Lackisolierter Runddraht , Verfahren zur Herstellung und Verwendung dazu

Die Erfindung betri f ft 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 I solierstof fen mit gleicher Wirkung sehr gering . Ein Kupferlackdraht wird daher bevorzugt zum Bau von elektrischen Spulen, Trans formatoren 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 Einsparungsef fekte 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 auf gewickelt . 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 Pa- ckungsdichten 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 Kupf erfüllung 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 . Drahtkreuzun- gen . Solche Kreuzungen vergrößern zusätzlich den ef fektiven 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 . Paraf fine , als Überzug eingesetzt . Auch wird durch die Nutzung von Siloxan-Co-Polymeren in der obersten Drahtlackschicht eine deutliche Erhöhung der Gleitfähigkeit erzeugt .

Eine gute Gleit fähigkeit 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 Gleit fähigkeit von Drähten zu einem wichtigen Qualitätsmerkmal für die Herstellung und Verarbeitung von isolierten Runddrähten entwickelt . Aus der EP 3769403 Al ist ein elektrisches I solationssystem 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 Viel zahl einzelner Kunststof f schichten, beispielsweise aus Polyethylen, „PE" , Po- lyetherimid, „PEI" , Polyamidimid „PAI" , Polyimid „PI" , wobei beispielsweise j ede 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, j edoch ist eine nachträgliche Imprägnierung - beispielsweise der gefüllten Nut - mittels Imprägnierharz , dass beispielsweise Polyetheri- mid, Polyether und/oder Epoxidharz umfasst , nicht möglich, da die chemischen Oberflächengruppen, die die Gleit fähigkeit 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 Gleitf ähigkeit , 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 Gleit fähigkeit 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 of fenbart 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 Multi- lagen-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 Aus führungs form 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 Gas freisetzung der sich zersetzenden unteren thermisch instabilen Schicht teilweise oder ganz entfernt wird . Die Gleitlackschicht kann voll flächig oder teilweise vorgesehen sein, wobei bei teilweiser Beschichtung mit Gleitlack dieser als bereichsweise wie „Eisschollen" auf der unteren Schicht , vor allem beim Auf schmel zen 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 Draht- lack- I solation ausmachen .

Nach einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung wird ein Gleitlack chemisch so konzipiert , dass die Basis thermisch instabil ist , wobei Gleit fähigkeit oberflächlich durch Einbringen, Copolymerisieren, Vermischen und/oder Blenden des Basispolymers mit Gleit fähigkeits-Bestandteilen erzielt wird .

Solche Gleit f ähigkeits-Bestandteile sind z . B . Paraf fine , Wachse , Sei fen, Schmierstof fe , Festschmierstof fe , organische Gruppen und Verbindungen wie Tenside , Sili ziumorganischen Verbindungen, insbesondere also Siloxane , Polysiloxane , Sila- zane , Polysilazane , Bornitrid, fluorierte Verbindungen wie Perf luoroctanäure „PFOA" , Polytetrafluorethylen „PTFE" oder „Teflon®" und ähnliches in den thermisch instabilen Drahtlack- I solier schicht en .

Nach einer Aus führungs form der Erfindung wird die oberste Drahtlack- I solationsschicht aus einem thermisch instabilen Material wie Polethylen gemacht , damit sich nach dem Einbrin- gen 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 Polyolef in-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 ' sehen Ef fekt direkt erhitzt werden - kurz zeitig 200 ° C bis 300 ° C, bevor sich die Wärme - relativ - homogen im Stator verteilt . Ein Anklemmen der Statoren und behei zen ist also üblich, auch um die Viskosität des Imprägnierharzes zu reduzieren und die chemische Gelierung gezielt herbei zu führ en .

Herkömmliche Drahtlacke umfassen mehrere , beispielsweise im Bereich von 3 bis 30 Schichten verschiedener oder gleicher Polymere , z . B . Polyetherimid, Polyetherimin und/oder Poly- amidimid, sowie beliebige Kombinationen oder Mischungen daraus . Dies wird allgemein als Multilagen-Drahtlack-Aufbau des Draht- I solierlacks bezeichnet .

Insbesondere werden für den Multilagen-Drahtlack-Aufbau Imprägnierharze auf Basis von Polyurethan, gesättigtem und insbesondere bevorzugt ungesättigtem Polyesterimid, Polyamidi- mid, 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 j eweils gleitfähige Grenz flächen 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 pm bis 200pm, insbesondere von 0 , 3 pm bis 50 pm und besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 0 , 5 bis 20 pm .

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 Aus führungs formen 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 kegel förmiger 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 kegel förmigen 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 Gleit f ähigkeits-Zusat z , beispielsweise mit einem Siloxan-Copolymer und darauf folgend eine rot eingezeichnete gestrichelte Grenz fläche 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 Aus führungsbeispiels .

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 Propylenpolyme- ren aus höheren a-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 Modi fi zierung von Polyamidimiden mit terminalen längerketti- gen 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 Multi- lagen-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 gas förmig 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 tri f ft 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 Multi- lagen-Drahtlacks 4 die Oberfläche der Drahtisolation bildet .

Figur 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Aus führungs form 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 instabi- les 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 kurz zeitig auf 200 ° C oder mehr die oberste Gleitlack-schicht zumindest auf zubrechen, so dass eine darauf folgende Imprägnierung mit flüssigem Imprägnierharz an die unter der obersten Gleitschicht befindliche thermisch instabile Schicht anbinden kann .

Bezugs zeichenliste

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 Grenz fläche , die chemisch nicht an Imprägnierharz anbindet

9 Thermisch instabile Gleitlackschicht

10 Thermisch instabile vorletzte Schicht

11 Pfeil