DE102012218456A1

DE102012218456A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verguss von Spulen

Info

Publication number: DE102012218456A1
Application number: DE102012218456.2A
Authority: DE
Inventors: Jörn Grundmann; Peter Kummeth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-04-10
Also published as: JP2015534732A; CN104781892B; US20150279558A1; RU2641669C2; RU2015116177A; CA2887458A1; CN104781892A; JP6096306B2; EP2885798A1; KR20150065712A; WO2014056770A1; EP2885798B1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Verguss von Spulen, insbesondere supraleitenden Spulen, und ein Betriebsverfahren für diese Vorrichtung angegeben. Die Vorrichtung umfasst einen äußeren Vergussbehälter (11), einen Vergussraum (5) zur Aufnahme mindestens einer zu vergießenden Spule (9) und eine Vorrichtung (10) zum Befüllen mit Vergussmasse. Erfindungsgemäß ist der äußere Vergussbehälter (11) mit einem inneren Vergussbehälter (11) ausgekleidet, dessen Material eine Vickershärte unterhalb von 500 aufweist und dessen Material einen Schmelzpunkt zwischen 45 Grad Celsius und 200 Grad Celsius aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird die Formgebung des inneren Vergussbehälters (11) durch mechanische oder thermische Bearbeitung erreicht, mindestens eine zu vergießende Spule (9) wird in dem Vergussraum (5) positioniert, eine Vergussmasse wird in den verbleibenden Hohlraum im Vergussraum (5) eingefüllt, die Vergussmasse wird gehärtet, und die vergossene Spule (9) wird aus der Vorrichtung herausgelöst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verguss elektrischer Spulen, insbesondere supraleitender Spulen, und ein Betriebsverfahren für diese Vorrichtung.
Für die Anwendung in elektrischen Maschinen, insbesondere in Motoren und Generatoren, werden elektrische Spulen hergestellt, die einen oder mehrere gewickelte Spulenleiter umfassen und mit einer Vergussmasse vergossen werden. Insbesondere werden supraleitende Spulen typischerweise aus mehreren Lagen gewickelter Spulenleiter aus supraleitendem Material hergestellt, die in eine gehärtete Vergussmasse auf Basis von Epoxid/Amin oder Epoxid/Säureanhydrid eingebettet werden.
Für den Einsatz in Kraftwerksgeneratoren werden Spulen benötigt, die hohen Drehzahlen im Bereich von 3600 Umdrehungen pro Minute standhalten und große seitliche Abmessungen im Bereich von 1 m mal 4 m aufweisen. Aufgrund der hohen auftretenden Zentrifugalkräfte müssen die Spulen mechanisch sehr stabil sein. Außerdem müssen die Spulen sehr passgenau sein und sehr maßhaltige Außenkonturen besitzen, wobei die erforderlichen Toleranzen im Bereich von 100 µm liegen. Mit bisher bekannten Vergussverfahren können diese Toleranzwerte nur durch nachträgliche Bearbeitung der vergossenen Spule erzielt werden. Allerdings eignet sich eine solche Nachbearbeitung nicht für die Herstellung einer supraleitenden Spule, da die supraleitenden Materialien, insbesondere die keramischen Hochtemperatursupraleiter, sehr empfindlich gegenüber mechanischer Belastung sind. Eine weitere Schwierigkeit ist die Herauslösung der vergossenen Spule aus der Vergussform, da mit den bekannten Vergussverfahren ebenfalls eine mechanische Belastung der Spule auftritt, die leicht zur Schädigung der supraleitenden Materialien führen kann. In Anbetracht der hohen Kosten der supraleitenden Spulen ist eine solche mechanische Schädigung unbedingt zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Verguss von Spulen, insbesondere supraleitenden Spulen, zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Betriebsverfahren für die Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung und das in Anspruch 9 beschriebene Verfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verguss von Spulen umfasst einen äußeren Vergussbehälter, einen Vergussraum zur Aufnahme mindestens einer zu vergießenden Spule und eine Vorrichtung zum Befüllen mit Vergussmasse. Der äußere Vergussbehälter ist mit einem inneren Vergussbehälter ausgekleidet, dessen Material eine Vickershärte unterhalb von 500 aufweist und dessen Material einen Schmelzpunkt zwischen 45 Grad Celsius und 200 Grad Celsius aufweist.
