Kupferlackdraht

© Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

Transformator von 1969. Spule aus CuL.

Kupferlackdraht (CuL) ist ein Kupferdraht, 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. Dieser Draht wird daher bevorzugt zum Bau von elektrischen Spulen, Transformatoren und Maschinen verwendet. Weitere Anwendungen sind lötbare Schaltdrähte sowie die Herstellung von Hochfrequenzlitzen.

Allgemeines

Eine Rolle mit Kupferlackdraht (Drahtdurchmesser 0,18 mm)

Durch die Verwendung 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.

Die Klassifizierung der Lackdrähte erfolgt durch die von der International Electrotechnical Commission (IEC) erstellten Standards 60317 und 60851.^[1] Drähte werden nach Temperaturindex (Dauergebrauchstemperatur), Durchschlagspannung, Wärmeschockverhalten und den Materialien der Isolierung eingeteilt. Parallel werden Kupferlackdrähte durch UL nach der Norm UL 1446 („Systems of Insulating Materials - General“) geprüft und zertifiziert (UL-Kategorie OBMW2). Hier werden die Drahttypen durch „MW“ gefolgt von einer Zahl, gefolgt von „-C“ gekennzeichnet. Lackdrähte aus Aluminium werden mit Endung „-A“ gekennzeichnet. Die UL 1446 ist teilweise mit den Unternormen der IEC 60317 identisch. Beispiele: MW 79-C entspricht IEC 60317-20, MW 82-C entspricht IEC 60317-51 und MW 35-C entspricht IEC 60317-13.

Drahtlacke sind Lösungen von Polymeren in meist kresolischen Lösemittelgemischen. Alle Drahtlacke werden auf speziellen Drahtlackiermaschinen lackiert und bei 300–600 °C eingebrannt. Um glatte, konzentrische und porenfreie Filme zu erhalten, werden Lackdrähte üblicherweise zwischen 6 und 20 mal lackiert und eingebrannt. Als Faustregel gilt, dass der Lackfilm ca. 10 % des Gewichtes des Kupferlackdrahtes ausmacht. Der dadurch steigende Durchmesser wird als Zunahme bezeichnet. Dabei werden die Lösemittel verdampft und katalytisch verbrannt. Die Wärme wird zum Beheizen der Anlage benutzt. Die Polymere vernetzen und es bilden sich unlösliche Filme. Beim Löten von – auch bereits mit einer Klinge oder Schmirgelpapier abisoliertem – Kupferlackdraht können geringe Mengen hochgiftiges Toluol-2,4-diisocyanat freigesetzt werden. Daher ist bei regelmäßigen Arbeiten mit Kupferlackdraht eine Absauganlage erforderlich, bei gelegentlichen Arbeiten sollte der Arbeitsbereich gut belüftet sein.

Polyurethanlackdrähte (UL-Typen MW 75-C, MW 79-C, MW 82-C und MW 85-C) sind lötbar, das heißt, sie können ohne vorherige Entfernung des Lackes gelötet werden. Der Lötvorgang erfordert Temperaturen > 340 °C; dabei zersetzt sich der Polyurethanfilm augenblicklich aufgrund der geringen thermischen Beständigkeit der Urethangruppe. Es entstehen gesundheitsschädliche Gase.

Lackierte Einzeldrähte verbunden zu einem Drillleiter mit Papierisolation für den Gesamtleiter

Für Wickeldrähte in Spulen, Transformatoren, Relais und Motoren haben sich Beschichtungen mit Polyesterimiden als Filmbildner durchgesetzt. Je nach Zusammensetzung und Auswahl der Rohstoffe werden Filme mit unterschiedlichen thermischen, mechanischen und dielektrischen Eigenschaften erhalten. Polyesterimide werden aus Ethylenglycol, THEIC^[2], Dimethylterephthalat, Trimellitsäureanhydrid, Diaminodiphenylmethan in einer Polykondensationsreaktion hergestellt. Handelsübliche Polyesterimide haben ein Hydroxidmassenverhältnis zwischen 100 und 300 mg/g und eine molare Masse die unter 5000 g·mol⁻¹ liegt. Sie werden als ca. 40%ige Lösungen in einem Lösungsmittelgemisch geliefert. Polyesterimide sind in Europa die am häufigsten eingesetzten Drahtlacke. Polyesterimid-Lackdrähte sind nur teilweise, wenn dann jedoch erst ab 450 °C lötbar.^[3]

