DE102005028047B4

DE102005028047B4 - Verfahren zum Vergießen von eine Wicklung aufweisenden elektrischen Bauteilen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005028047B4
Application number: DE102005028047.1A
Authority: DE
Inventors: Elke Bäuerle
Original assignee: GOTTLOB THUMM GmbH
Current assignee: GOTTLOB THUMM GmbH
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: DE102005028047A1; DE202005021796U1

Abstract

Verfahren zum Vergießen von eine Wicklung (21) aufweisenden elektrischen Bauteilen (20), bei dem das Bauteil (20) in eine Gießform (10) eingesetzt, die Wicklung (21) mit elektrischem Strom beaufschlagt und erwärmt wird und in der Gießform (10) ein zumindest teilweises Aushärten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießharz (10) bei Atmosphärendruck in der Gießform (11) eingefüllt wird und die Wicklung (21) gleichzeitig mit elektrischem Strom beaufschlagt und erwärmt wird, wobei sich das Bauteil (20) bereits in der Gießform (11) befindet, und dass die Stromwärme bezüglich des Gießvorganges zum Eindringen des Gießharzes in die Wicklung einerseits und zum Bewirken der Aushärtung in der Form andererseits automatisch in Abhängigkeit von der Erwärmung der Wicklung (21) gesteuert oder geregelt wird, wobei der elektrische Strom beim Gießvorgang zeitgesteuert in Abhängigkeit von dem Gießvorgang zugeführt wird und die Zeitsteuerung der Stromzuführung sich nach dem Fortschreiten des Gießvorganges richtet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vergießen von eine Wicklung aufweisenden elektrischen Bauteilen, wie Statoren, Rotoren, Transformatoren oder Spulen, bei dem das Bauteil in eine Gießform eingesetzt und mit Gießharz vergossen wird und in der Gießform ein zumindest teilweises Aushärten erfolgt, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind in der DE 101 41 985 A1 angegeben. In dieser Druckschrift ist ausgeführt, dass bei diesem bekannten Verfahren bzw. der Vorrichtung zur Herstellung von Elektromagneten mit Erregerspule zunächst die Gießform teilweise mit der heißen Füllmasse gefüllt und anschließend die Erregerspule in die Gießform gesetzt und in die Füllmasse gedrückt wird. Gegebenenfalls wird danach auf die Erregerspule nochmals Füllmasse gegeben, bis diese vollständig mit Füllmasse bedeckt ist. Um den Gasaustritt aus dem zwischen den Wicklungen der Erregerspule befindlichen Hohlräumen zu unterstützen, kann das Zugeben der Füllmasse in einer Edelgasatmosphäre erfolgen, wobei das Aushärten der Füllmasse im Vakuum erfolgt.
Nach Zugeben der Füllmasse bzw. beim Aushärten der Füllmasse und/oder der Vergussmasse kann der Austritt von Gasblasen aus derselben durch Anlegen von mechanischen Schwingungen unterstützt werden. Ebenfalls zusätzlich oder alternativ kann während dem Zugeben der Füllmasse an die Erregerspule ein Wechselstrom angelegt werden, wodurch der Austritt von Gasblasen aus der Füllmasse ebenfalls durch Schwingungen unterstützt wird. Zudem erwärmt sich die Erregerspule, wodurch das Aushärten der Füllmasse beeinflusst wird.
Bei einem weiteren Verfahren, wie es in der DE 33 23 154 A1 angegeben ist, wird ein in einer Gießform aushärtbares Gießharz in eine Gießform gegossen, in der sich das z. B. mit Strom vorgewärmte elektrische Bauteil mit der Wicklung befindet. Da es zur Isolation der einzelnen Windungen der Wicklung und gegebenenfalls auch zur Stabilisierung der Wicklung erforderlich ist, dass das Gießharz in die Zwischenräume der in der Regel viellagigen Wicklung eindringt, wird beim Vergießen in dem das Bauteil aufnehmenden Raum der Gießform zunächst ein Unterdruck erzeugt und ein Rühren durchgeführt und anschließend ein Überdruck ausgeübt, um Lufträume innerhalb der Wicklung zu verdrängen und das Gießharz eindringen zu lassen. Für den Gießvorgang unter Unterdruck bzw. mit Überdruck wird die Wicklungsheizung abgeschaltet. Ist der Gießvorgang abgeschlossen, wird das Bauteil mit der Vergussmasse unter Aufbringen von Stromwärme vernetzt und einem Trocknungsvorgang zum Aushärten unterzogen. Ein derartiger Fertigungsvorgang ist relativ aufwändig.
