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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren zum Imprägnieren und anschließenden Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen, insbesondere zum Imprägnieren von Wicklungsisolierungen von Statorsegmenten für elektrische Maschinen, wie Motoren und Generatoren.
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Bei großen elektrischen Maschinen, insbesondere langsam laufenden Motoren und Generatoren, ist es von Vorteil, Statorpakete nicht als Ganzes zu fertigen. Deshalb werden Statorpakete mit Wicklungen in segmentierter Bauweise, d. h. in Teilsegmenten, die später zu einem geschlossenen Ring montiert werden, aufgebaut.
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Wicklungen von elektrischen Bauteilen müssen mit einer Isolierung versehen werden, die üblicherweise aus einer Umwicklung mit einem glimmerhaltigen Isolierband bzw. aus einem Glimmerband besteht. Die Isolierung wird mit einem Imprägnierfluid getränkt, das vorzugsweise aus einem aushärtbaren Kunstharz besteht und zur Fixierung der Isolierwicklung sowie zur Verbesserung der Isolierung dient, indem eine mögliche Feuchtigkeitsaufnahme hierdurch verhindert wird. Üblicherweise kommen styrolhaltige Imprägnierungsmittel zum Einsatz.
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Das Imprägnieren von Wicklungsisolierungen von größeren elektrischen Bauteilen, wie Statorsegmenten oder komplett montierten Statorpaketen, erfolgt üblicherweise in Vakuumanlagen, wie Autoklaven. Hierbei kann das Bauteil in einer Imprägnierwanne aufgenommen sein. Nach Erreichen des gewünschten Vakuums wird das in der Imprägnierwanne befindliche Bauteil mit dem gegebenenfalls vorgewärmten und entgasten Imprägnierharz überschwemmt. In der Regel schließt sich daran eine ausreichend lange Druckperiode an, die das Eindringen des Harzes in die Isolierung der Leiter fördert. Zu diesem Zweck sind die Vakuumanlagen auch druckfest ausgelegt. Nach dem Imprägnieren wird das Bauteil aus der Imprägnierwanne entnommen und in einen Ofen überführt, um die getränkten Wicklungsisolierungen bei Temperaturen zwischen 100°C und 200°C, insbesondere zwischen 120°C und 160°C, über mehrere Stunden auszuhärten bzw. zu trocknen.
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Bei der Überführung der Bauteile aus der Vakuumanlage in den Ofen kann es zu Imprägniermittelemissionen in die Umgebung kommen. Im Übrigen ist das Überführen der Bauteile arbeitsaufwendig und trägt zu höheren Kosten für die Imprägnierung und Aushärtung der Wicklungsisolierungen bei. Die Imprägnierung der Wicklungsisolierungen in Vakuumanlagen und die Aushärtung der imprägnierten Wicklungsisolierungen in Öfen erfordert zudem eine komplexe und umfangreiche Anlagenperipherie, die mit hohen Anlagenkosten verbunden ist. Vakuumanlagen und Öfen sind zur Behandlung von Bauteilen mit einer bestimmten Baugröße und/oder zur Behandlung einer bestimmten Anzahl von zu behandelnden Bauteilen in einem Imprägniervorgang ausgelegt. Sollen Bauteile mit einer geringeren Baugröße und/oder eine geringere Anzahl von Bauteilen in einem Imprägniervorgang behandelt werden, ist dies bei den bestehenden Anlagenkonzepten nicht oder nur eingeschränkt prozesstechnisch und/oder wirtschaftlich durchführbar. Eine bedarfsabhängige und flexible Anpassung des auf den Imprägnier- und Aushärtungsvorgang bezogenen Produktions- bzw. Fassungsvermögens von Vakuumanlagen und Ofen an einen veränderten Bedarf ist ebenfalls nicht möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Werkzeug und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen Imprägniermittelemissionen während der Imprägnierung und Aushärtung von Wicklungsisolierungen, insbesondere von größeren elektrischen Bauteilen, wie Statorsegmenten, sicher ausgeschlossen werden können, wobei die Imprägnierung und die Aushärtung wenig arbeits-, kosten- und zeitaufwendig sein sollen. Darüber hinaus soll sich das Werkzeug durch geringe Werkzeugkosten auszeichnen und in einfacher und kostengünstiger Weise eine bedarfsweise und flexible Anpassung des für die Imprägnierung und die Aushärtung zur Verfügung stehenden Produktions- bzw. Fassungsvermögens zulassen. Insbesondere soll die Imprägnierung bei möglichst geringem Imprägniermittelbedarf möglich sein.
