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Dokumentenidentifikation DE69009655T2 22.09.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0422679
Titel Verfahren zur Herstellung eines Wickelkabels.
Anmelder Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka, JP
Erfinder Sawada, Kazuo, c/o Osaka, 1-3, Shimaya 1-chome, Konohana-ku, Osaka, JP;
Inazawa, Shinji, c/o Osaka, 1-3, Shimaya 1-chome, Konohana-ku, Osaka, JP;
Yamada, Kouich, c/o Osaka, 1-3, Shimaya 1-chome, Konohana-ku, Osaka, JP
Vertreter Herrmann-Trentepohl, W., Dipl.-Ing., 44623 Herne; Kirschner, K., Dipl.-Phys.; Bockhorni, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte; Strasse, M., Rechtsanw.; Grosse, W., Dipl.-Ing., 81476 München; Thiel, C., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., 44623 Herne; Dieterle, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 04109 Leipzig
DE-Aktenzeichen 69009655
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.10.1990
EP-Aktenzeichen 901196212
EP-Offenlegungsdatum 17.04.1991
EP date of grant 08.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.09.1994
IPC-Hauptklasse H01B 7/34
IPC-Nebenklasse H01B 13/06   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule, die durch einen mineralischen Werkstoff isoliert ist.

Beispiele eines hitzebeständigen isolierten Drahts sind ein MI-Kabel (mineralisoliertes Kabel), das durch Einschieben eines Leiters in ein Rohr aus einer hitzebeständigen Legierung aus einer rostfreien Stahllegierung etc., die mit feinen Teilchen eines Metalloxids, beispielsweise Magnesiumoxid, bestückt ist, gebildet wird, und ein mit einem Rohr aus Glasgeflecht isolierter Draht, bei dem textile Glasfasern als Isolierelement verwendet werden, und dergleichen. Das MI-Kabel ist jedoch zum Aufwickeln ungeeignet, da die Dichte seines Leiters nicht erhöht werden kann. Andererseits hat der durch ein Rohr aus Glasgeflecht isolierte Draht eine geringere Hitzebeständigkeit zusätzlich zur elektrischen und mechanischen Zuverlässigkeit, da seine innere Schicht einen organischen Stoff enthalten kann, und die Dichte seines Leiters kann nicht erhöht werden. Also ist auch der durch ein Rohr aus Glasgeflecht isolierte Draht zum Aufwickeln ungeeignet.

Bei einem wohlbekannten Verfahren zur Herstellung einer Spule wird eine Mischung, die durch Mischen und Dispergieren von Keramikteilchen in einem hitzebeständigen organischen Material hergestellt wird, auf die Außenfläche eines Leiters aufgetragen, getrocknet oder insgesamt in solchem Maß3, daß das hitzebeständige organische Material nicht vollständig zersetzt wird, einer Wärmebehandlung unterzogen, gewickelt und erneut erhitzt, um das in dem gewickelten Draht enthaltene hitzebeständige organische Material thermisch zu zersetzen, um dadurch die Keramikteilchen um den Leiter herum zu fixieren.

Es ist auch ein Alumit-Draht bekannt, der durch Oxidieren der Oberfläche eines Aluminiumleiters als dünnem keramischen Draht, der bis zu einem gewissen Grad biegsam ist, hergestellt wird und es ist auch möglich, eine hitzebeständige isolierte Wicklung durch Aufwickeln eines Leiters zu bilden.

Eine Wicklung wird jedoch normalerweise durch Imprägnieren mit einem organischen Material, beispielsweise Emaille, fixiert, um eine Versetzung durch Schwingungen oder dgl. zu verhindern. Deshalb kann, selbst wenn der obengenannte Draht, dessen Oberfläche mit einer Keramikschicht überzogen ist, zur Herstellung einer Spule verwendet wird, keine ausreichende Hitzebeständigkeit erzielt werden, wenn der aufgewickelte Draht durch ein organisches Material fixiert wird.

