EP4307322A1 - Lackisolierter runddraht, verfahren zur herstellung und verwendung dazu - Google Patents

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EP4307322A1
EP4307322A1 EP22184696.7A EP22184696A EP4307322A1 EP 4307322 A1 EP4307322 A1 EP 4307322A1 EP 22184696 A EP22184696 A EP 22184696A EP 4307322 A1 EP4307322 A1 EP 4307322A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
wire
round wire
thermally unstable
enamel
Prior art date
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Pending
Application number
EP22184696.7A
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 EP22184696.7A priority Critical patent/EP4307322A1/de
Priority to PCT/EP2023/068150 priority patent/WO2024012906A1/de
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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 are used as a coating according to the state of the art.
  • the use of siloxane co-polymers in the top layer of wire enamel also results in 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.
  • siloxane co-polymer technology - at least in the top wire enamel layer - it is possible to realize very high copper fillings fully automatically, but subsequent impregnation - for example of the filled groove - using impregnating resin, which includes, for example, polyetherimide, polyether and / or epoxy resin, not possible because the chemical surface groups that provide lubricity repel the impregnation resin.
  • impregnating resin which includes, for example, polyetherimide, polyether and / or epoxy resin, not possible because the chemical surface groups that provide lubricity repel the impregnation 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 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.
  • the subject of the present invention is a lacquer-insulated round wire, comprising an electrical conductor which is insulated with wire lacquer and which surrounds the round wire in such a way that a layer of thermally unstable material is used as the top layer or as the penultimate layer directly adjacent to the surface the wire enamel insulation is provided.
  • the invention also relates to the use of a lacquer-insulated round wire as described above and a layer of thermally unstable material thereon for the production of low-voltage electric motors.
  • a lubricating varnish layer is applied over the thermally unstable layer, which becomes at least holey when the thermally unstable layer decomposes and/or is partially or completely removed in some places due to gas release from the decomposing lower thermally unstable layer.
  • the anti-friction varnish layer can be provided over the entire surface or in part, whereby when partially coated with anti-friction varnish, it floats in areas like "ice floes" on the lower layer, especially when melting on the lower layer.
  • the anti-friction varnish can make up a surface area, for example in the range from 40% to 100%, preferably 50% to 99%, in particular in the range from 55% to 95% of the surface of the wire enamel insulation.
  • a lubricating varnish is chemically designed so that the base is thermally unstable, with lubricating properties being achieved on the surface by introducing, copolymerizing, mixing and/or blending the base polymer with lubricating components.
  • Such lubricity components are, for example, paraffins, waxes, soaps, lubricants, solid lubricants, organic groups and compounds such as surfactants, organosilicon compounds, in particular siloxanes, polysiloxanes, silazanes, polysilazanes, boron nitride, fluorinated compounds such as perfluorooctanoic acid "PFOA”, polytetrafluoroethylene “PTFE” or “Teflon ® " and similar in the thermally unstable wire enamel insulation layers.
  • PFOA perfluorooctanoic acid
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Teflon ® fluorinated compounds
  • the top wire enamel insulation layer is made of a thermally unstable material such as polyethylene so that it can be used after insertion in the groove when heated, this layer decomposes and exposes the underlying layers, which are, for example, part of a multi-layer wire enamel structure that is compatible with the impregnation resins.
  • the thermally unstable layer comprises, for example, a compound selected from the group comprising: polyethylene, polyethylene glycol, polyolefin and/or polyolefin wax alone or in any combinations.
  • the temperature stability can be influenced by varying the chain length of the polymer. Basically, the temperature stability is shifted to higher temperatures with longer chain lengths.
  • 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 which are heated directly by the Joule effect, briefly reach 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.
  • the thermally unstable layer can also be applied as a top layer - slightly thicker than the other wire enamel layers.
  • 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 thermally unstable layer is also applied, for example, as a prepreg based on polyethylene and/or polyethylene glycol.
  • 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 lubricating varnish layer 5 comprises, for example, a siloxane copolymer, whereby the lubricating varnish layer 5 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 2 or 4 on the round wire 1 is used again.
  • a thin anti-friction varnish layer 5 is applied as the top “last” layer.
  • anti-friction coatings 5 are suitable for the relevant area of application.