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Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Werkzeug mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Entsprechend der Erfindung wird demzufolge ein Werkzeug vorgeschlagen, das wenigstens ein Werkzeugoberteil und wenigstens ein mit dem Werkzeugoberteil verbindbares oder verbundenes Werkzeugunterteil aufweist. In einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs wird zwischen dem Werkzeugoberteil und dem Werkzeugunterteil eine vakuum- und, vorzugsweise, druckfeste Werkzeugkavität ausgebildet, wobei die Werkzeugkavität zur nicht-formangepassten Aufnahme des Bauteils dimensioniert ist. Unter einer ”nicht-formangepassten Aufnahme” im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass sich unterschiedlich große und/oder unterschiedlich geformte Bauteile gleichermaßen in die Werkzeugkavität einsetzen lassen und beim Imprägniervorgang insbesondere keiner Pressung unterworfen sind. Eine ”nicht-formangepasste Aufnahme” im Sinne der Erfindung liegt insbesondere dann vor, wenn das Bauteil beim Imprägniervorgang nicht formschlüssig in der Werkzeugkavität angeordnet ist. Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Werkzeug insbesondere von solchen Werkzeugen, die üblicher Weise zum Imprägnieren von Leiterstäben eingesetzt werden, wobei die Leiterstäbe im Hinblick auf eine geforderte Maßhaltigleit der Leiterstäbe während des Imprägnierens im Werkzeug einer Pressung unterworfen werden. Diese Pressung soll sicherstellen, dass die Querschnitte der Leiterstäbe beim Einbau in den Stator nicht zu Passungsproblemen führen.
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Weiter erfindungsgemäß ist die Werkzeugkavität mit einer vakuumbildenden Einheit, wie einer Vakuumpumpe, evakuierbar und, vorzugsweise, im evakuierten Zustand, zum Imprägnieren eines in der Werkzeugkavität angeordneten Bauteils mit einem Imprägniermittel befüllbar. Die Werkzeugkavität ist hierzu mit einem Imprägniermittelbehälter verbunden. Der Imprägniermittelbehälter kann vorzugsweise ebenfalls evakuierbar sein, wobei das Imprägniermittel über wenigstens eine Unterdruckleitung in das Werkzeug gepumpt werden kann. Damit wird sichergestellt, dass mögliche Gasansammlungen entfernt werden, die ein Hindernis für die Aufnahme des Imprägniermittels in der Wicklungsisolierung bilden könnten.
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Weiter vorzugsweise kann sich nach dem Befüllen der Werkzeugkavität eine Druckperiode anschließen, in der die Werkzeugkavität mit einem ausreichend hohen Druck beaufschlagt wird, um das Eindringen des Imprägniermittels in die Isolierung der Wicklung zu fördern. Zur Erhöhung des Druckniveaus in der Werkzeugkavität auf einen Betriebsimprägnierdruck, der vorzugsweise zwischen 4 bar und 6 bar, weiter vorzugsweise ca. 5 bar, betragen kann, kann der Werkzeugkavität ein Inertgas, wie Stickstoff, über wenigstens eine Zufuhrleitung mit einer Pumpe zugeführt werden. Nach der Imrägnierung der Wicklungsisolierungen des Bauteils kann dann überschüssiges Imprägniermittel aus der Werkzeugkavität über wenigstens eine Ablassleitung, die insbesondere in Bodennähe der Werkzeugkavität mündet, abgeführt oder aus der Werkzeugkavität abgesaugt und dem Imprägniermittelbehälter gegebenenfalls über eine Filtereinrichtung, eine Entgasungseinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung wieder zugeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird das Bauteil nach der Imprägnierung keinem prozessräumlich getrennten Aushärtungsvorgang in einem Ofen unterzogen. Stattdessen findet der Aushärtungs- und Trockungsprozess der imprägnierten, nassen Wicklungsisolierungen ebenfalls in der Werkzeugkavität des geschlossenen Werkzeugs statt. Zu diesem Zweck lässt sich das in der Werkzeugkavität angeordnete imprägnierte Bauteil zum Aushärten und/oder Trocknen des Imprägniermittels auf eine Aushärtungs- und/oder Trockungstemperatur erwärmen, die üblicherweise im Bereich zwischen 100°C bis 200°C, vorzugsweise zwischen 120°C und 160°C, liegt. Damit ist die Durchführung von Imprägnierung und Aushärtung wenig fertigungsaufwendig und bei geringen Produktions- und Werkzeugkosten möglich.
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Das Werkzeug ist erfindungsgemäß beim Imprägnieren und Aushärten des Bauteils zur Umgebung geschlossen bzw. luftdicht ausgebildet, so dass Imprägniermittelemissionen in die Umgebung sicher ausgeschlossen werden können. Dies setzt voraus, dass das Werkzeugoberteil und das Werkzeugunterteil im geschlossenen Zustand des Werkzeugs gas- bzw. luftdicht miteinander verbunden sind. Das Imprägnieren und Aushärten erfolgt in einem geschlossenen Prozess ohne Emissionen des Imprägniermittels. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dementsprechend vor, dass der Imprägniervorgang und der Aushärtungsvorgang des Bauteils nacheinander in der Werkzeugkavität des geschlossenen Werkzeugs in einem zur Umgebung geschlossenen Prozess erfolgen. Während des Imprägniervorgangs und des Aushärtungsvorgangs bleibt das Werkzeug geschlossen, so dass ein Austritt von Imprägniermitteldämpfen in die Umgebung während der Behandlung des Bauteils verhindert wird.
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Auf einer begrenzten Produktionsfläche lassen sich mehrere erfindungsgemäße Werkzeuge parallel einsetzen, so dass sich das auf den Imprägnier- und Aushärtungsvorgang bezogene Produktions- bzw. Fassungsvermögen leicht einem veränderten Bedarf anpassen lässt.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug und das Verfahren eignen sich grundsätzlich zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von beliebigen elektrischen Bauteilen und Maschinen. Vorzugsweise sind das Werkzeug und das Verfahren jedoch zum Imprägnieren und Aushärten von nicht-stabförmigen Statorsegmenten ausgebildet.