Um dieses Problem zu lösen, offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-237404 ein Verfahren zum Eintauchen einer Wicklung, die durch Wickeln eines Drahts hergestellt wurde, in eine Lösung von umgesetztem Metallalkoxid, um die Lösung auf die Oberfläche der Wicklung aufzubringen, und zum anschließenden Überführen des die Lösungsschicht bildenden Materials durch Erhitzen in Oxidkeramik. Nach diesem Verfahren ist es möglich, den gewickelten Draht durch die Oxidkeramikschicht zu fixieren und dadurch im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren der Verwendung eines organischen Materials eine überragende Hitzebeständigkeit zu erreichen.

Bei einem derartigen Verfahren ist es jedoch schwierig, leere Bereiche zwischen inneren Windungen des die Wicklung bildenden Drahts mit der Metalloxidlösung zu füllen. Wenn ein Draht, der durch Beschichten der Oberfläche eines Leiters mit einer Mineralisolationsschicht gebildet wurde, aufgewickelt wird, wirkt eine Biegespannung auf die Mineralisolationsschicht und verursacht Risse in derselben. Bei dem in dem obengenannten Stand der Technik offenbarten Verfahren ist es nicht möglich, die leeren Bereiche zwischen den inneren Windungen des die Wicklung bildenden Drahts mit der umgesetzten Metalloxidlösung zu imprägnieren, und Risse, die in der organischen Isolationsschicht entstanden sind, bleiben in solchen Bereichen bestehen. Also wird die Durchschlagspannung so verringert, daß es unmöglich ist, den hohen Isolationsgrad zu erzielen, der ursprünglich durch die organische Isolationsschicht bereitgestellt werden soll.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer isolierten Wicklung, die eine Wicklung mit starker Isolation versehen kann, bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer isolierten Wicklung durch Aufwickeln eines Drahtes zu einer Wicklung, der durch Beschichten der äußeren Umfangsfläche eines Leiters mit einer Mineralisolationsschicht gerichtet. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Schritte des Aufbringens einer Vorläuferlösung eines isolierenden Oxidmaterials auf die Oberfläche des Drahts, der in einem Zwischenschritt beim Aufwickeln des Drahtes mit der Oxidlösung beschichtet wird, des Aufwickelns des Drahts und danach des Trocknens der Vorläuferlösung des auf der Oberfläche des Drahts aufgebrachten isolierenden Oxidmaterials.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials wird vorzugsweise durch Hydrolyse und Polykondensation von Metallalkoxid oder Metallcarboxylat, das wenigstens eine Sorte eines aus der Si, Al, Zr, Ti und Mg aufweisenden Gruppe ausgewählten Metalls enthält, hergestellt.

Bei der vorliegenden Erfindung kann der Draht, der durch Beschichten der äußeren Umfangsfläche eines Leiters mit einer Mineralisolationsschicht gebildet wurde, beispielsweise aus folgendem Material hergestellt werden:

(1) einem Alumitdraht, der durch Anodenoxidation der Oberfläche eines Aluminiumleiters gebildet wurde,

(2) einem Draht, der durch Aufbringen von Siliziumharz, das durch Erhitzen in Keramik umgewandelt wird, oder einem Material, das durch Einmischen von Keramikteilchen in das Siliziumharz hergestellt wurde, gebildet wurde, oder einem Draht, der durch Erhitzen der Harzschicht, um diese vollständig oder teilweise in Keramik umzuwandeln, erhalten wurde; oder

(3) einem Draht, der durch Aufbringen einer Keramikvorläuferlösung, die durch Hydrolysieren und Polykondensieren eines Rohmaterials aus Metallalkoxid oder Metallcarboxylat hergestellt wird, auf der Oberfläche eines Leiters gebildet wird, oder einem Draht, der durch teilweises oder vollständiges Umwandeln des die Lösungsschicht bildenden Materials durch Erhitzen in Keramik gebildet wird.

Obwohl ein derartiger Draht verhältnismäßig biegsam ist, kommt es in der dünnen Schicht zu einer Vielzahl von Rissen, wenn der Draht über die Grenze der Keramikfestigkeit hinaus gewickelt wird, da das Material der Isolationsschicht aus Keramik gebildet ist. Derartige Risse führen zu einem Aussetzen der Erregung, wie oben beschrieben wurde. Die vorliegende Erfindung ist geeignet, eine Keramikisolationsschicht zu bilden, um derartige Risse durch Füllen der Risse mit Keramikmaterial zu vermeiden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der Mineralisolationsschicht vorzugsweise nicht mehr als die Hälfte des Leiterdurchmessers. Wenn die Dicke diesen Wert übersteigt, kann die Mineralisolationsschicht beim Wickeln entscheidend beschädigt werden, was bei der Wiederherstellung durch Aufbringen der Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials zu Schwierigkeiten führt, da es unmöglich ist, die Dichte des Leiters, der als Wicklung dienen soll, zu erhöhen.