  • natural waxes, montan waxes, polyethylene waxes, and copolymers with propylene polymers are suitable from higher ⁇ -olefins, polypropylene oxides, esters from higher functional polyols and longer chain fatty acids.
  • polytetrafluoroethylene dispersions such as those from the WO 2007/045575 are known, are suitable as a lubricating varnish for the lubricating varnish layer 5.
  • lubricating varnish layers 5 with siloxane copolymer which are suitable as a lubricating varnish layer 5.
  • the polymers contained in the paint are functionalized with components, for example the modification of polyamide imides with terminal longer-chain alkyl groups.
  • thermally unstable layer 10 for example made of polyethylene glycol, as the "penultimate" layer.
  • the thermally unstable layer 10 can also be made of another suitable polymer, which decomposes at higher temperatures, such as those that occur in the production of low-voltage motors with already filled stator slots, and - through, for example, gas evolution such as CO2 evolution - at least the upper layer partly blows off, as shown by arrow 11 in the Figure 2 shown.
  • 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 for the process of pulling the enamel-insulated round wires into the stator groove of the motor and then - after filling the groove - to pass the anti-friction layer through the temperature input. "Bursting" of an underlying layer to such an extent that a surface that can be chemically bonded with the impregnation resin is exposed.
  • Arrow 11 By heating, for example energizing, the winding already in the slot during the manufacture of the motor, a temperature input is created in the thermally unstable layer 10 and decomposes it.
  • the decomposition usually releases CO2 in gaseous form and causes the overlying anti-friction varnish layer 5 to burst in many places, so that the material of the penultimate layer 10 comes to rest on the surface of the varnish insulation. See the illustration in the middle Figure 2 .
  • Impregnation of the winding with impregnation resin 3 now encounters a surface which at least partially consists of a thermally unstable layer 10, which means that a good chemical bonding of the impregnation agent 3 to the thermally unstable layer 10 is possible at these points.
  • the multilayer wire enamel structure 2, or 4 is exposed, via which a good chemical bond to the impregnation resin 3 is also possible.
  • Figure 3 shows a further advantageous embodiment of the invention.
  • the anti-friction varnish 9 is designed in such a way that, in addition to the anti-friction properties achieved by the siloxane groups it contains, it is a thermally unstable base material Material such as polyethylene and/or polyethylene glycol.
  • the anti-friction varnish 9 When temperature is introduced - shown by arrow 11 - which occurs during the manufacture of an engine, the anti-friction varnish 9 on a thermally unstable material basis dissolves. Below the anti-friction varnish 9, the multi-layer wire varnish structure 4 is exposed, which - see arrow 12 - has a surface that can be easily bonded chemically to the impregnation resin 3 when impregnated with impregnating resin 3.
  • the multi-layer structure can be used to at least break up the top anti-friction varnish layer without the often existing intermediate step with temperature input of current and / or Joule heating to 200 ° C or more, so that a subsequent impregnation with liquid impregnation resin can bind to the thermally unstable layer located under the top sliding layer.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Insulated Conductors (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

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 der Multilagenaufbau genutzt werden kann, um durch den ohne oftmals vorhandene Zwischenschritt mit Temperatureintrag der Bestromung und/oder Joule'schen Erwärmung kurzzeitig auf 200°C oder mehr die oberste Gleitlack-schicht zumindest aufzubrechen, so dass eine darauffolgende Imprägnierung mit flüssigem Imprägnierharz an die unter der obersten Gleitschicht befindliche thermisch instabile Schicht 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 Drahtlackschicht 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.
  • Mittels der Siloxan-Co-Polymertechnologie - zumindest in der obersten Drahtlackschicht - ist es möglich, sehr hohe Kupferfüllungen vollautomatisiert zu realisieren, jedoch ist eine nachträgliche Imprägnierung - beispielsweise der gefüllten Nut - mittels Imprägnierharz, dass beispielsweise Polyetherimid, Polyether 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 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 auf Basis von Polyurethan, Polyetherimid, Polyether und/oder Epoxidharz 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 isoliert ist, der den Runddraht ummantelnd umgibt, umfassend, dergestalt, dass eine Schicht aus thermisch instabilem Material als oberste Schicht oder als vorletzte, direkt an die Oberfläche angrenzende Schicht der Drahtlackisolierung vorgesehen ist.
  • Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines lackisolierten Runddrahtes, folgende Verfahrensschritte umfassend:
    • Aufbringen von polymerisierbarem Lackmaterial schichtweise auf den Runddraht,
    • Schichtweise Aushärten und Polymerisieren des Lackmaterials zum Erhalt einer dünnen polymerisierten Lackschicht,
    • Optional Wiederholen der ersten beiden Verfahrensschritte, bis ein Runddraht mit einer Lackisolation im Multilagen-Drahtlack-Aufbau vorliegt,
    • Aufbringen einer thermisch instabilen Schicht darüber,
    • Herstellen der Wicklung,
    • Einziehen der Wicklung in die Nut,
    • Erwärmen der gefüllten Nut, wodurch eine Zersetzung der thermisch instabilen Schicht in Gang gesetzt wird,
    • Imprägnieren durch Eintauchen in flüssiges Imprägnierharz und anschließendes
    • Aushärten.
  • Schließlich ist noch Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines lackisolierten Runddrahtes wie oben beschrieben und darauf einer Lage aus thermisch instabilem Material zur Herstellung von Niederspannungs-Elektromotoren.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Gleitlackschicht über der thermisch instabilen Schicht aufgebracht, die beim Zersetzen der thermisch instabilen Schicht zumindest löchrig wird und/oder an einigen Stellen durch Gasfreisetzung der sich zersetzenden unteren thermisch instabilen Schicht teilweise oder ganz entfernt wird. Die Gleitlackschicht kann vollflächig oder teilweise vorgesehen sein, wobei bei teilweiser Beschichtung mit Gleitlack dieser als bereichsweise wie "Eisschollen" auf der unteren Schicht, vor allem beim Aufschmelzen auf der unteren Schicht, treibt. Der Gleitlack kann einen Flächenanteil beispielsweise im Bereich von 40% bis zu 100%, bevorzugt 50% bis 99%, insbesondere auch im Bereich von 55% bis 95% der Oberfläche der Drahtlack-Isolation ausmachen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Gleitlack chemisch so konzipiert, dass die Basis thermisch instabil ist, wobei Gleitfähigkeit oberflächlich durch Einbringen, Copolymerisieren, Vermischen und/oder Blenden des Basispolymers mit Gleitfähigkeits-Bestandteilen erzielt wird.
  • Solche Gleitfähigkeits-Bestandteile sind z.B. Paraffine, Wachse, Seifen, Schmierstoffe, Festschmierstoffe, organische Gruppen und Verbindungen wie Tenside, Siliziumorganischen Verbindungen, insbesondere also Siloxane, Polysiloxane, Silazane, Polysilazane, Bornitrid, fluorierte Verbindungen wie Perfluoroctanäure "PFOA", Polytetrafluorethylen "PTFE" oder "Teflon®" und ähnliches in den thermisch instabilen Drahtlack-Isolierschichten.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die oberste Drahtlack-Isolationsschicht aus einem thermisch instabilen Material wie Polethylen gemacht, damit sich nach dem Einbringen in die Nut beim Erwärmen diese Schicht zersetzt und die darunter liegenden Schichten, die z.B. Teil eines Multilagen-Drahtlack-Aufbaus sind, der mit den Imprägnierharzen kompatibel ist, freilegt.
  • Die thermisch instabile Schicht umfasst beispielsweise eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyolefin- und/oder Polyolefin-Wachs allein oder in beliebigen Kombinationen. Dabei kann durch Variation der Kettenlänge des Polymers die Temperaturstabilität beeinflusst werden. Grundsätzlich wird dabei die Temperaturstabilität bei längerer Kettenlänge zu höheren Temperaturen verschoben.
  • 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 die thermisch instabile Schicht auch als eine - im Vergleich zu den anderen Drahtlackschichten etwas dickere - oberste Schicht aufgetragen werden.