Der äußere Vergussbehälter dieser Vorrichtung kann einfacher und kostengünstiger als bei bisherigen Vorrichtungen hergestellt werden, da die Qualität und Genauigkeit der Oberfläche der vergossenen Spule nur durch die Beschaffenheit des inneren Vergussbehälters definiert wird. Die Herstellung des inneren Vergussbehälters kann beispielsweise kostengünstig durch ein Befüllen mit dem geschmolzenen Material des inneren Vergussbehälters und anschließendes Aushöhlen erfolgen. Vorteilhaft liegt die Vickershärte des Materials des inneren Vergussbehälters unter 200, besonders vorteilhaft unter 50. Der Schmelzpunkt des Materials des inneren Vergussbehälters liegt vorteilhaft unter 120 Grad Celsius.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Formgebung des inneren Vergussbehälters durch mechanische oder thermische Bearbeitung erreicht. Weiterhin wird mindestens eine zu vergießende Spule in dem Vergussraum positioniert, eine Vergussmasse wird in den verbleibenden Hohlraum im Vergussraum eingefüllt und die Vergussmasse wird gehärtet. Schließlich wird die vergossene Spule aus der Vorrichtung herausgelöst. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ermöglicht vorteilhaft die Herstellung von Spulen, insbesondere supraleitenden Spulen, mit genaueren Fertigungstoleranzen als mit bekannten Verfahren. Dies wird durch die einfache Bearbeitung des Materials des inneren Vergussbehälters erreicht, so dass eine nachträgliche Bearbeitung der vergossenen Spule vermieden werden kann. Durch die geringe Härte des Materials des inneren Vergussbehälters kann er in einfacher Weise beispielsweise durch Schaben oder Fräsen mit einer Fräsmaschine bearbeitet werden. Kleine Änderungen in den Maßanforderungen der vergossenen Spule können vorteilhaft durch Änderungen in der Bearbeitung des inneren Vergussbehälters umgesetzt werden, ohne dass eine Änderung des äußeren Vergussbehälters nötig wird. Weiterhin wird die mechanische Beanspruchung beim Herauslösen der vergossenen Spule gegenüber bekannten Vergussverfahren deutlich reduziert, da ein weiches und leicht schmelzbares Material für den inneren Vergussbehälter verwendet wird. Dadurch wird die Herstellung von Spulen mit Abmessungen von mehreren Metern mit genauen Toleranzen und hoher Prozessausbeute ermöglicht. Bei der Form der vergossenen Spule sind keine Kompromisse im Hinblick auf ein erleichtertes mechanisches Ablösen nötig, beispielsweise die Verwendung von in der späteren Anwendung für die Spule nicht erwünschten geneigten Wänden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann die Vorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:

– So kann das Material des inneren Vergussbehälters ein festes Gemisch aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen sein. Insbesondere kann das Material ein Paraffin oder ein Mikrowachs sein. Die Verwendung dieser Materialien erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung des inneren Vergussbehälters. Außerdem sind Paraffine und Mikrowachse umweltneutral und können mehrfach wiederverwendet werden. Durch die wasserabweisenden und isolierenden Eigenschaften von Paraffinen und Mikrowachsen wirken sich eventuell vorhandene Rückstände auf der Oberfläche der vergossenen Spule nicht nachteilig aus.
– Die Vergussform kann einen Deckel umfassen. So kann die Vergussform nach Platzieren der Spule im Vergussraum mit Hilfe des Deckels verschlossen werden. Der Deckel ist über eine Dichtung mit dem äußeren Vergussbehälter verbindbar.
– Der Deckel kann mit einer Trennschicht beschichtet sein, insbesondere mit dem Material PTFE. Dies erleichtert das Loslösen des Deckels von der vergossenen Spule und das Öffnen des Deckels nach dem Verguss.
– Die Vorrichtung kann mit einer Heizvorrichtung, einem Temperaturfühler und einer Regeleinrichtung ausgestattet sein, die die Temperatur anhand von Messwerten des Temperaturfühlers regelt.
– Die Vorrichtung kann mit einer Einrichtung zum Evakuieren und/oder Belüften des Vergussraums ausgestattet sein. Dies erlaubt die Durchführung des Vergusses und das Härten des Vergussmaterials unter Vakuum sowie ein Belüften des Vergussraums vor dem Öffnen des Deckels.
– Die Vorrichtung kann mit einer Ablaufvorrichtung zum Ablassen des Materials des inneren Vergussbehälters ausgestattet sein.
– Der Vergussraum der Vorrichtung kann die Form einer Schlaufe aufweisen, das heißt eine zweifach zusammenhängende Topologie besitzen, so dass der Vergussraum zur Aufnahme einer oder mehrerer Spulen besonders geeignet ist. In diesem Fall umfassen der innere Vergussbehälter und der äußere Vergussbehälter jeweils eine innere und eine äußere Wand.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens gehen aus den von Anspruch 9 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:

– Nach Härten der Vergussmasse kann der innere Vergussbehälter zum Herauslösen der vergossenen Spule durch Aufheizen auf eine Temperatur zwischen 45 Grad Celsius und 225 Grad Celsius verflüssigt oder erweicht werden. Dies erlaubt ein besonders schonendes Herauslösen der vergossenen Spule aus der Vorrichtung, so dass eine mechanische Belastung der Spule beim Herauslösen weitgehend vermieden wird.
– In diesem Fall kann die verflüssigte oder erweichte Vergussmasse durch die Ablaufvorrichtung abgelassen werden.
– Der äußere Vergussbehälter kann mehrfach mit dem Material des inneren Vergussbehälters ausgekleidet werden und mit jedem so hergestellten inneren Vergussbehälter für die Durchführung eines Vergusses verwendet werden. Diese prinzipiell beliebig häufige Wiederverwendung des äußeren Vergussbehälters erlaubt eine besonders kostengünstige Durchführung des Verfahrens, da die Kosten für den äußeren Vergussbehälter typischerweise erheblich höher liegen werden als die Kosten für den inneren Vergussbehälter.
– Die zu vergießende Spule kann im Vergussraum der Vorrichtung auf mindestens einem Abstandshalter positioniert werden. Dies erlaubt eine weitgehende Umhüllung der Spule mit dem Vergussmaterial, so dass die gewickelten Spulenleiter weitgehend gegen äußere mechanische, chemische und elektrische Einflüsse geschützt werden.
– Es können mehrere einzelne Spulen im Vergussraum der Vorrichtung positioniert werden und gemeinsam zu einem Spulenkörper vergossen werden. Dabei kann mindestens ein Abstandshalter zwischen den Spulen positioniert werden.
– Der Vergussraum der Vorrichtung kann vor oder nach dem Einfüllen der Vergussmasse evakuiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Vergussform zum Verguss supraleitender Spulen in schematischer Aufsicht zeigt
und
2 einen Querschnitt gemäß Schnittebene II in 1 zeigt, der den Aufbau der Vergussform detaillierter verdeutlicht.
1 zeigt exemplarisch die Aufsicht einer Vergussform 1 zum Verguss einer supraleitenden Rechteckspule. In dieser Ansicht sind der Übersicht halber nur die augenfälligsten Bestandteile gezeigt, nämlich der äußere Vergussbehälter 3 und der Vergussraum 5, der in seiner Form an die zu vergießende Rennbahnspule angepasst ist. In diesem Beispiel hat der äußere Vergussbehälter 3 eine äußere Wand 7 und eine innere Wand 8, so dass sich in der Mitte ein freier Hohlraum ergibt. Es sind auch andere Beispiele für Vergussformen denkbar, in denen keine innere Wand existiert und der Vergussraum 5 aus einem einfach zusammenhängenden Volumen besteht. Alternativ zu der gezeigten Form eines abgerundeten Rechtecks können die Formen des Vergussraums beispielsweise auch ringförmig oder oval sein. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der äußere Vergussbehälter 3 aus Aluminium, das sich als massives, formstabiles Material für die Herstellung solcher Formen eignet.