Wenn die Wicklung im Vakuum oder dergleichen verwendet werden soll, wird die Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials, die auf die Oberfläche des Drahts aufgebracht wird, vorzugsweise durch Wärmebehandlung in Keramik umgewandelt. Die Umwandlung ist geeignet, die Wahrscheinlichkeit einer Gasentwicklung zu verringern, und dadurch kann die Wicklung in geeigneter Weise im Vakuum verwendet werden.

Es ist jedoch nicht erforderlich, die aufgebrachte Vorläuferlösung in Keramik umzuwandeln. Wenn nur eine geringe Zahl von Rissen in der Mineralisolationsschicht entstanden sind und diese mit einer geringen Menge der Vorläuferlösung gefüllt werden können, kann die Lösung einfach getrocknet werden. In diesem Fall ist es auch möglich, die Lösung durch die während der Verwendung erzeugte Wärme in Keramik umzuwandeln.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, leere Bereiche und Risse, die in der die Drahtfläche bedeckenden Mineralisolationsschicht durch das Wickeln entstanden sein können, mit der Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials aufzufüllen. So ist es möglich, eine durch Risse verursachte Verringerung der Isolierfähigkeit der Mineralisolationsschicht zu vermeiden. Nach der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, eine Wicklung fest zu fixieren, da leere Bereiche zwischen inneren Windungen des Drahts mit der Vorläuferlösung aufgefüllt werden.

Das vorgenannte Metallalkoxid oder Metallcarboxylat kann als Lösung mit verhältnismäßig geringer Viskosität hergestellt werden. So ist es möglich, die Lösung auf die Oberfläche eines mit einer Mineralisolationsschicht beschichteten Drahts aufzubringen und in der Mineralisolationsschicht entstandene feine Risse aufzufüllen, um dadurch die Isolierfähigkeit zu verbessern.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials in einem Zwischenschritt des Aufwickelns des Drahts auf die Drahtoberfläche aufgebracht. So werden auch leere Bereiche zwischen inneren Windungen des Drahts zum Bilden der Wicklung mit der Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials aufgefüllt, so daß auch in diesen Bereichen in der auf der Drahtoberfläche gebildeten Mineralisolationsschicht entstandene Risse mit Vorläuferlösung aufgefüllt werden können. So wird eine Verminderung der Isolierfähigkeit verhindert und eine hohe Durchschlagspannung erreicht.

Dieses und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende genaue Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung, die einen Draht zeigt, der erfindungsgemäß aufgewickelt ist.

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein Draht 1, der durch Bedecken der äußeren Umfangsfläche eines Leiters mit einer Mineralisolationsschicht gebildet ist, durch eine Filzmaschenplatte 2 hindurchbewegt. Aus einem Zuführungsrohr für die Vorläuferlösung 3 wird eine Vorläuferlösung auf die Filzmaschenplatte 2 geträufelt. So wird die Filzmaschenplatte 2 mit der Vorläuferlösung getränkt. Die Vorläuferlösung wird auf die Oberfläche des Drahts 1, der durch die Filzmaschenplatte 2 hindurchbewegt wird, aufgebracht. Ein derartiger, mit der Vorläuferlösung beschichteter Draht 4 wird auf einen Kern 5 gewickelt.

Auf diese Weise wird die Vorläuferlösung auf die Oberfläche des Drahts 1 aufgebracht und der mit der Vorläuferlösung beschichtete Draht 4 wird aufgewickelt.