Auch bei Imprägnierverfahren, die eine andere Art zum Isolieren und Verfestigen von Wicklungen darstellen, wird, wie beispielsweise in der DE 196 31 474 C1 gezeigt, ein Vakuum erzeugt, um ein sicheres Eindringen des Imprägniermittels in die Zwischenräume der Wicklung zu erreichen. Anschließend wird das aus dem Imprägnierbehälter herausgenommene Bauteil abtropfen lassen und getrocknet. Bei dem Imprägnierverfahren wird zum Optimieren der Vorgänge der Wicklung zum Aufwärmen Strom zugeführt. Eine ähnliche Vorgehensweise beim Imprägnieren mit Tränkmitteln ist auch in der EP 0 939 962 B1 vorgeschlagen.
Weitere ähnliche Imprägnierverfahren sind in der US 2 561 982 A , der US 2 442 183 A und der US 3 904 785 A angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem die Fertigungsvorgänge beim Vergießen mit möglichst wenig Aufwand durchführbar sind, wobei das Eindringen des Gießharzes in die Wicklung zuverlässig gewährleistet ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass das Gießharz bei Atmosphärendruck in der Gießform eingefüllt wird und die Wicklung gleichzeitig mit elektrischem Strom beaufschlagt und erwärmt wird, wobei sich das Bauteil bereits in der Gießform befindet, und dass die Stromwärme bezüglich des Gießvorganges zum Eindringen des Gießharzes in die Wicklung einerseits und zum Bewirken der Aushärtung in der Form andererseits automatisch in Abhängigkeit von der Erwärmung der Wicklung gesteuert oder geregelt wird, wobei der elektrische Strom beim Gießvorgang zeitgesteuert in Abhängigkeit von dem Gießvorgang zugeführt wird und die Zeitsteuerung der Stromzuführung sich nach dem Fortschreiten des Gießvorgangs richtet.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Aufwärmung der Wicklung mit Strom unter Atmosphärendruck ohne Erzeugen eines Vakuums oder eines Überdrucks in der Gießform ein zuverlässiges Eindringen des Gießharzes in die Hohlräume der Wicklung bewirkt, so dass auf die Erzeugung eines Vakuums oder eines Überdrucks gänzlich verzichtet werden kann.
Durch das Anwärmen der Wicklung mit elektrischem Strom lässt sich die Anwärmung homogen in gewünschter Weise genau dosiert und mit hohem Wirkungsgrad erreichen. Zusätzlich ist noch eine elektrische Erwärmung transformatorisch oder über Induktion möglich.
Der Gießvorgang kann ferner dadurch optimiert werden, dass während des Gießvorganges das Bauteil und/oder die Gießform gerüttelt oder rotiert wird/werden, wodurch auch bei engen Hohlräumen die Luft sicher verdrängt wird und das Gießharz eindringt.
Der Fertigungsprozess wird ferner dadurch begünstigt, dass das Bauteil nach dem Gießvorgang in der Gießform durch Beaufschlagen mit Strom ausgehärtet wird, wobei die Stromwärme zu einem gleichmäßigen, optimierten Aushärtungsprozess beiträgt.
Das Verfahren wird ferner dadurch verbessert, dass die Stromwärme bezüglich des Gießvorganges einerseits und der Aushärtung in der Form andererseits angepasst wird.
Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen zum Erzeugen der elektrischen Stromwärme bestehen darin, dass die Beaufschlagung der Wicklung mit elektrischem Strom durch Anlegen einer Stromquelle an die Wicklung erfolgt oder transformatorisch mittels einer in der oder um die Wandung der Gießform angeordneten Spule, der von einer Stromeinkoppeleinrichtung Wechselstrom zugeführt wird.
Zum Erreichen günstiger Aufwärmbedingungen sind die Maßnahmen vorteilhaft, dass die Frequenz des der Wicklung zugeführten Stroms oder des der Spule zugeführten Stroms über der Netzfrequenz liegt, insbesondere wenn vorgesehen ist, dass die Frequenz zwischen einem und 100 kHz liegt und/oder dass die Wellenform des Stroms sinusförmig, rechteckförmig, dreieckförmig oder eine Mischform daraus ist.
