicht vollflächig aufgebracht, z.B. ist nur im Bereich von 40% oder mehr der Oberfläche mit Gleitlack bedeckt. In den restlichen Bereichen liegt der Backlack frei, so dass hier Imprägnierharz chemisch anbinden kann.
  • Der Anteil der Oberfläche, der mit Gleitlack bedeckt ist, kann variieren, beispielsweise liegt er im Bereich von 40% bis 100%, oder von 50% bis 99% oder im Bereich von 55% bis 98% oder im Bereich von 60% bis 95%.
  • Die Gleitlackbereiche können beispielsweise Stoffe wie Polysiloxan, Seife, Schmierstoff, Wachs etc. umfassen. "Gleitfähige Bereiche" im Multilagen-Drahtlack-Aufbau beispielsweise aus Wachsflocken, sind auch allein oder in Kombination mit anderen Gleitlacken möglich.
  • Als "Backlack" auf dem die Gleitlackbereiche entweder aufgebracht sind oder der komplett mit Gleitlack bedeckt ist, eignen sich beispielsweise Materialien auf Basis von Epoxidharz, Vinylesterharz, aliphatischem Polyamid, aromatischen Polyamid und/oder Polyvinyl Butyral. Der Backlack kann bei der Herstellung der Schichtisolation auch als feste Schicht eines Harzes im B-Zustand, wie z.B. im Fall des Deamelt® 356, der Firma Elantas® PDG, INc. USA, eingesetzt werden.
  • Dabei kann es nach einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Backlackschicht dicker als die übrigen Schichten ist und/oder als Prepreg-Schicht ohne Zwischenhärtung aufgebracht ist.
  • Insbesondere haben sich als "Backlack" Produkte der Firma Elantas® PDG, INc. USA aus der Reihe "wire enamels" hier bewährt. Beispielsweise wurden die Backlacke Deamelt® 355, Deamelt® 356, W23®, Schenbond® 1539, Schenbond® 1540 Bonding Enamel 1236 und Bonding Ename 11251 hier erfolgreich getestet.
  • Beim Imprägnieren von Elektromotoren wird häufig das so genannte Strom UV-Verfahren verwendet, wobei die Statoren vor dem Eintauchen in das flüssige Imprägnierharz vorab durch Bestromung der einzelnen Phasen erwärmt werden. Hierbei erreichen die Temperaturen in den Kupferwicklungen, welche - eben durch den Joul'schen Effekt direkt erhitzt werden - kurzzeitig 200°C bis 300°C, bevor sich die Wärme - relativ - homogen im Stator verteilt. Ein Anklemmen der Statoren und beheizen ist also üblich, auch um die Viskosität des Imprägnierharzes zu reduzieren und die chemische Gelierung gezielt herbeizuführen.
  • Herkömmliche Drahtlacke umfassen mehrere, beispielsweise im Bereich von 3 bis 30 Schichten verschiedener oder gleicher Polymere, z.B. Polyetherimid, Polyetherimin und/oder Polyamidimid, sowie beliebige Kombinationen oder Mischungen daraus. Dies wird allgemein als Multilagen-Drahtlack-Aufbau des Draht-Isolierlacks bezeichnet.
  • Insbesondere werden für den Multilagen-Drahtlack-Aufbau Imprägnierharze auf Basis von Polyurethan, gesättigtem und insbesondere bevorzugt ungesättigtem Polyesterimid, Polyamidimid, Polyester und/oder Epoxidharz, sowie beliebige Kombinationen, Mischungen, Copolymeren und/oder Blends davon, kombiniert, eingesetzt.
  • Die Anzahl der Schichten variiert, beispielsweise liegt sie zwischen 3 und 25 Schichten, bevorzugt bei 7 bis 20 Schichten, oder 10 bis 20 Schichten, insbesondere bevorzugt beispielsweise bei 15 Schichten.
  • Bevorzugt werden die Schichten voneinander getrennt gehärtet, so dass dazwischen jeweils gleitfähige Grenzflächen entstehen, und keine chemische Verbindung zwischen den Schichten auftritt.
  • Beispielsweise kann auch Backlack als vorletzte Schicht aufgetragen und gehärtet werden. Beispielsweise hat die Backlackschicht dann eine Schichtdicke im Bereich 0,2 bis 200 µm, insbesondere 0,3 µm bis 150pm und besonders bevorzugt im Bereich 0,5 bis 100 µm.
  • Bei der Verwendung eines Backlacks als vorletzte Schicht soll als technische Wirkung nicht das "Verbacken" der Drahtlacke erzielt werden, sondern das Aufplatzen der obersten Schicht oder Teilschicht. Daher kann ein derartiger Backlack in dünnerer Schichtdicke aufgetragen werden als üblich, wenn - wie nach dem Stand der Technik vorgesehen - die Wirkung des Verbackens zu erzielen ist.
  • Die Schichten des Multilagen-Drahtlack-Aufbaus für die Drahtlackisolierung von Runddrähten liegen in Bezug auf die Schichtdicke im Bereich von 0,2 µm bis 200pm, insbesondere von 0,3 µm bis 50 µm und besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 0,5 bis 20 µm.
  • Die Backlackschicht wird nach einer Ausführungsform auch als Prepreg auf Basis von beispielsweise Epoxidharz aufgetragen und/oder als thermoplastisch aufschmelzende Schicht ohne weitere chemische Vernetzung.
  • Die Backlackschicht kann - als so genanntes "Prepreg-fähiges" Material beispielsweise ein teilvernetztes B-Stage Epoxid und/oder Vinylesterharz umfassen. "B-Stage" heißt der Zustand eines dreidimensional-vernetzbaren Polymers, wenn nur eindimensional vernetzt ist, also das beispielsweise duromere Material noch in Ketten vorliegt und daher unzersetzt aufschmelzbar ist. Im Stand der Technik wird durch Aufheizen und gleichzeitiges Verpressen von Kupferdrähten - z.B. Wicklungen im Motor - das Aufschmelzen dieser oberen Backlackschicht bewirkt und es folgt das "Verbacken" also das Verkleben und Aushärten der Kupfer-Drahtlacke. Dieses Verbacken - nach dem Stand der Technik - kann als Ersatz für eine spätere Imprägnierung dienen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von zwei Figuren, die einen Überblick über den Stand der Technik und eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, näher erläutert:
    Figur 1 zeigt einen Überblick über den Stand der Technik, wie lackisolierte Runddrähte üblicherweise aufgebaut sind und als imprägnierter Verbund in einer Nut, beispielsweise eines Niederspannungs-Elektromotors wie eines Traktionsmotors, vorliegen.
  • Zu erkennen ist ein Verbund 7 aus mit Drahtlack 2 lackisolierten und mit Imprägnierharz 3 imprägnierten Runddrähten 1.
  • Rechts neben dem Verbund wird ein kegelförmiger Detailausschnitt 4 vergrößert gezeigt, wobei wieder der Runddraht 1, und Drahtlack 2 zu erkennen ist. Beim Drahtlack 2 sind in der vergrößerten Darstellung die einzelnen Schichten 4 erkennbar.
  • Unter der Detailansicht befindet sich eine weitere Vergrößerung des oben gezeigten kegelförmigen Ausschnitts, wobei hier ein weiterer Stand der Technik gezeigt ist. Dabei befindet sich oberhalb der üblichen Drahtlackschichten 2 z.B. mit einem Schichtaufbau 4, wie oben gezeigt, eine Gleitlackschicht 9. Diese Gleitlackschicht 9 umfasst z.B. ein Siloxan-Copolymer, wodurch die Gleitlackschicht 9 eine gleitfähige Oberfläche 8 erhält, an der das Imprägnierharz 3 aber leider abperlt.
  • Direkt angrenzend an den Bereich zwischen Runddraht 1, herkömmlicher Drahtlack 2, befindet sich also diese Lage Gleitlack 9 mit Gleitfähigkeits-Zusatz, beispielsweise mit einem Siloxan-Copolymer und darauffolgend eine rot eingezeichnete gestrichelte Grenzfläche 8 auf der Oberfläche der Gleitlackschicht 9, die die zumindest schlechte oder gar komplett fehlende chemische Anbindung des Imprägniermittels 3 an die oberste mit Gleitmittel an der Oberfläche angereicherte Gleitlackschicht 9 in der Figur verdeutlicht. Wegen dieser Schicht 8, die sich nach dem SdT ausbilden würde, wenn die Runddrähte mit Gleitlackschicht mit Imprägnierharz 3 imprägniert würden, ergibt sich das Problem der vorliegenden Erfindung. Die Technik mit Gleitlackdrähten wird grundsätzlich nur ohne nachfolgende Imprägnierung eingesetzt, weil das Imprägnieren technisch nichts bringt, solange das Imprägnierharz 3 am Gleitlack 9 abperlt.
  • Figur 2 zeigt - ausgehend von diesem Stand der Technik - die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels.
  • Genutzt wird wieder der Multilagen-Drahtlack-Aufbau 20 auf dem Runddraht 1. Als oberste "letzte" Schicht wird eine dünne Gleitlackschicht 9 aufgebracht. Es gibt viele Gleitlacke, die sich für den hier relevanten Einsatzbereich eignen. Beispielsweise eignen sich natürliche Wachse, Montanwachse, Polethylenwachse, und Copolymere mit Propylenpolymeren aus höheren α-Olefine, Polypropylenoxide, Ester aus höher funktionellen Polyolen und längerkettige Fettsäuren. Aber auch Polytetrafluorethylen-Dispersionen, wie sie aus der WO 2007/045575 bekannt sind, eignen sich als Gleitlack für die Gleitlackschicht 9. Schließlich gibt es Gleitlackschichten mit Siloxan-Copolymer, die als Gleitlackschicht 9 geeignet sind. Bei einem weiteren Ansatz zur Verbesserung der Gleitfähigkeit von Elektroisolierlacken werden die im Lack enthaltenden Polymere mit Komponenten funktionalisiert, z.B. die Modifizierung von Polyamidimiden mit terminalen längerkettigen Alkylgruppen.
  • Unter der letzten Gleitlackschicht 9 und direkt anschließend daran befindet sich als "vorletzte" Schicht eine Backlackschicht 10, beispielsweise aus einem Prepreg-Epoxy, wie dem Deamelt® 356, der Fa. Elantas PDG, Inc.USA oder einem anderen Prepreg. Die Backlackschicht 10 kann auch aus einem anderen geeigneten Backlack-Polymer sein, das bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung der Niederspannungsmotoren mit bereits gefüllten Stator-Nuten auftreten, unter Volumenvergrößerung schmilzt.
  • Kern der Erfindung ist es, den Multilagenaufbau eines Drahtlackes zu nutzen, um die oberste Schicht aus Gleitlack 9 günstig für den Einziehprozess der lackisolierten Runddrähte in die Statornut des Motors zu nutzen und im Anschluss - nach dem Befüllen der Nut - durch den Temperatureintrag die Gleitschicht durch "Aufplatzen" einer darunterliegenden BacklackSchicht 10 so weit zu zerstören, dass eine chemisch mit dem Imprägnierharz anbindbare Oberfläche entsteht.
  • Dies zeigt die Figur 2:
    Teilbild a) der Figur 2 zeigt eine Backlackschicht 10, beispielsweise auf Prepreg-fähigem Epoxid, die als "vorletzte" dünne Lage auf den Multilagen-Drahtlack-Aufbau 2 respektive 4 aufgebracht ist. Darüber befindet sich die letzte und oberste Gleitlackschicht 9, der chemisch an das Imprägnierharz nicht anbindbar ist.
  • Pfeil 11: Durch Erwärmen, beispielsweise Bestromen, der sich bereits in der Nut befindlichen Wicklung während der Herstellung des Motors entsteht ein Temperatureintrag und der Backlack 10 schmilzt auf. Das Aufschmelzen bewirkt ein Aufplatzen der Gleitlackschicht 9 an vielen Stellen, so dass das Backlack-Material der vorletzten Schicht 10 auf der Oberfläche der Lackisolation zu liegen kommt. Siehe Darstellung Teilbild b) der Figur 2.
  • Pfeil 12: Imprägnieren der Wicklung mit Imprägnierharz 3 trifft nun auf eine Oberfläche, die zumindest zum Teil aus Backlack 10 besteht, wodurch an diesen Stellen eine gute und im Sinne der Imprägnierung stabile chemische Anbindung des Imprägniermittels 3 an die Backlackschicht 10 möglich wird.
  • Teilbild c) der Figur 2 zeigt gemäß der Erfindung eine gute chemische Anbindung des Imprägnierharzes 3 an die Oberfläche des lackisolierten Runddrahtes 1, weil an vielen Stellen das Material des Backlacks 10 die Oberfläche der Drahtisolation bildet.
  • Somit können sowohl die Vorteile der Gleitlacktechnik als auch die des Imprägnierens genutzt werden.