Bezugnehmend auf Fig. 2 wird eine Füllschicht der Vorläuferlösung 7 zwischen Windungen eines auf einen Kern 5 aufgewickelten Drahts 1 definiert. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Füllschicht der Vorläuferlösung 7 auch auf der Oberfläche der Windungen des Drahts 1 definiert, um den inneren Teil einer Wicklung zu bilden, wodurch in einer Mineralisolationsschicht 6 möglicherweise entstandene Risse mit der Füllschicht der Vorläuferlösung 7 aufgefüllt werden. So zeichnet sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wicklung durch eine hohe Durchschlagspannung aus. Nach dem Aufwickeln wird die Füllschicht der Vorläuferlösung 7 getrocknet. Falls erforderlich, kann die Füllschicht der Vorläuferlösung 7 durch Wärmebehandlung bei einer höheren Temperatur in Keramik umgewandelt werden.

Beispiel 1

Ein Aluminiumdraht mit 1 mm Drahtdurchmesser wurde mit einem Oxidfilm von etwa 20 um Dicke bedeckt, um einen Alumitdraht, der eine Durchschlagspannung von etwa 300 V hat, herzustellen.

Dieser Alumitdraht wurde auf eine Spule gewickelt, während eine Tetrabutoxysilan-Lösung, die ein Si-Alkoxid ist, auf die Oberfläche des Alumitdrahts aufgebracht wurde. Die Tetrabutoxysilan-Lösung wurde durch Erhitzen/Mischen einer Alkohollösung, der Wasser und ein Katalysator beigegeben wurden, bei 80ºC hergestellt. Der Alumitdraht wurde unter Aufbringen der Tetrabutoxysilan-Lösung auf eine Spule mit 100 mm Durchmesser gewickelt und dann eine Stunde mit der Spule bei 300ºC erhitzt. Der aufgewickelte Alumitdraht wies eine Durchschlagspannung von wenigstens 300 V vor und nach dem Erhitzen auf. Es wurde keine Verringerung der Durchschlagspannung festgestellt, selbst wenn die Alumitdrahtwicklung für 10 Stunden auf 400 ºC erhitzt wurde.

Für Vergleichszwecke wurde eine dem obigen ähnlicher Alumitdraht auf dieselbe Spule mit 100 mm Spulendurchmesser gewickelt, ohne dar die Tetrabutoxysilan-Lösung aufgebracht wurde. In diesem Fall verringerte sich die Durchschlagspannung des Alumitdrahts auf etwa 200 V und teilweise auf weniger als 100 V.

Wie sich aus dem Ergebnis eines derartigen Vergleichs ergibt, zeichnet sich die erfindungsgemäß hergestellte Wicklung, auch wenn sie aufgewickelt ist, durch eine hohe Durchschlagspannung aus.

Beispiel 2

6 g 2-Ethylhexansäure-Zirkonat [Zr[OC(O)CH(C&sub2;H&sub5;)C&sub6;H&sub1;&sub2;]&sub4;] und 2g 2-Ethylhexansäure-Aluminat [Al[OC(O)CH(C&sub2;H&sub5;)C&sub6;H&sub1;&sub2;]&sub3;] wurden in 100 ml Dibutylether gelöst. So wurde eine Zr/Al-Mischlösung hergestellt.

Die Zr/Al-Mischlösung wurde auf einen Kupferleiter mit 0,5 mm Durchmesser, der mit einer Nickelschicht von etwa 10 um Dicke plattiert wurde, aufgebracht und durch Wärmebehandlung in solchem Maß mineralisiert, daß im wesentlichen kein organischer Bestandteil zurückblieb. Der Draht, dessen äußere Umfangsfläche auf diese Weise mit einer Mineralisolationsschicht bedeckt worden war, wurde unter Aufbringen der vorgenannten Zr/Al-Mischlösung auf eine Spule gewickelt. Diese Spule hatte einen Spulendurchmesser von 50 mm. Nach dem Wickeln wurde die Spule in einer Atmosphäre von 400ºC zwei Stunden lang einer Wärmebehandlung unterzogen.

Die so gebildete Spule wies eine Durchschlagspannung von 500 V auf.