Bei der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist vorteilhaft vorgesehen, dass die elektrische Stromquelle in Abhängigkeit von Eigenschaften des Bauteils einstellbar und in Abhängigkeit von Parametern des Gießvorganges steuerbar oder regelbar ist und dass eine Rüttelvorrichtung oder Rotiervorrichtung zum Rütteln oder Rotieren der Gießform vorgesehen ist, die während des Gießvorganges ansteuerbar ist. Für eine gezielte Erwärmung und Steuerung des Gießprozesses ist dabei von Vorteil, dass in der oder um die Wandung der Gießform eine Spule angeordnet ist, die an eine Stromeinkoppeleinrichtung angeschlossen ist, und dass die Stromquelle und/oder die Stromeinkoppeleinrichtung zur Abgabe von Wechselstrom mit einer Frequenz oberhalb der Netzfrequenz ausgebildet ist. Die Stromeinkoppeleinrichtung kann alternativ oder zusätzlich zur Stromquelle vorgesehen sein. Für eine automatische Anpassung oder auch eine manuelle Anpassung an den Gießprozess sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass die Frequenz und/oder die Stärke des Wechselstroms in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Bauteils und/oder den Parametern des Gießvorganges wählbar ist. Weitere Anpassungsmöglichkeiten an den Gießprozess auch in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Bauteils, beispielsweise in Verbindung mit Blechpaketen oder ferromagnetischen Tragteilen des Bauteils, ergeben sich dadurch, dass mittels der Stromquelle und/oder der Stromeinkoppeleinrichtung die Wellenform des Stroms einstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Vergießen von elektrischen Bauteilen mit Wicklung und
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem gegenüber der Vorrichtung nach 1 an der Gießform zusätzlich eine Spule angeordnet ist.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung zum Vergießen von mindestens eine Wicklung aufweisenden elektrischen Bauteilen 20, wie z. B. Statoren, Rotoren, Transformatoren oder Spulen mit oder ohne Eisenkern. Das Bauteil 20 ist in einer von einer Umwandung 10.1 und einem Boden 10.3 umgebenen Gießform 10 aufgenommen, in der beispielsweise ein Mittelteil 10.2, etwa ein Gießkern, eingesetzt ist, um einen mittleren Hohlraum des vergossenen Bauteils 20 herzustellen. Zum Vergießen wird in die Gießform 10 Gießharz 11 eingefüllt.
An die Wicklung 21 ist über ein Anschlusskabel 31 eine Stromquelle 30 angeschlossen, über die der Wicklung direkt elektrischer Strom zugeführt werden kann. Die Stromquelle 30 ist zum genau dosierten und auch in Abhängigkeit des Gießvorganges zeitsteuerbaren Zuführen von elektrischem Strom ausgebildet. Dabei ist die Stromquelle in der Weise ausgebildet, dass zum Dosieren z. B. die Amplitude und/oder Frequenz des Stroms geändert und geeignet gewählt werden, wobei sich, je nach Art des elektrischen Bauteils – z. B. mit oder ohne Eisenkern – die Frequenz im Bereich zwischen 0 und 100 kHz einstellen lässt. Hierbei kann auch ein von einem Wechselstrom überlagerter Gleichstrom eingestellt werden, soweit dies von der Art des Bauteils her vorteilhaft ist, so dass eine gleichmäßige Erwärmung des Wickelkörpers auch in der Umgebung eines Eisenkerns sicher erreicht wird. Ferner kann z. B. eine Steuerung oder Regelung des Stroms in Abhängigkeit von der Erwärmung der Wicklung automatisch vorgenommen werden, etwa durch Steuerung der Pulsweite oder Variieren des Gleichanteils. Auch die Wellenform des Stroms, wie Sinusform, Rechteckform oder Dreiecksform oder eine Mischform daraus kann geeignet in Abhängigkeit von dem Bauteil und dem Gießprozess gewählt werden. Die Zeitsteuerung der Stromzuführung richtet sich nach dem Beginn und Fortschreiten des Gießvorganges, so dass stets eine für das Eindringen des Gießharzes optimale Temperatur der Wicklung sichergestellt wird, wobei Lufteinschlüsse verdrängt werden. Außer dem direkten Anschluss der Stromquelle 30 an die Wicklung 21 kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass Strom in der Wicklung und/oder dem gegebenenfalls vorhandenen Eisenkern transformatorisch bzw. über Induktion erzeugt wird.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Vergießen eines mit einer oder mehreren Wicklungen versehenen Bauteils ist in, oder wie beispielhaft gezeigt, auf der Wandung 10.1 der Gießform 10 eine von dem Bauteil 20 separate Spule 51 angeordnet, der eine Stromkoppeleinrichtung 52 mit einem Eingangsteil 52.1 und einem an die Spule 51 angeschlossenen Ausgangsteil 52.2 zugeordnet ist. Mittels der so gebildeten weiteren elektrischen Aufwärmvorrichtung 50 kann bei geeigneter Orientierung der Spulenwicklung relativ zu der Wicklung 21 des Bauteils 20 und geeigneter Ausbildung der Wandung 10.1 transformatorisch Strom in der Wicklung 21 erzeugt werden, ohne dass diese an eine eigene Stromquelle angeschlossen ist. Ist die Wicklung 21 auf einem Eisenkern aufgebracht und weist das Bauteil 20 gegebenenfalls noch weitere Tragelemente insbesondere aus ferromagnetischem Metall auf, so kann mittels der Spule 51 auch in diesen Teilen durch Induktion eine Aufwärmung erzielt werden.
Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass mittels der Spule 51 durch deren Anordnung sowie Wahl der Frequenz und/oder Wellenform hauptsächlich die Temperatur des Eisenkerns bzw. der Tragteile der Wicklung 21 gesteuert wird, während die Temperatur der Wicklung 21 durch Zuführung von Strom mittels der ihr zugeordneten Stromquelle 30 gesteuert oder geregelt wird. Hierdurch lassen sich je nach Materialeigenschaften und Anteilen von Tragteilen bezüglich der Wicklung 21 relativ genaue Temperaturabstimmungen bewirken, wobei zum einen die Stromeinkoppeleinrichtung 52 in der Frequenz und/oder Wellenform des an die Spule 51 abgegebenen Stroms und andererseits die Stromquelle 30 in der Frequenz und/oder Wellenform des von ihr der Wicklung 21 zugeführten Stroms steuerbar oder regelbar ist.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit der weiteren elektrischen Aufwärmvorrichtung 50 das Ausgießen der Wicklung 21 insbesondere bei ungünstigen Gießbedingungen mit im Vergleich zu einem Aufbringen von Unterdruck oder Überdruck mit geringerem Aufwand optimieren lässt. Die Frequenz des Stroms für die Spule 51 ist vorteilhaft deutlich oberhalb der Netzfrequenz, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 100 kHz, etwa zwischen 1 und 50 kHz zu wählen. Als Wellenformen eignen sich auch hierbei eine Sinus-, Rechteckt- oder Dreieckform oder Mischformen daraus. Die Wellenform kann auch hierbei entsprechend den Eigenschaften des Bauteils, d. h. dem Material und dem Volumen des Eisenkerns bzw. der Tragteile gewählt werden, wobei auch die relative Größe der Wicklung 21 zu berücksichtigen ist. Auch die Stromstärke bzw. Amplitude des der Spule 51 zugeführten Stroms kann wie im Zusammenhang mit der Stromquelle 30 beschrieben, geeignet automatisch oder manuell gewählt werden.
Die Stromquelle 30 und die Stromeinkoppeleinrichtung 52 sind beispielsweise an eine gemeinsame Steuerungseinrichtung angeschlossen, um die von ihnen abgegebenen Ströme hinsichtlich der genannten Parameter aufeinander abzustimmen.
Das Einfüllen des Gießharzes 11 in Kombination mit der elektrischen Erwärmung der Wicklung 21 kann in Abhängigkeit des zu vergießenden Bauteils und weiterer Prozessbedingungen mehr oder weniger schnell geschehen und gesteuert oder geregelt werden, um sicherzustellen, dass Lufteinschlüsse in der Wicklung verdrängt und die Hohlräume zuverlässig mit dem Gießharz 11 ausgefüllt werden. Um das Eindringen des Gießharzes 11 insbesondere in die viellagigen, dichten Wicklungen zu unterstützen, ist eine Rüttelvorrichtung 40 vorhanden mit einer Trageinheit 41, auf der die Gießform 10 aufgenommen ist. Die Trageinheit wird mittels eines Rüttelantriebs 42 über z. B. mit einem Exzentermechanismus versehene Koppelmittel 43 in Rüttelbewegung versetzt. Ähnlich könnte auch vorgesehen sein, dass das Bauteil 20 in der Gießform 10 mittels einer anderen Rüttelvorrichtung während des Gießvorganges bewegt wird. Anstelle einer Rüttelvorrichtung kann eine Rotiervorrichtung vorgesehen sein, um z. B. die Gießform 10 rotierend anzutreiben.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch die Stromwärme die Viskosität des Gießharzes 11 im Bereich der Wicklung verringern und während des Gießvorganges optimieren lässt, wobei gleichzeitig Lufteinschlüsse in der Wicklung aktiviert und verdrängt werden, so dass das Gießharz 11 in die Hohlräume der gleichmäßig erwärmten Wicklung 21 beim Gießvorgang zuverlässig eindringt, wie nähere Untersuchungen der vergossenen Wickelkörper gezeigt haben. Dadurch ist die erforderliche Isolation und Stabilität sichergestellt, ohne dass eine teuere Vakuumeinrichtung oder teuere Pressform bzw. Presseinrichtung erforderlich ist. Dadurch wird nicht nur der Aufwand der Gießvorrichtung sondern auch die Prozesszeit wesentlich verringert.