2 zeigt einen Querschnitt eines Teils der Vergussform 1 gemäß Schnittebene II in 1, in dem der Aufbau der Vergussform 1 detaillierter zu erkennen ist und in dem der Vergussraum 5 mit einer Anordnung von Spulen 9 befüllt ist. Wie in diesem Querschnitt zu sehen, umfasst die Vergussform 1 einen äußeren Vergussbehälter 13 und einen Deckel 15, die über eine Dichtung 17 miteinander verbindbar sind. Insbesondere verhindert die Dichtung 17 das Ein- und Ausdringen von Gasen und das Austreten von Harz beim Verguss. In diesem Beispiel ist die Dichtung 17 ein O-Ring aus Kautschuk. Der äußere Vergussbehälter 3 ist mit einem inneren Vergussbehälter 11 ausgekleidet, dessen Material in diesem Ausführungsbeispiel ein Hartparaffin mit einem Schmelzpunkt von 55 Grad Celsius ist. Der innere Vergussbehälter 11 kann beispielsweise durch vollständiges Befüllen des äußeren Vergussbehälters 3 mit geschmolzenem Hartparaffin und anschließendes Aushöhlen des Innenraums hergestellt werden. Die mittlere Schichtdicke des inneren Vergussbehälters 11 ist in diesem Beispiel 2 mm, wobei die Einhaltung der genauen Fertigungstoleranzen, die im Bereich von 100 µm liegen, durch lokale Abweichungen von der mittleren Schichtdicke erzielt wird. Die Nachbearbeitung des inneren Vergussbehälters 11 zur Erreichung der geforderten Geometrie und Oberflächenqualität kann beispielsweise mit einer Fräsmaschine mit einem gekühlten Fräskopf erfolgen.
Der Vergussraum 5 ist in dem gezeigten Beispiel mit drei Spulen 9 bestückt, wobei die Spulen 9 durch mehrere erste Abstandshalter 39 von dem inneren Vergussbehälter 11 getrennt gehalten werden und die Spulen 9 untereinander durch mehrere zweite Abstandshalter 41 voneinander getrennt gehalten werden. Hierdurch wird erreicht, dass auch die untere Spule mehrheitlich von Vergussmasse umschlossen wird, und dass der Zwischenraum zwischen den Spulen mit Vergussmasse aufgefüllt wird. Zusätzlich zu den hier gezeigten zweiten Abstandshaltern 41 können zwischen den Spulen 9 auch noch Kühlbleche, beispielsweise aus Kupfer, zur verbesserten Kühlung der Spulen angebracht werden. In dem gezeigten Beispiel ist eine Vorrichtung 10 zum Befüllen mit Vergussmasse vorhanden, durch die der Vergussraum 5 mit einem hier nicht gezeigten Reservoir der Vergussmasse über ein Vergussmasseventil 29 in Verbindung steht. Die Vergussmasse kann beispielsweise eine Mischung aus einem Epoxidharz und einem Amin sein, die nach Herstellung der Mischung innerhalb einiger Stunden bei Raumtemperatur aushärtet. Zusätzlich umfasst die gezeigte Vorrichtung einen Vakuumanschluss 31, durch den der Vergussraum 5 über ein Vakuumventil 33 evakuiert werden kann. Nach Vergießen der Spulen 9 kann der Vergussraum durch den Luftanschluss 35 über ein Belüftungsventil 37 wieder mit Luft gefüllt oder auch mit Überdruck während des Aushärtens der Vergussmasse beaufschlagt werden. Alternativ ist auch ein Befüllen mit einem anderen Gas oder Gasgemisch möglich.
Die Vorrichtung des gezeigten Ausführungsbeispiels ist weiterhin mit Heizvorrichtungen 21, einem Temperaturfühler 23 und einer hier nicht gezeigten Regeleinrichtung ausgestattet, die anhand von Messwerten des Temperaturfühlers 23 die Temperatur des äußeren Vergussbehälters 3 regelt. Die Heizvorrichtungen 21 sind in diesem Beispiel als Heizung mit elektrischen Heizwendeln realisiert, und der Temperaturfühler 23 ist ein Thermoelement oder ein Pt100 Temperaturfühler. Hierdurch kann nach dem Vergießen der Spulen 9 die Temperatur des äußeren Vergussbehälters 3 so weit erhöht werden, dass das Hartparaffin des inneren Vergussbehälters 11 schmilzt und die vergossenen Spulen aus der Vergussform nach Öffnung des Deckels 15 entnommen werden können. Der Deckel 15 ist in diesem Beispiel mit einer Trennschicht 19 versehen, die aus PTFE besteht. Diese Trennschicht 19 erleichtert das Ablösen des Deckels 15 von den vergossenen Spulen 9 und somit das Öffnen des Deckels 15 nach dem Verguss. Alternativ kann der Deckel 15 auch mit dem Material des inneren Vergussbehälters 11 beschichtet sein, also beispielsweise mit Hartparaffin, oder vollständig aus einem Material mit nicht haftenden Oberflächeneigenschaften, also z.B. vollständig aus Paraffin oder PTFE, bestehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Vergussform weiterhin mit einer Ablaufvorrichtung 25 