  • 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 thermisch instabile Schicht wird beispielsweise auch als Prepreg auf Basis von Polyethylen und/oder Polyethylenglykol aufgebracht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von drei Figuren, die den Stand der Technik und beispielhafte Ausführungsformen 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 5. Diese Gleitlackschicht 5 umfasst z.B. ein Siloxan-Copolymer, wodurch die Gleitlackschicht 5 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 5 mit Gleitfähigkeits-Zusatz, beispielsweise mit einem Siloxan-Copolymer und darauffolgend eine rot eingezeichnete gestrichelte Grenzfläche 8 auf der Oberfläche der Gleitlackschicht 5, die die zumindest schlechte oder gar komplett fehlende chemische Anbindung des Imprägniermittels 3 an die oberste mit Gleitmittel an der Oberfläche angereicherte Gleitlackschicht 5 in der Figur 1 verdeutlicht. Wegen dieser Schicht 8, die sich nach dem SdT ausbilden würde, wenn die Runddrähte mit Gleitlackschicht 5 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 5 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 2 respektive 4 auf dem Runddraht 1. Als oberste "letzte" Schicht wird eine dünne Gleitlackschicht 5 aufgebracht. Es gibt viele Gleitlacke 5, 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 5. Schließlich gibt es Gleitlackschichten 5 mit Siloxan-Copolymer, die als Gleitlackschicht 5 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 obersten Gleitlackschicht 5 und direkt anschließend daran befindet sich als "vorletzte" Schicht eine thermisch instabile Schicht 10, beispielsweise aus Polethylenglykol. Die thermisch instabil Schicht 10 kann auch aus einem anderen geeigneten Polymer sein, das bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung der Niederspannungsmotoren mit bereits gefüllten Stator-Nuten auftreten, zersetzt und - durch beispielsweise Gasentwicklung wie CO2-Entwicklung - die obere Schicht zumindest zum Teil absprengt, wie nach dem Pfeil 11 in der Figur 2 gezeigt.
  • Kern der Erfindung ist es, den Multilagenaufbau eines Drahtlackes zu nutzen, um die oberste Schicht aus Gleitlack 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 Schicht so weit zu zerstören, dass eine chemisch mit dem Imprägnierharz anbindbare Oberfläche freigelegt wird.
  • Dies zeigt die Figur 2:
    Ganz links in der Figur 2 ist eine thermisch instabile Schichtschicht 10, als "vorletzte" dünne Lage auf den Multilagen-Drahtlack-Aufbau 2 - 4 zu erkennen. Darüber befindet sich die letzte Schicht aus Gleitlack 5, der chemisch an das Imprägnierharz nicht anbindbar ist.
  • Pfeil 11: Durch Erwärmen, z.B. Bestromen, der sich bereits in der Nut befindlichen Wicklung während der Herstellung des Motors, entsteht ein Temperatureintrag und der thermisch instabilen Schicht 10 und zersetzt diese. Das Zersetzen setzt in der Regel CO2 gasförmig frei und bewirkt so ein Aufplatzen der darüberliegenden Gleitlackschicht 5 an vielen Stellen, so dass das Material der vorletzten Schicht 10 auf der Oberfläche der Lackisolation zu liegen kommt. Siehe mittige Darstellung der Figur 2.
  • Pfeil 12: Imprägnieren der Wicklung mit Imprägnierharz 3 trifft nun auf eine Oberfläche, die zumindest zum Teil aus thermisch instabiler Schicht 10 besteht, wodurch an diesen Stellen eine gute chemische Anbindung des Imprägniermittels 3 an die thermisch instabile Schicht 10 möglich wird. Andererseits wird unterhalb der zersetzten thermisch instabilen Schicht 10 der Multilagen-Drahtlack-Aufbau 2, respektive 4, freigelegt, über den auch eine gute chemische Anbindung an das Imprägnierharz 3 möglich ist.
  • Links in der Figur 2 zeigt dann die gemäß der Erfindung gute chemische Anbindung des Imprägnierharzes 3 an die Oberfläche des lackisolierten Runddrahtes 1, weil an vielen Stellen das Material der thermisch instabilen Schicht 10 oder des Multilagen-Drahtlacks 4 die Oberfläche der Drahtisolation bildet.
  • Figur 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Dabei wird durch Einbringen von Siloxangruppen in die thermisch instabile Schicht nach dem Einziehen der mit Gleitlack beschichteten Runddrähte in die Nut bei der folgenden Erwärmung die Gleitlackschicht zumindest zum Teil zersetzt, wodurch der darunterliegende Multilagen-Drahtlack-Aufbau 4 freigelegt wird und oberflächlich mit einem Imprägnierharz eine gute chemische Anbindung ausbilden kann.