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Das Erwärmen des Bauteils auf die Aushärtungs- und/oder Trocknungstemperatur erfolgt im Anschluss an das Ablassen des überschüssigen Imprägniermittels am Ende des Imprägniervorgangs durch Zufuhr von Heißluft in die Werkzeugkavität. Die Beheizung kann bei Überdruck erfolgen. Das Druckniveau in der Werkzeugkavität, auf dem die Heißluftzufuhr erfolgt, kann vorzugsweise zwischen 4 und 6 bar, weiter vorzugsweise bei maximal 5 bar, liegen.
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Beim Ablassen des Harzüberschusses am Ende des Imprägnierungsvorgangs kommt es zu einer Verringerung des Drucks in der Werkzeugkavität. Durch Stickstoffzufuhr in die Werkzeugkavität lässt sich der Druck in der Werkzeugkavität erhöhen und steuern bzw. regeln. Das Werkzeug weist zu diesem Zweck wenigstens eine Zuführleitung zur Zufuhr von Stickstoff in die Werkzeugkavität auf, wobei, vorzugsweise, das Druckniveau in der Werkzeugkavität über die Stickstoffzufuhr steuer- und/oder regelbar ist. Ein höherer Druck wirkt sich vorteilhaft auf die Wärmeübertragung bei der anschließenden Erwärmung des Bauteils mit Heißluft aus. Der höhere Stickstoffanteil in der Luft trägt dazu bei, unerwünschte Verbrennungsreaktionen zwischen der Heißluft und gas- oder dampfförmigen Imprägniermittel in der Werkzeugkavität zu verhindern. Beispielsweise kann verhindert werden, dass sich ein brennbares Luft/Sytrol- oder Lösemittelgemisch bildet.
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Für die Erwärmung des Bauteils in der Werkzeugkavität kann das Werkzeug ein Belüftungssystem mit wenigstens einer Zuluftleitung zum Zuführen von Luft in die Werkzeugkavität und mit wenigstens einer Abluftleitung zum Abführen von Abluft aus der Werkzeugkavität aufweisen. Das Belüftungssystem kann mit wenigstens einem Gebläse für die Luftzufuhr und/oder Luftabfuhr verbunden sein und/oder ein Gebläse aufweisen.
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Über die Zuluftleitung kann Heißluft zugeführt werden. Die Heißluft kann in einer elektrisch oder mit Gas betriebenen Heizeinrichtung erzeugt werden. Alternativ kann eine Beheizung der Zuluft auch über wenigstens einen Wärmetauscher erfolgen, dem beispielsweise Wasserdampf als Wärmeträgermedium zugeführt wird. Die Heißluft um- und/oder überströmt das Bauteil, so dass es zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Bauteils auf die Aushärtungstemperatur kommt. Gleichzeitig nimmt die Luft in der Werkzeugkavität gas- oder dampfförmiges Imprägniermittel auf. Über die Zufuhr von warmer oder heißer Luft ist auch eine Vorwärmung und/oder Trocknung des Bauteils vor dem Beginn des Imprägniervorgangs möglich.
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Das Abführen von Imprägniermitteldämpfen aus der Werkzeugkavität kann zusammen mit der Abluft über die Abluftleitung erfolgen. Von dort kann die Abluft einer Luftreinigungseinrichtung, beispielsweise einen Aktivkohlefilter, zur Abscheidung von Imprägniermittel zugeführt werden. Auch ist es möglich, die Abluft einer Verbrennungseinrichtung zuzuführen, um das abgeführte gas- oder dampfförmige Imprägniermittel zu verbrennen.
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Die Abluftleitung und die Zuluftleitung können über wenigstens eine Kreislaufleitung miteinander verbindbar sein, um die aus der Werkzeugkavität abgeführte Abluft zumindest teilweise der Werkzeugkavität zurückzuführen. Zur Erwärmung und/oder Kühlung des Bauteils kann damit eine Gaszirkulationsströmung erzeugt werden. Für den Aushärtungsvorgang ist vorzugsweise vorgesehen, eine Heißluftzirkulation zu erzeugen, wobei der Werkzeugkavität in einem Frischluftzyklus über die Zuluftleitung erhitzte Frischluft zugeführt wird. Es kann sich dann ein Umluftzyklus anschließen, bei dem die Heißluft umgewälzt und dabei über die Abluftleitung und die Kreislaufleitung wieder in die Werkzeugkavität zurückgeführt wird. Sinkt die Temperatur ab, kann wieder ein Frischluftzyklus mit erneuter Zufuhr von heißer Frischluft in die Werkzeugkavität vorgesehen werden, wobei ein Teil der Abluft in die Werkzeugkavität zurückgeführt wird. Ein anderer Teil der Abluft wird von der Gaszirkulationsströmung abgetrennt und aufbereitet.
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Alternativ kann eine Erwärmung des Bauteils für den Aushärtungsvorgang auch lediglich durch Zufuhr von heißer Frischluft erfolgen, wobei dann die gesamte aus der Werkzeugkavität abgeführte Abluft einer Luftaufbereitung zugeführt werden muss.
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Darüber hinaus lässt sich über die Zuluftleitung auch Frischluft zuführen, beispielsweise, um das Bauteil nach dem Aushärtungsvorgang zu kühlen. Kontaminierte Kühlluft kann über die Abluftleitung einer Luftaufbereitung zugeführt werden. Zusätzlich kann ein Kühlaggregat vorgesehen sein, um Kühlzeiten zu verringern.
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Teile des Belüftungssystems, insbesondere die Abluftleitung und/oder die Zuluftleitung und/oder die Kreislaufleitung, können von der Werkzeugkavität fluidisch absperrbar bzw. abtrennbar und evakuierbar sein. Vor dem Beginn des Aushärtungsvorgangs kann eine Druckabsenkung im Belüftungssystem vorgesehen sein, so dass Teile des Belüftungssystems ein Unterdruckniveau aufweisen. Durch nachfolgendes Öffnen der evakuierten Bereiche des Belüftungssystems gegenüber der Werkzeugkavität kommt es zur Absenkung des Druckniveaus in der Werkzeugkavität. Durch Stickstoffzufuhr in die Werkzeugkavität lässt sich dann das Druckniveau wieder erhöhen, so dass die Heißluftzufuhr bei einem bestimmten Überdruck erfolgen kann.
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Die Luftzufuhr und/oder Luftabfuhr in bzw. aus der Werkzeugkavität kann über das Werkzeugoberteil erfolgen. Die Zuluftleitung und die Abluftleitung sind dann durch das Werkzeugoberteil geführt und münden in der Werkzeugkavität.
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In der Werkzeugkavität kann wenigstens eine Leiteinrichtung vorgesehen sein, um eine bestimmte Strömungsführung der Luft in der Werkzeugkavität zu erzwingen und eine gleichmäßige Erwärmung des Bauteils sicherzustellen. Vorzugsweise ist die Leiteinrichtung als Leitblech ausgebildet und kann fest mit dem Werkzeugoberteil verbunden sein. Dies ist für die Strömungsleitung der Luft von Vorteil, wenn die Luftzufuhr zur Werkzeugkavität über das Werkzeugoberteil erfolgt.
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Für einen guten Wärmeübergang zwischen der Luft und dem Bauteil ist eine intensive Umströmung des Bauteils vorteilhaft. Zu diesem Zweck kann die Leiteinrichtung einen Förderweg der Luft in der Werkzeugkavität von oben nach unten bis unterhalb von dem in der Werkzeugkavität aufgenommenen Bauteil erzwingen. Weiter vorzugsweise wird das Bauteil von oben nach unten von der Luft durchströmt. Der Förderweg der Luft kann dann wenigstens eine Richtungsumlenkung in Bodennähe der Werkzeugkavität vorsehen, so dass die Luft nach der Umlenkung von unten nach oben bis oberhalb von dem in der Werkzeugkavität aufgenommenen Bauteil strömt. Insbesondere ist eine Zweiteilung der Werkzeugkavität durch ein am Werkzeugoberteil mittig zur Werkzeugkavität angeordnetes Leitblech vorteilhaft, wobei die Zuluft auf der einen Seite des Leitblechs der Werkzeugkavität zugeführt und die Abluft auf der anderen Seite des Leitblechs abgeführt werden kann.
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Zur Aufnahme des Bauteils in der Werkzeugkavität kann eine lösbar mit dem Werkzeugunterteil verbindbare Imprägnierwanne vorgesehen sein. Dadurch wird der Imprägniervorgang vereinfacht. Im Übrigen kann die Imprägnierwanne vorzugsweise zur nicht-formangepassten Aufnahme des Bauteils ausgestaltet sein. Damit lassen sich bedarfsweise unterschiedlich große Bauteile in der Wanne imprägnieren und das Einsetzen und Herausnehmen des Bauteils wird vereinfacht.
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In dem Werkzeugunterteil kann ein Einsetzbereich für die Imprägnierwanne vorgesehen sein. Das Imprägnieren und Aushärten des Bauteils erfolgt dann in der Imprägnierwanne. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass der Einsetzbereich des Werkzeugunterteils unmittelbar mit dem Imprägniermittel befällt wird und dann die Imprägnierung/Aushärtung des Bauteils direkt in dem Werkzeugunterteil stattfinden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist vorgesehen, dass der Einsetzbereich zur Aufnahme von unterschiedlich großen Wannen bzw. von Imprägnierwannen mit unterschiedlichem Fassungsvermögen ausgebildet ist. Das Einsetzvolumen der größten Wanne wird hierbei durch das Innenvolumen des Einsetzbereichs begrenzt. Dadurch ist es möglich, je nach Größe und Art des Bauteils eine angepasste Imprägnierwanne zu verwenden, was den Imprägniervorgang weiter vereinfacht. Insbesondere wird durch die Verwendung einer an die Größe und Art des Bauteils angepassten Imprägnierwanne ein möglichst geringer Imprägniermittelverbrauch erreicht.
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Es kann auch ein in die Wanne und/oder den Einsetzbereich bedarfsweise einsetzbares Halteteil vorgesehen sein, wobei das Bauteil beim Imprägnieren und Aushärten über das Halteteil beabstandet vom Boden der Wanne und/oder vom Boden des Einsetzbereiches in der Werkzeugkavität gehalten ist. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass das Bauteil auf Auflagepunkten der Wanne aufliegt, die durch eine entsprechende Formgebung der Wanne bereitgestellt werden können. Beispielswiese kann das Bauteil auf schrägen Wandabschnitten der Wanne aufliegen und darüber beabstandet vom Boden gehalten sein.
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Weiter vorteilhaft ist, wenn die Werkzeugkavität lediglich bis zu einer maximalen Füllhöhe mit dem Imprägniermittel befüllbar ist, die unterhalb der Oberkante des unteren Werkzeugteils und/oder der Imprägnierwanne liegt. Damit wird sichergestellt, dass das Werkzeugoberteil nicht mit dem Imprägniermittel in Berührung kommt.
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Die Imprägnierwanne und/oder der Einsetzbereich des Werkzeugunterteils können auf der Innenseite eine Schutzbeschichtung, insbesondere eine Folienbeschichtung, aufweisen. Durch Ablösen der Schutzbeschichtung, beispielsweise abziehen einer Folienbeschichtung, lassen sich Verunreinigungen in einfacher Weise von der Imprägnierwanne und/oder dem Einsetzbereich entfernen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann eine Silikonfolie als Folienbeschichtung vorgesehen sein. Die Schutzbeschichtung ist weiter vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine mehrfache Verwendbarkeit der Imprägnierwanne und/oder des Einsetzbereiches zum Imprägnieren und Aushärten von Bauteilen sichergestellt ist. Bei Verwendung einer Imprägnierwanne lässt sich diese nach mehreren Imprägnierungs-/Aushärtungsvorgängen für einen Austausch der Schutzbeschichtung aus dem Werkzeugunterteil herausnehmen und es lässt sich dann die Schutzbeschichtung erneuern.
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Das Werkzeugoberteil kann schwenkbar mit dem Werkzeugunterteil verbunden sein und sich über ein Scharnier öffnen lassen. Es ist dann nicht erforderlich, dass Werkzeugoberteil beim Öffnen des Werkzeugs vom Werkzeugunterteil abzunehmen und es kann leicht sichergestellt werden, dass das Werkzeugoberteil nicht mit dem Imprägniermittel in Berührung kommt. Im geschlossenen Zustand des Werkzeugs können sich das Werkzeugoberteil und das Werkzeugunterteil mechanisch und/oder hydraulisch verriegeln lassen.
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Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutern werden.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Werkzeug 1 zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen 2 in einer Teilexplosionsdarstellung. Bei dem Bauteil 2 handelt es sich um ein Statorsegment einer großen elektrischen Maschine, wie einem Generator. Nicht dargestellt ist, dass das Werkzeug 1 auch zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen anderer elektrischer Bauteile oder Maschinen verwendbar ist, sofern die Baugröße der Bauteile oder Maschinen ein maximales durch die Größe des Werkzeugs begrenztes Bauvolumen nicht überschreitet.
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Das Werkzeug 1 weist wenigstens ein Werkzeugoberteil 3 und ein Werkzeugunterteil 4 auf. Das Werkzeugoberteil 3 bildet einen Deckel des Werkzeugs 1 und ist über eine Scharnierverbindung mit dem Werkzeugunterteil 4 schwenkbar verbunden. Zum Öffnen des Werkzeugs 1 ist es daher nicht erforderlich, das Werkzeugoberteil 3 vom Werkzeugunterteil 4 abzunehmen, was den Öffnungs- und Schließvorgang des Werkzeugs 1 vereinfacht. Im aufgeklappten Zustand des Werkzeugoberteils 3 wird darüberhinaus sichergestellt, dass das Werkzeugoberteil 3 nicht mit einem für den Imprägniervorgang des Bauteils 2 eingesetzten Imprägniermedium in Berührung kommt, so dass eine aufwendige Reinigung der Innenseite des Werkzeugoberteils 3 entfällt und auch der Einsatz eines Trennmittels nicht nötig ist.
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Das Imprägnieren des Bauteils 2 erfolgt in einer Imprägnierwanne 5, die sich von oben in einen Einsetzbereich 6 des Werkzeugunterteils 4 einsetzen lässt. Im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 1 wird durch die Innenflächen 7 der Imprägnierwanne 5 und eine Innenfläche 8 des Werkzeugoberteils 3 eine Werkzeugkavität 9 gebildet, in die das Bauteil 2 zum Imprägnieren und Aushärten der am Bauteil 2 vorgesehenen Wicklungsisolierungen einsetzbar ist. Hierbei ist die Imprägnierwanne 5 zur nicht-formangepassten Aufnahme des Bauteils 2 ausgestaltet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Bauteil 2 nicht-formschlüssig in die Imprägnierkammer 5 einsetzbar ist. Die Imprägnierkammer 5 ist im Ergebnis in Bezug auf die Abmessungen des Bauteils 2 überdimensioniert, so dass das Einsetzen und Herausnehmen des Bauteils 2 aus der Imprägnierwanne 5 in einfacher Weise möglich ist. Gleichzeitig ist das Innenvolumen der Imprägnierwanne 5 jedoch an die Bauteilart angepasst, um die für einen Imprägniervorgang des Bauteils 2 erforderliche Menge an Imprägniermittel möglichst gering zu halten und damit Ressourcen zu schonen.
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Nicht dargestellt ist, dass unterschiedlich große Imprägnierwannen 5 bedarfsweise und in Abhängigkeit von der Bauteilgröße und/oder der Bauteilform in den Einsetzbereich 6 einsetzbar sind, so dass das Werkzeug 1 bei möglichst geringem Imprägniermittelüberschuss zum Imprägnieren und Aushärten von unterschiedlich großen und/oder unterschiedlich geformten Bauteilen 2 verwendbar ist. Je Bauteilart kann eine angepasste Imprägnierkammer 5 vorgesehen und in einfacher Weise ausgewechselt werden, wenn eine andere Bauteilart mit unterschiedlicher Größe und/oder Form imprägniert werden soll.
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Das Imprägnieren des Bauteils 2 kann auch unmittelbar im Einsetzbereich 6 des Werkzeugunterteils 4 erfolgen, wobei dann der Einsatz einer Imprägnierwanne 5 nicht vorgesehen ist.
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Die Imprägnierwanne 5 kann, wie auch der Einsetzbereich 6, innenseitig eine Schutzbeschichtung, insbesondere eine Folienbeschichtung, aufweisen. Zum Auswechseln der Schutzbeschichtung nach mehreren Imprägnierungs- und Aushärtungszyklen kann sich die Imprägnierwanne 5 bedarfsweise aus dem Einsetzbereich 6 herausheben lassen.
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Das Einlegen des Bauteils 2 in die Imprägnierwanne 5 kann mit einem Kran erfolgen. Gegebenenfalls sind Transporthaken an dem Bauteil 2 anzubringen. Anschließend wird das Werkzeug 1 geschlossen und manuell oder mittels Hydraulik verriegelt.
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Die Werkzeugkavität 9 lässt sich im geschlossenen Zustand der Werkzeugteile 3, 4 mit einer nicht im Einzelnen gezeigten vakuumbildenden Einrichtung evakuieren, so dass mögliche Gasansammlungen im Bereich der Wicklungsisolierungen des Bauteils 2 entfernt werden, welche ein Hindernis für die Aufnahme des Imprägniermittels bilden könnten. Zum Evakuieren der Werkzeugkavität 9 kann die vakuumbildende Einrichtung eine Vakuumpumpe aufweisen.
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Die Werkzeugkavität 9 bzw. die Imprägnierwanne 5 ist über eine Imprägniermittelleitung 10, die durch eine Öffnung 11 in einer Seitenwand des Werkzeugunterteils 4 hindurch geführt und mit einem nicht dargestellten Behälter für das Imprägniermittel verbunden ist, mit Imprägnierfluid befüllbar. Bei der Evakuierung der Werkzeugkavität 9 kann gleichzeitig der Imprägniermittelbehälter mit Vakuum beaufschlagt werden. Nach Kontrolle der Vakuumstabilität kann dann das Imprägniermittel über die Imprägniermittelleitung 10 in die Werkzeugkavität 9 einströmen. Hierbei wird das in der Werkzeugkavität 9 angeordnete Bauteil 2 von dem Imprägniermittel überflutet, bis eine bestimmte maximale Füllhöhe des Imprägniermittels in der Imprägnierwanne 5 erreicht ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zuströmung von Imprägniermittel in die Imprägnierwanne 5 automatisch nach Erreichen einer vorbestimmten Imprägniermittelmenge beendet wird. Die maximale Füllhöhe des Imprägniermittels in der Imprägnierwanne 5 kann wenigstens 20 mm, vorzugsweise wenigstens 30 mm, weiter vorzugsweise bis 50 mm, oberhalb von dem Bauteil 2 liegen.
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Die Imprägnierwanne 5 weist mehrere Auflagepunkte auf, auf denen das Bauteil 2 für den Imprägnier- und Aushärtungsvorgang abgestützt ist. Dabei sind die Auflagepunkte derart angeordnet, dass das Bauteil 2 beabstandet von einem Boden der Imprägnierwanne 5 gehalten wird, was den Imprägnier- und Aushärtungsvorgang weiter vereinfacht und verbessert. Durch den Bodenabstand wird sichergestellt, dass das Bauteil 2 von allen Seiten für das Imprägniermittel und bei der späteren Erwärmung auf Aushärtungstemperatur für die Heißluft zugänglich ist. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Imprägnierwanne 5 zwei schräge Wandabschnitte 12, 13 auf, die zum Halten des Bauteils 2 in der Werkzeugkavität 9 vorgesehen sind. Hierdurch wird das Bauteil 2 beabstandet von einem Boden der Imprägnierwanne 5 gehalten, wobei der Abstand a zwischen dem Bauteil 2 und dem Boden wenigstens 5 cm, vorzugsweise wenigstens 10 cm, betragen kann.
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Zur Unterstützung des Imprägniervorgangs kann sich eine Druckperiode anschließen, die das Eindringen des Imprägniermittels in die Wicklungsisolierungen des Bauteils 2 fördert. Zu diesem Zweck ist die Werkzeugkavität 9 im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 1 druckfest ausgebildet. Die Druckperiode kann automatisch ausgelöst werden, bis die Sättigung erreicht ist. Ein maximaler Imprägnierdruck kann im Bereich zwischen 4 und 6 bar, vorzugsweise bei ca. 5 bar, liegen. Um den Imprägnierdruck zu erreichen, kann Stickstoff mit einer Pumpe über eine Zufuhrleitung 14 in die Werkzeugkavität 9 eingeleitet werden. Über die Zufuhrleitung 14 für Stickstoff kann auch die Evakuierung der Werkzeugkavität 9 vor dem Einleiten des Imprägniermittels erfolgen.
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Nach Beendigung der Imprägniermittelaufnahme kann der Imprägniermittelüberschuss über eine nicht gezeigte Ablaufleitung abgelassen und wieder dem Imprägniermitteltank zugeführt werden, vorzugsweise über wenigstens eine Filtereinrichtung und/oder eine Entgasungseinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung.
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Das Ablassen des Imprägniermittels aus der Werkzeugkavität 9 führt zu einer Druckabsenkung in der Werkzeugkavität 9, wobei die Druckabsenkung im Bereich zwischen 1 bis 2 bar liegen kann. Für die Wärmeübertragung bei dem sich anschließenden Aushärtungsvorgang des Bauteils 2 ist es jedoch von Vorteil, den Druck in der Werkzeugkavität 9 durch erneute Stickstoffzufuhr über die Zufuhrleitung 14 wieder zu erhöhen.
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Anschließend erfolgt das Aushärten der Wicklungsisolierungen des Bauteils 2 in der Werkzeugkavität 9 durch Heißluftzufuhr zur Werkzeugkavität 9, so dass der Imprägniervorgang und der Aushärtungsvorgang ohne Umsetzen des Bauteils 2 in demselben Werkzeug 1 in einem Prozessschritt, d. h. ohne Öffnen der Werkzeugteile 3, 4, erfolgen kann. Die Werkzeugkavität 9 bildet hierbei ein zur Umgebung geschlossenes System, so dass ein ungewollter Austritt von Imprägniermittel aus der Werkzeugkavität in die Umgebung beim Imprägnieren und Aushärten des Bauteils 2 verhindert wird. Das Werkzeugoberteil 3 und das Werkzeugunterteil 4 lassen sich im Wesentlichen luftdicht miteinander verbinden, um eine vakuum- und druckdichte Werkzeugkavität 9 auszubilden.
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Für eine Heißluftzufuhr und eine Abluftabfuhr kann ein Lüftungssystem vorgesehen sein, dass wenigstens eine Abluftleitung 15, eine Kreislaufleitung 16 und eine Zuluftleitung 17 aufweist. Die Abluftleitung 15 und die Zuluftleitung 17 münden in der Werkzeugkavität 9 oberhalb von der Imprägnierwanne 5 und sind durch das Werkzeugoberteil 3 hindurch geführt. Die Abluftleitung 15 ist über die Kreislaufleitung 16 mit der Zuluftleitung 17 verbindbar. Die Luftabsaugung, die Luftzufuhr und ggf. eine Luftzirkulation wird beispielsweise mit wenigstens einem Gebläse erreicht. Die Abluftleitung 15 kann darüber hinaus mit einer nicht dargestellten Gasreinigungseinrichtung und/oder mit einer Verbrennungseinrichtung verbunden sein, um imprägniermittelhaltige Abluft aus der Werkzeugkavität 9 einer Abluftaufbereitung zuzuführen, bei der es zur Abreicherung/Abscheidung des Imprägniermittels in/aus der Abluft kommt.
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Das Erwärmen des Bauteils 2 zum Aushärten des Imprägniermittels erfolgt durch Zufuhr von Heißluft über die Zuluftleitung 17 in die Werkzeugkavität 9. Sind die Zuluftleitung 17 und die Absaugleitung 15 miteinander verbunden, ist eine Erwärmung und/oder Kühlung des Bauteils 2 durch Gaszirkulation möglich. Zu diesem Zweck kann ein Luftventilsystem im Werkzeugoberteil 3 vorgesehen sein, dass unter Stickstoff in eine Luftzirkulationsstellung geöffnet wird. Dies kann nach einem automatischen Zuschalten von Heißluftströmen eine Heißluft-Zirkulation rund um das Bauteil 2 bewirken und eine gleichmäßige Erwärmung des Bauteils 2 gewährleisten. Die Bauteiltemperatur kann direkt am Bauteil 2 im Werkzeug 1 gemessen und darüber geregelt werden. Hierbei ist das Werkzeug 1 noch verschlossen, so dass ein ungewollter Austritt von Imprägniermittel aus der Werkzeugkavität 9 nicht zu befürchten ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann zum Erwärmen des Bauteils 2 auch aufgeheizte Frischluft verwendet werden, die der Werkzeugkavität 9 über die Zuluftleitung 17 zugeführt wird. Die über die Abluftleitung 15 abgesaugte Abluft kann dann einem Luftreinigungssystem zugeführt werden.
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Die Abluftleitung 15 und/oder die Zuluftleitung 17 und ggf. weitere Bereiche des Lüftungssystems können evakuierbar sein, um das Druckniveau unter den Betriebsdruck in der Werkzeugkavität 9 abzusenken. Vorzugsweise lassen sich die Abluftleitung 15 und die Zuluftleitung 17 fluidisch von der Werkzeugkavität 9 trennen bzw. abkapseln, wobei die Leitungen während des Imprägniervorgangs unter Unterdruck stehen können. Zum Absperren der Abluftleitung 15 und/oder der Zuluftleitung 17 gegenüber der Werkzeugkavität 9 kann das Werkzeug 1 entsprechend ausgebildete Absperreinrichtungen aufweisen. Der Heizkreislauf wird unter Vakuum gehalten und nach dem Zuschalten bzw. Öffnen des Heizkreislaufs mit dem in der Werkzeugkavität 9 befindlichen Stickstoff/Luft-Gemisch geflutet. Beim Öffnen der Absperrung der Abluftleitung 15 und/oder der Zuluftleitung 17 einerseits und der Werkzeugkavität 9 andererseits kommt es dann aufgrund des Unterdrucks in den Leitungen 15, 17 zu einem Absinken des Druckniveaus in der Werkzeugkavität 9. Durch Stickstoffzufuhr über die Zufuhrleitung 14 lässt sich dann das Druckniveau in der Werkzeugkavität 9 bedarfsweise entsprechend erhöhen und die Imprägniermittelkonzentration in der Werkzeugkavität 9 steuern, um in vorteilhafter Weise auf die Wärmeübertragung von der Heißluft auf das Bauteil 2 Einfluss zu nehmen und um eine Verbrennungsreaktion zwischen der zugeführten Heißluft und gas- oder dampfförmigem Imprägniermittel zu verhindern. Eine Druckeinflussnahme über Stickstoffzufuhr ist vor und auch während der Heißluftzufuhr zur Werkzeugkavität 9 möglich.
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Eine Erwärmung des Bauteils 2 während des Aushärtungsvorgangs kann bedarfsweise mit Umluft und/oder mit Frischluft erfolgen. Umluft- und Frischluft-Zyklen können sich abwechseln.
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Nach Ablauf einer bestimmten Aushärtungszeit kann über die Zuluftleitung 17 eine Kühlung der Werkzeugkavität 9 und damit des Bauteils 2 durch Frischluftzufuhr erfolgen. Zusätzlich kann ein nicht gezeigtes Kühlaggregat vorgesehen sein, um Kühlzeiten zu minimieren. Die Kühlluft kann beim Umströmen des Bauteils 2 Imprägniermittel aufnehmen und wird dann vorzugsweise über die Abluftleitung 15 einem Luftreinigungssystem zugeführt. Hat das Bauteil 2 eine Temperatur von bspw. 60°C bis 80°C erreicht, kann die Werkzeugkavität 9 evakuiert werden, um kontaminierte Luft aus der Werkzeugkavität 9 abzuführen. Die kontaminierte Luft kann aus der Werkzeugkavität 9 auch durch Stickstoffzufuhr über die Zufuhrleitung 14 ausgeblasen werden, wobei über die Absaugleitung 15 ein Luft/Stickstoffgemisch abgesaugt wird. Anschließend kann das Werkzeugoberteil 3 entriegelt und das Werkzeug 1 geöffnet werden. Danach lässt sich das Bauteil 2 entnehmen und auf einem Reinigungs-/Warteplatz von Harznasen reinigen.
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Über die Zufuhr von Warmluft über die Zuluftleitung 17 ist es darüber hinaus möglich, das Bauteil 2 in der Werkzeugkavität 9 vor dem Imprägniervorgang vorzuwärmen, bspw. auf eine Temperatur von 30°C bis 60°C. Die Vorwärmung mit erwärmter Luft beschleunigt auch die Entfeuchtung des Bauteils 2. Die Vorwärmung und/oder Entfeuchtung des Bauteils 2 kann jedoch auch außerhalb des Werkzeuges 1 vorgenommen werden. Eine Kreislauführung der Warmluft über die Zuluftleitung 17, die Werkzeugkavität 9, die Abluftleitung 15 und die Kreislaufleitung 16 ist auch bei der Vorwärmung und/oder Trocknung des Bauteils 2 möglich und vorteilhaft.
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Es versteht sich, dass das oben beschriebene Werkzeug 1 ein entsprechend ausgebildetes Mess-, Steuer- und/oder Regelungssystem für eine automatische Ausführung der oben beschriebenen Verfahrensabläufe bei der Imprägnierung und/oder bei der Aushärtung aufweisen kann.
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Für eine geeignete Strömungsführung der Luft in der Werkzeugkavität 9, wobei das Bauteil 2 möglichst gleichmäßig umströmt und erwärmt werden soll, kann wenigstens eine Leiteinrichtung 18 vorgesehen sein. Die Leiteinrichtung 18 kann fest mit dem Werkzeugoberteil 3 verbunden sein und mit diesem auf- oder zugeschwenkt werden. Die Leiteinrichtung 18 kann vorzugsweise als Leitblech ausgebildet sein, das mittig zwischen dem Auslass der Abluftleitung 15 und dem Auslass der Zuluftleitung 17 auf der Innenseite des Werkzeugoberteils 3 angeordnet ist. Damit wird erreicht, dass die zugeführte Luft das Bauteil 2 zunächst von oben nach unten durchströmt, dann am Boden der Imprägnierwanne 5 umgelenkt wird und wieder nach oben aufströmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug
- 2
- Bauteil
- 3
- Werkzeugoberteil
- 4
- Werkzeugunterteil
- 5
- Imprägnierwanne
- 6
- Einsetzbereich
- 7
- Innenfläche
- 8
- Innenfläche
- 9
- Werkzeugkavität
- 10
- Imprägniermittelleitung
- 11
- Öffnung
- 12
- Wandabschnitt
- 13
- Wandabschnitt
- 14
- Zufuhrleitung
- 15
- Abluftleitung
- 16
- Kreislaufleitung
- 17
- Zuluftleitung
- 18
- Leiteinrichtung