Beispiel 3

Ein vernickelter Kupferdraht mit 1 mm Drahtdurchmesser wurde mit Perchlorethylen dampfentfettet. Konzentrierte 1,2-N-Salpetersäure wurde einer Lösung, die durch Mischen von 3 Mol-% von Tetraethylorthosilikat, 35 Mol-% Wasser nd 62 Mol-% Ethanol mit 3/100 Mol Tetraethylorthosilikat hergestellt wurde, beigegeben und diese Mischung wurde wurde bei 70ºC zwei Sunden lang erhitzt/gerührt, um eine Überzugslösung herzustellen. Diese Überzugslösung wurde auf die Oberfläche des dampfentfetteten vernickelten Kupferdrahts aufgebracht, der dann wärmebehandelt wurde, um einen mit einem Siliziumoxid beschichteten Draht herzustellen.

5 mmol n-Butoxy-Zirkonium, 15 mmol n-Butoxy-Aluminium, 45 mmol Ethanolamin und 100 ml Diethylenglykolmonomethylether wurden gemischt, um eine Lösung A herzustellen. Andererseits wurden 80 mmol n-Butylsilikat, 100 mmol Wasser, 1,6 mmol Sal-Petersäure und 100 ml Diethylenglykolmonomethylether gemischt, fünf Stunden lang bei 80ºC erhitzt/gerührt und dann bei Raumtemperatur zum Kühlen stehengelassen, um so die Lösung B herzustellen.

Die Lösung A lieb man allmählich in die Lösung B eintropfen. Während des Tropfens ist es erforderlich, die Lösung B mit Eis zu kühlen. Nach Beendigung des Tropfens wurde die Mischlösung 10 Stunden lang in einem Bad mit gleichbleibender Feuchtigkeit und gleichbleibender Temperatur von 30ºC Temperatur und 50% Feuchtigkeit bewegt, um so eine Überzugslösung herzustellen.

Diese Überzugslösung wurde auf die Oberfläche des vorgenannten, eine Mineralisolationsschicht aufweisenden Drahts aufgetragen, der auf eine Spule mit 30 mm Spulendurchmesser gewickelt wurde. Nach dem Wickeln wurde die Spule für vier Stunden in einer Atmosphäre von 200ºC einer Wärmebehandlung unterzogen, um teilweise in Keramik umgewandelt zu werden.

Die so geformte Wicklung wies eine Durchschlagspannung von 800 V auf.

Wie oben beschrieben, weist jegliche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wicklung eine hohe Durchschlagspannung auf, die nach dem Stand der Technik nicht erreicht werden kann.

Bei der vorgenannten Ausführungsform wird die Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials auf den Draht, der noch nicht auf die Spule gewickelt ist, aufgetragen. Bei einer Abänderung der vorliegenden Erfindung kann die Vorläuferlösung alternativ auf einen Draht, der auf einen Spule gewickelt ist, aufgetragen werden. In diesem Fall wird die Vorläuferlösung nach und nach auf die Oberflächen der Windungen des auf die Spule gewickelten Drahts aufgebracht.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschreiben und gezeigt wurde, muß klar verstanden werden, daß selbiges nur zur Erläuterung und als Beispiel geschehen ist und nicht als Einschränkung gesehen werden darf, wobei die vorliegende Erfindung nur durch die beiliegenden Patentansprüche begrenzt ist.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Herstellen einer isolierten Wicklung durch Aufwickeln eines Drahts (1), der durch Bedecken der äußeren Umfangsfläche eines Leiters mit einer Mineralisolationsschicht (6) gebildet wurde, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

- Aufbringen einer Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials auf die Oberfläche des Drahts (1), der mit der Mineralisolationsschicht (6) bedeckt ist, während eines Zwischenstadiums beim Aufwickeln desselben; und

- Trocknen der Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials, das auf die Oberfläche des Drahts (1) aufgebracht ist, nach dem Aufwickeln desselben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Trocknungsschritt einen Schritt des Umwandlens der Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials durch Wärmebehandlung in Keramik umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials aus Alkoxid wenigstens einer Art eines aus der Gruppe mit Si, Al, Zr, Ti und Mg ausgewählten Metalls hergestellt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorläuferlösung des isolierenden Oxidmaterials aus Carboxylat wenigstens einer Art eines aus der Gruppe mit Si, Al, Zr, Ti und Mg ausgewählten Metalls hergestellt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Mineralisolationsschicht (6) nicht mehr als die Hälfte des Leiterdurchmessers beträgt.







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