Bei Spulen mit hohen Lagenspannungen und/oder bei hohen Frequenzen wie zum Beispiel bei Übertragern in Schaltnetzteilen, ist es üblich, die mit Lackdraht gefertigten Wicklungen zusätzlich noch in Tränklack im Vakuum zu tränken und zu trocknen, um Vorentladungen in Luftzwischenräumen zu vermeiden und somit die Spannungsfestigkeit im Dauerbetrieb zu erhöhen.

Backlackdraht

Für sich selbsttragende Spulen, die ohne Spulenkörper gefertigt werden, wird Backlackdraht verwendet.^[4] Dessen Lackierung besteht aus einer temperaturfesten Grundisolation und einer durch Erhitzen verklebenden, oft auch dabei polymerisierenden Deckschicht, welche die einzelnen Windungen untereinander verklebt und so der Spule mechanische Festigkeit und Stabilität verleiht. Deswegen können sie speziell zur Fertigung von Flach- und Zylinderspulen eingesetzt werden.^[5]

Bei unsorgfältiger Verarbeitung, elektrischem Durchschlag oder aufgrund andauernder Vorentladungen in Luftzwischenräumen kann die Lackisolierung jedoch beschädigt werden, es entsteht zu benachbarten Drahtlagen ein Windungsschluss. Durch den in der entstandenen Kurzschlusswindung induzierten Strom wird der isolierende Lack durch die Hitze noch weiter zerstört, sodass sich die Windungsschlüsse ausbreiten und die blanken Drähte schließlich einen Kurzschluss bilden.

Kupferlackhohldraht

Kupferlackhohldraht weist in der Mitte einen durchgängigen Hohlraum auf und zählt zu den Hohldrähten. Im Betrieb wird über eine zusätzlich nötige Kühlmittelversorgung kontinuierlich Kühlmittel durch den Hohldraht gepumpt und damit die Wärme abgeführt. Damit kann der Kupferlackhohldraht mit einer höheren Stromdichte als ohne Kühlung betrieben werden und erlaubt so bei gleicher Leistung kompaktere, kleinere und leichtere Wickelgüter.^[6] Der Kupferlackhohldraht unterscheidet sich von Hohlleitern aus dem Bereich der Generatortechnik durch seine endlose Fertigung, und seine Abmessungen sind in der Größenordnung von wenigen Millimetern und damit deutlich kleiner. Damit ist die Wickelbarkeit mit herkömmlichen Wickelmaschinen gegeben.

Literaturverzeichnis

• Franz Zach: Leistungselektronik – Ein Handbuch. 5. Auflage, Springer Verlag, Wiesbaden, 2015 ISBN 978-3-658-04898-3.

Einzelnachweise

1. ↑ Thermische Produktmerkmale nach IEC 60317 (PDF; 71 kB).
2. ↑ THEIC(Tris-2-Hydroxyethyl Isocyanurate)-modifizierte Polyimide als Lackdrahtisolation (Memento des Originals vom 11. Mai 2011 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www2.dupont.com.
3. ↑ ab 450 °C lötbarer Polyesterimid-Lackdraht (Memento des Originals vom 31. Mai 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.pack-feindraehte.de.
4. ↑ Backlackdraht (Memento vom 18. Dezember 2015 im Internet Archive).
5. ↑ Franz Zach: Leistungselektronik - Ein Handbuch. 5. Auflage. Springer Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-04898-3, S. 1832. 
6. ↑ Edmund Nitsche, Michael Naderer: Innengekühlte Hohldrähte Verdopplung der Leistungsdichte von E-Motoren. In: ATZelektronik. Band 12, Nr. 3, 1. Juni 2017, ISSN 1862-1791, S. 44–49, doi:10.1007/s35658-017-0035-0 (springer.com [abgerufen am 28. Juni 2017]).