  • Bislang konnten gleitfähige Drahtlacke, insbesondere auch mit Siloxangruppen-haltigen Polymeren, nicht imprägniert werden, da die oberste "letzte" Gleitschicht beim Multilagenaufbau des Drahtlacks aufgrund der Siloxangruppen unpolare Eigenschaften hat. Die Erfindung zeigt, dass erstens eine bereichsweise Aufbringung der Gleitlackschicht zum Füllen ausreicht und/oder dass der Multilagenaufbau genutzt werden kann, um durch den ohne oftmals vorhandene Zwischenschritt mit Temperatureintrag der Bestromung und/oder Joule'sehen Erwärmung kurzzeitig auf 200°C die oberste Gleitlackschicht zumindest aufzubrechen, so dass eine darauffolgende Imprägnierung mit flüssigem Imprägnierharz an die unter der obersten Gleitschicht befindlichen Lackschicht, z.B. Backlackschicht, anbinden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Runddraht
    2
    Drahtlack
    3
    Imprägnierharz
    4
    Multilagen-Drahtlack
    5
    Thermisch instabile Schicht
    6
    Detailausschnitt
    7
    Verbund aus lackisoliertem Runddrähten und Imprägnierharz
    8
    Grenzfläche, die chemisch nicht an Imprägnierharz anbindet
    9
    Gleitlack
    10
    Backlack
    11
    Pfeil
    12
    Pfeil

Claims (15)

  1. Lackisolierter Runddraht, ein elektrischer Leiter, der mit Drahtlack, dessen Oberfläche durch eine Gleitlackschicht reibungsvermindert ist, isoliert ist, wobei die Gleitlackschicht
    - nicht vollflächig die unteren, mit dem Imprägnierharz chemisch verbindbaren Schichten bedeckt und/oder
    - unterhalb, direkt angrenzend an die GleitlackSchicht eine "vorletzte" Schicht aus Backlack vorgesehen ist.
  2. Runddraht nach Anspruch 1, bei dem der Drahtlack in einem Multilagen-Drahtlack-Aufbau mit 2 bis 40 Schichten, realisiert ist.
  3. Runddraht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein Multilagen-Drahtlack-Aufbau mit 10 bis 25 Schichten vorliegt.
  4. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die einzelnen Schichten des Drahtlacks eine Schichtdicke im Bereich von 0,2 bis 200µm haben.
  5. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die einzelnen Lagen des Multilagen-Drahtlack-Aufbaus aus polymerem Material sind.
  6. Runddraht nach Anspruch 4, bei dem die einzelnen Lagen des Multilagen-Drahtlack-Aufbaus ein Imprägnierharz, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen: Epoxid, Polyetherimid, Polyurethan und/oder Polyamidimid, sowie beliebige Kombinationen und/oder Mischungen daraus, umfassen.
  7. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach jeder Drahtlack-Schicht des Multilagen-Drahtlack-Aufbaus eine Aushärtung der Schicht vor dem Aufbringen der nächsten Schicht erfolgt und damit zwischen den Schichten gleitfähige Oberflächen vorhanden sind.
  8. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Backlackschicht ein Prepreg-fähiges im B-Zustand Material umfasst.
  9. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Backlackschicht thermoplastisch aufschmelzendes Material ohne weitere chemische Vernetzung umfasst.
  10. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Backlackschicht ein Material, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen: Epoxidharz, Vinylesterharz, aliphatisches Polyamid, aromatisches Polyamid und/oder Polyvinyl-Butyral allein oder in beliebigen Blends und/oder Copolymeren, umfasst.
  11. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Backlackschicht dicker als die anderen Schichten des Multilagen-Drahtlack-Aufbaus ist.
  12. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleitlackschicht ein Fluor-haltiges und/oder Siloxan-haltiges Polymer umfasst.
  13. Verfahren zur Herstellung eines lackisolierten Runddrahtes, folgende Verfahrensschritte umfassend:
    a) Aufbringen von polymerisierbarem Lackmaterial schichtweise auf den Runddraht,
    b) Schichtweise Aushärten und Polymerisieren des Lackmaterials zum Erhalt einer dünnen polymerisierten Lackschicht,
    c) optionales Wiederholen der ersten beiden Verfahrensschritte a) und b), bis ein Runddraht mit einer Lackisolation im Multilagen-Drahtlack-Aufbau vorliegt,
    d) optionales Aufbringen einer Backlackschicht darüber,
    e) vollflächiges oder teilweises Aufbringen einer Gleitlack-Schicht auf die nach den Verfahrensschritten a) bis c) oder a) bis d) hergestellte Isolation,
    f) Herstellen der Wicklung,
    g) Einziehen der Wicklung in die Nut,
    h) Erwärmen der gefüllten Nut, wodurch der die Oberfläche ganz oder teilweise bedeckende Gleitlack entfernt wird,
    i) Imprägnieren der Nut durch Eintauchen in flüssiges Imprägnierharz und anschließendes
    j) Aushärten des Imprägnierharzes.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Verfahrensschritt des Erwärmens zumindest zum Teil durch Bestromung durchgeführt wird.
  15. Verwendung eines lackisolierten Runddrahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Niederspannungs-Elektromotoren.
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