versehen, durch die das geschmolzene Material des inneren Vergussbehälters 11 über das Ablaufventil 29 abgelassen werden kann. Anschließend können die vergossenen Spulen 9 ohne hohe mechanische Belastung aus dem Vergussraum 5 herausgenommen werden. Dieses besonders schonende Verfahren des Herauslösens der vergossenen Spulen birgt auch den Vorteil, dass die Wände der Vergussform nicht konisch ausgestaltet werden müssen, um ein Herauslösen überhaupt zu ermöglichen. Somit ergeben sich hier keine nachteiligen Auswirkungen des Vergussverfahrens auf die geometrische Form der vergossenen Spule. Schließlich können mit der gezeigten Vergussform viele Vergussprozesse durchgeführt werden. Es ist bei jedem Herstellungsprozess lediglich nötig, den inneren Vergussbehälter 11 erneut herzustellen und durch eventuell nötige Nachbearbeitung an die gegebenenfalls für den jeweiligen Zeitpunkt aktualisierten geometrischen Anforderungen anzupassen.

Claims

Vorrichtung zum Verguss von Spulen, umfassend einen äußeren Vergussbehälter (3), einen Vergussraum (5) zur Aufnahme mindestens einer zu vergießenden Spule (9) und eine Vorrichtung (10) zum Befüllen mit Vergussmasse, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Vergussbehälter (3) mit einem inneren Vergussbehälter (11) ausgekleidet ist, dessen Material eine Vickershärte unterhalb von 500 aufweist und dessen Material einen Schmelzpunkt zwischen 45 Grad Celsius und 200 Grad Celsius aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des inneren Vergussbehälters (11) ein festes Gemisch aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Paraffin oder Mikrowachs, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die einen Deckel (15) umfasst, wobei der äußere Vergussbehälter (3) und der Deckel (15) über eine Dichtung (17) miteinander verbindbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass der Deckel (15) mit einem Trennmittel (19), insbesondere mit PTFE, beschichtet ist oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Heizvorrichtung (21), einen Temperaturfühler (23) und eine Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur anhand von Messwerten des Temperaturfühlers (23) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Ablaufvorrichtung (25) zum Ablassen des Materials des inneren Vergussbehälters (11) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Einrichtung (31, 35) zum Evakuieren und/oder Belüften des Vergussraums umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergussraum (5) die Form einer Schlaufe aufweist und dass der innere Vergussbehälter (11) und der äußere Vergussbehälter (3) jeweils eine innere Wand (8) und eine äußere Wand (7) umfassen.
Verfahren zum Verguss von Spulen (9) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung des inneren Vergussbehälters (11) durch mechanische oder thermische Bearbeitung erreicht wird, dass mindestens eine zu vergießende Spule (9) in dem Vergussraum (5) positioniert wird, dass eine Vergussmasse in den verbleibenden Hohlraum im Vergussraum (5) eingefüllt wird, dass die Vergussmasse gehärtet wird und dass die vergossene Spule (9) aus der Vorrichtung herausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Vergussbehälter (11) zum Herauslösen der vergossenen Spule (9) durch Aufheizen auf eine Temperatur zwischen 45 Grad Celsius und 225 Grad Celsius verflüssigt oder erweicht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das verflüssigte oder erweichte Material des inneren Vergussbehälters (11) durch die Ablaufvorrichtung (25) abgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der äußere Vergussbehälter (3) mehrfach mit dem Material des inneren Vergussbehälters (11) ausgekleidet wird und bei dem jeder so hergestellte innere Vergussbehälter (11) für die Durchführung eines Vergusses verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die zu vergießende Spule (9) im Vergussraum (5) der Vorrichtung auf mindestens einem ersten Abstandshalter (39) positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem mehrere zu vergießende Spulen (9) im Vergussraum (5) der Vorrichtung positioniert werden und mindestens ein zweiter Abstandshalter (41) zwischen den Spulen (9) positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der Vergussraum (5) der Vorrichtung vor oder nach dem Einfüllen der Vergussmasse evakuiert wird.