  • Im Einzelnen wird wieder links der Aufbau eines in die Nut mittels oberflächlichem Gleitlack 9 eingezogenen Runddrahtes 1 dargestellt. Der Gleitlack 9 ist so konzipiert, dass er neben den Gleiteigenschaften, die durch enthaltene Siloxangruppen erzielt werden, als Basismaterial ein thermisch instabiles Material, wie beispielsweise Polyethylen und/oder Polyethylenglykol, hat.
  • So entsteht bei Temperatureintrag - dargestellt durch Pfeil 11 -, der während der Herstellung eines Motors erfolgt, eine Auflösung des Gleitlacks 9 auf thermisch instabiler Materialbasis. Unterhalb des Gleitlacks 9 wird der Multilagen-Drahtlack-Aufbau 4 freigelegt, der - siehe Pfeil 12 - beim Imprägnieren mit Imprägnierharz 3 eine chemisch an das Imprägnierharz 3 gut anbindbare Oberfläche hat.
  • 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 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 oder mehr die oberste Gleitlack-schicht zumindest aufzubrechen, so dass eine darauffolgende Imprägnierung mit flüssigem Imprägnierharz an die unter der obersten Gleitschicht befindliche thermisch instabile Schicht anbinden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Runddraht
    2
    Drahtlack
    3
    Imprägnierharz
    4
    Multilagen-Drahtlack-Aufbau
    5
    Gleitlack nach dem Stand der Technik
    6
    Detailausschnitt
    7
    Verbund aus lackisoliertem Runddrähten und Imprägnierharz
    8
    Grenzfläche, die chemisch nicht an Imprägnierharz anbindet
    9
    Thermisch instabile Gleitlackschicht
    10
    Thermisch instabile vorletzte Schicht
    11
    Pfeil

Claims (15)

  1. Lackisolierter Runddraht, ein elektrischer Leiter, der mit Drahtlack isoliert ist, der den Runddraht ummantelnd umgibt, umfassend, dergestalt, dass eine Schicht aus thermisch instabilem Material mit einem Gleitfähigkeits-Bestandteil als oberste Schicht vorgesehen ist und/oder eine thermisch-instabile Schicht als vorletzte, direkt an die Oberfläche angrenzende Schicht der Drahtlackisolierung 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 20 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 thermisch instabile Schichtschicht ein oder mehrere Gleitfähigkeits-Bestandteile umfasst.
  9. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermisch instabile Schicht Siloxan- Silazan und/oder Fluorgruppen umfasst, die der thermisch instabilen Schicht eine gleitfähige Oberfläche verleihen.
  10. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermisch instabile Schichtschicht ein Material, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen: Polethylen, Polyethylenglykol, Polyolefin- und/oder Polyethylenwachs allein oder in beliebigen Kombinationen, Blends und/oder Copolymeren, umfasst.
  11. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermisch instabile Schichtschicht dicker als die anderen Schichten des Multilagen-Drahtlack-Aufbaus ist.
  12. Runddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multilagen-Drahtlack-Aufbau des Runddrahtes als vorletzte Schicht eine thermisch instabile Schicht hat und darauf liegend als letzte und oberste Schicht eine Gleitlackschicht umfasst.
  13. Verfahren zur Herstellung eines lackisolierten Runddrahtes, folgende Verfahrensschritte umfassend:
    - Aufbringen von polymerisierbarem Lackmaterial schichtweise auf den Runddraht,
    - Schichtweise Aushärten und Polymerisieren des Lackmaterials zum Erhalt einer dünnen polymerisierten Lackschicht,
    - Mehrmaliges Wiederholen der ersten beiden Verfahrensschritte, bis ein Runddraht mit einer Lackisolation im Multilagen-Drahtlack-Aufbau vorliegt
    - Aufbringen einer thermisch instabilen Schicht darüber,
    - Herstellen der Wicklung
    - Einziehen der Wicklung in die Nut
    - Erwärmen der gefüllten Nut, wodurch eine Zersetzung der thermisch instabilen Schicht in Gang gesetzt wird,
    - Imprägnieren durch Eintauchen in flüssiges Imprägnierharz und anschließendes
    - Aushärten.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Verfahrensschritt des Erwärmens zumindest zum Teil durch Bestromung durchgeführt wird.
  15. Verwendung eines lackisolierten nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Niederspannungs-Elektromotoren.
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