Ferner trägt zu einer Verkürzung der Prozesszeiten bei, dass auch während des Aushärtevorganges eine Erwärmung mittels Stromwärme über die Stromquelle 30 bzw. eine induktive elektrische Koppeleinrichtung vorgenommen wird. Für den Aushärteprozess kann die Erwärmung der Wicklung 21 bzw. des gesamten Bauteils 20 mittels der Stromquelle 30 in für die Aushärtung optimierter Weise gesteuert oder geregelt werden, wobei die Temperatur der Wicklung 21 für die Aushärtung unterschiedlich gegenüber der Temperatur beim Gießvorgang gewählt werden kann.

Claims

Verfahren zum Vergießen von eine Wicklung (21) aufweisenden elektrischen Bauteilen (20), bei dem das Bauteil (20) in eine Gießform (10) eingesetzt, die Wicklung (21) mit elektrischem Strom beaufschlagt und erwärmt wird und in der Gießform (10) ein zumindest teilweises Aushärten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießharz (10) bei Atmosphärendruck in der Gießform (11) eingefüllt wird und die Wicklung (21) gleichzeitig mit elektrischem Strom beaufschlagt und erwärmt wird, wobei sich das Bauteil (20) bereits in der Gießform (11) befindet, und dass die Stromwärme bezüglich des Gießvorganges zum Eindringen des Gießharzes in die Wicklung einerseits und zum Bewirken der Aushärtung in der Form andererseits automatisch in Abhängigkeit von der Erwärmung der Wicklung (21) gesteuert oder geregelt wird, wobei der elektrische Strom beim Gießvorgang zeitgesteuert in Abhängigkeit von dem Gießvorgang zugeführt wird und die Zeitsteuerung der Stromzuführung sich nach dem Fortschreiten des Gießvorganges richtet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Gießvorganges das Bauteil (20) und/oder die Gießform (11) gerüttelt oder rotiert wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) nach dem Gießvorgang in der Gießform (10) durch Beaufschlagen mit Strom ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Wicklung (21) mit elektrischem Strom durch Anlegen einer Stromquelle (30) an die Wicklung (21) erfolgt und/oder transformatorisch mittels einer in der oder um die Wandung (10.1) der Gießform (10) angeordneten Spule (51), der von einer Stromeinkoppeleinrichtung (52) Wechselstrom zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des der Wicklung (21) zugeführten Stroms und/oder des der Spule (51) zugeführten Stroms über der Netzfrequenz liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz liegt und/oder dass eine Wellenform des Stroms sinusförmig, rechteckförmig, dreieckförmig oder eine Mischform daraus ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Gießform (10) zum Aufnehmen von Gießharz (11) und eines mit einer Wicklung (21) versehenen Bauteils (20) und mit einer elektrischen Stromquelle (30), über die der Wicklung (21) direkt elektrischer Strom zugeführt werden kann, wobei eine Rüttelvorrichtung (40) oder Rotiervorrichtung zum Rütteln oder Rotieren der Gießform (11) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rüttelvorrichtung (40) oder Rotiervorrichtung während des Gießvorganges steuerbar ist, dass die elektrische Stromquelle (30) in Abhängigkeit von Eigenschaften des Bauteils (20) einstellbar und in Abhängigkeit von Parametern des Gießvorganges einerseits und der Aushärtung des Gießharzes (11) andererseits steuerbar oder regelbar ist, wobei die Stromquelle (30) in der Weise ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit von der Erwärmung der Wicklung (21) automatisch steuerbar oder regelbar ist und die Frequenz und/oder die Stärke des Wechselstroms in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Bauteils (20) und/oder den Parametern des Gießvorganges wählbar ist, dass in der oder um die Wandung der Gießform (10) eine Spule (51) angeordnet ist, die an eine Stromeinkoppeleinrichtung (52) angeschlossen ist, dass die Stromquelle (30) und/oder die Stromeinkoppeleinrichtung (52) zur Abgabe von Wechselstrom mit einer Frequenz oberhalb der Netzfrequenz ausgebildet ist, dass mittels der Stromquelle (30) und/oder der Stromeinkoppeleinrichtung (52) auch eine Wellenform des Stroms einstellbar ist und dass mittels der Spule (51) die Wicklung (21) transformatorisch mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist.