DE10345265A1

DE10345265A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern

Info

Publication number: DE10345265A1
Application number: DE2003145265
Authority: DE
Inventors: Hans Helm; Edwin Schütz; Bernd Maryniak
Original assignee: ELECTROTERM GmbH
Current assignee: Ajax Tocco Magnethermic Corp
Priority date: 2003-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-09-28
Also published as: DE10345265B4

Abstract

Verfahren zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern, insbesondere für elektrische Motoren, Transformatoren etc., wobei der Körper mit den Wicklungen in Harz oder Lacke getaucht oder mit Harz oder Lacken beträufelt wird und wobei unter Temperatureinfluss ein Tränken bzw. Imprägnieren des Körpers mit den Wicklungen erfolgt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der die Wicklungen tragende Körper - gemeinsam mit den Wicklungen - vor und/oder während und/oder nach dem Tränken induktiv erwärmt wird. Die Induktionsspule kann dabei in oder außerhalb des Harzbads liegen und Körper mit Wicklungen ganz oder teilweise umschließen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern, insbesondere für elektrische Motoren, Transformatoren, etc., wobei der Körper mit den Wicklungen in Harze oder Lacke getaucht oder mit Harzen oder Lacken beträufelt wird und wobei unter Temperatureinfluss ein Tränken bzw. Imprägnieren des Körpers mit den Wicklungen erfolgt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt. So werden die Wicklungen bspw. eines Transformators mit Lack oder Tränk- und Träufelharz getränkt, wobei es sich bei den Harzen bspw. um modifizierte, ungesättigte Polyesterharze handeln kann. Das Tränken findet üblicherweise mittels Tauchprozess statt, nämlich im sog. Heißtauchverfahren mit UV-unterstützter Härtung. Bei diesem Verfahren wird das zu tränkende Objekt mittels Strom definiert erwärmt und dann für ein bis drei Minuten in Harz getaucht. Während des Tauchprozesses werden die Wicklungen – mittels Strom – weiter beheizt, so dass im unmittelbaren Umfeld der Wicklungen das Harz dünnflüssiger wird und in den Bereich der Wicklungen eindringen kann.
Nach hinreichend langer Tränkdauer wird das Bauteil mit den Wicklungen aus dem Tauchbecken entnommen, so dass nach einem Abtropftakt das Gelieren und anschließend das Härten – ebenfalls mit Stromwärme – erfolgen kann. Danach folgt üblicherweise eine Bestrahlung des Objekts mittels UV-Licht, wobei alle vom Harz benetzten und vom Licht erreichbaren Oberflächen getrocknet und vollends ausgehärtet werden. Das gesamte Gebilde – bestehend aus einem Metallkern, Blechpaket oder dgl. mit den entsprechenden Wicklungen – wird durch das Imprägnieren mittels Harz oder Lack nicht nur elektrisch isoliert, sondern auch insgesamt verfestigt, wobei die zu erreichende Verfestigung dann von besonderer Bedeutung ist, wenn das gesamte Paket mit den Wicklungen im Betrieb beschleunigt bzw. Zentrifugalkräften ausgesetzt wird. Insoweit kommt der Imprägnierung neben der eigentlichen elektrischen Isolation eine weitere ganz besondere Bedeutung zu.
Ein modifiziertes Tränkverfahren ist das sog. Tauchrollieren, bei dem meist nur ein Bereich des die Wicklungen tragenden Körpers bzw. des die Wicklungen umfassenden Pakets in das flüssige Harz eingetaucht wird. Dabei wird das Paket gedreht, so dass allmählich eine Benetzung des gesamten Pakets und aller Wicklungen stattfindet. Das Harz kann dabei in den Bereich zwischen die Wicklungen eindringen.
Ebenso ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das zu imprägnierende Objekt, d.h. den die Wicklungen tragenden Körper, mit Harz zu beträufeln, wobei auch hier eine Erwärmung des Objekts mittels Stromdurchfluss erfolgt. Dabei erfolgt die Imprägnierung in einer sog. Träufelanlage, wobei das Harz in dünnem Strahl auf eine üblicherweise rotierende Wicklung aufgebracht wird. Dort nimmt das Harz sofort die Temperatur der Wicklung an, wird aufgrund des Temperatureinflusses erheblich dünnflüssiger und verteilt sich aufgrund der Rotation und aufgrund der dort auftretenden Kapillarkräfte gleichmäßig auf und in der gesamten Wicklung.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind jedoch problematisch, zumal es stets erforderlich ist, dass die die Wicklungen umfassenden Bauteile elektrisch – kontaktbehaftet – anzuschließen sind und dass die Anschlüsse stets in die jeweilige Anlage hineinführen. Dies bedingt einen erheblichen Aufwand in konstruktiver Hinsicht und macht die Handhabung umständlich. Außerdem werden nur die Wicklungen und nicht der Körper beheizt. Des Weiteren ist die Qualität der bislanag erzielten Imprägnierung dann jedenfalls nicht hinreichend, wenn der die Wicklungen tragende Körper großen Beschleunigungen bzw. großen Zentrifugalkräften ausgesetzt werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektroisolieren ein- oder mehrlagiger Wicklungen derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine einfache Handhabung bei geringstmöglicher Taktzeit möglich ist. Dabei soll eine gute Verfestigung des durch den Körper und die Wicklungen gebildeten Pakets erfolgen. Eine entsprechende Vorrichtung soll angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine entsprechende Vorrichtung ist durch die Merkmale der Patentansprüche 12 und 13 angegeben.
In erfindungsgemäßer Weise ist das gattungsbildende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der die Wicklungen tragende Körper – gemeinsam mit den Wicklungen – vor und/oder während und/oder nach dem Tränken induktiv erwärmt wird.
Folglich wird hier das Prinzip der Induktionsheizung genutzt, wonach nämlich über eine das die Wicklungen tragende Objekt umgebende Induktionsspule Wirbelströme in dem metallischen Leiter bzw. in den Wicklungen induziert werden. Aufgrund des dort vorhandenen elektrischen Widerstandes erwärmen sich nicht nur die Wicklungen, sondern auch der metallische Körper bzw. der Metallkern. Bei entsprechender Auslegung der Induktionsspule und entsprechender Regelung lässt sich eine definierte – vorgebbare – Temperatur im Bereich des Körpers/Kerns und der Wicklungen einstellen, so dass das gesamte Paket im Sinne eines Heizkörpers wirkt, wobei dieser Heizkörper – im Gegensatz zum Stand der Technik – keinen kontaktbehafteten Anschluss aufweist. Entsprechend lässt sich der die Wicklungen tragende Körper frei handhaben, so bspw. auch während des Tränkens beliebig bewegen, ohne dass irgendwelche Anschlussleitungen die Handhabung des die Wicklungen tragenden Körpers behindern.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Erwärmung durch Regeln oder Steuern des durch die Induktionsspule fließenden Stroms kontinuierlich bis zu der gewünschten Prozesstemperatur, und zwar über die gesamte Behandlungsdauer hinweg. Durch das induktive Beheizen lässt sich der Steuerungs-/Regelungsprozess in Bezug auf die Prozesstemperatur optimieren, wobei es grundsätzlich möglich ist, auf eine bestimmte Temperatur zu steuern/regeln und dann, für den weiteren Prozess, die in dem Metallkern und in den Wicklungen befindliche Wärme ohne weitere Beaufschlagung durch die Induktionsspule zu nutzen. Das Arbeiten mit relativ hohen Temperaturen ist ohne weiteres möglich, da auf Siedepunkte von Reaktivverdünnungen wie Styrol und Venyltoluol keine Rücksicht zu nehmen ist, sofern ein Harz auf der Basis ungesättigter Polyester verwendet wird. In einem solchen Falle ist ein schnelles Hochheizen auch über die eigentliche Prozesstemperatur hinaus möglich. Die Restwärme des Objekts lässt sich für den weiteren Prozess nutzen.
Unter Nutzung des induktiven Heizsystems ist es ebenso denkbar, dass die Erwärmung über eine hinreichend lange Zeitdauer hinweg, vorzugsweise langsam, erfolgt. Dadurch lässt sich im unmittelbaren Umfeld des gesamten Pakets ein dünnflüssigeres Harz erzeugen, welches sich aufgrund der Viskosität und im Bereich zwischen den Wicklungen auftretender Kapillarkräfte gleichmäßig in die Wicklungen hinein bewegt.
Des Weiteren ist es denkbar, dass die Erwärmung in Temperaturstufen, ggf. mit Verweilzeiten in der jeweiligen Temperaturstufe, erfolgt. Temperaturspezifische Verweilzeiten begünstigen ebenfalls den Tränkprozess, insbesondere in Bezug auf die zur Benetzung erforderliche Adhäsion zwischen dem Material der Wicklungen und dem Harz.
Zur Begünstigung des Tränkens kann der die Wicklungen tragende Körper während des Tränkens bewegt, vorzugsweise gedreht, werden. Die Bewegung des Körpers führt zu einer besseren Verteilung des Harzes, wobei das Harz aufgrund von Kapillarkräften sich gleichmäßig im Bereich der gesamten Wicklung verteilt.
Nun ist es grundsätzlich denkbar, dass der die Wicklungen tragende Körper insgesamt mit Harz oder Lack getränkt wird. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, dass der Körper bzw. die Wicklungen teilweise oder zonal getränkt werden. Entsprechend ist das Tauchverfahren, das modifizierte Tauchrollieren oder das Träufelverfahren anzuwenden, wobei beim zonalen Tränken von ganz besonderer Bedeutung ist, dass die Induktionsspule relativ zu dem die Wicklungen tragenden Körper – oder umgekehrt – derart angeordnet wird, dass nur der zu tränkende Bereich induktiv angekoppelt wird.
Jedenfalls verbleiben die Wicklungen über eine Verweilzeit hinweg im Tauchbecken bzw. im Bereich der Träufelanlage und werden danach aus dem Tauchbecken bzw. aus dem Bereich der Träufelanlage herausgenommen. Die Zeit danach dient zum Abtropfen, zum Gelieren und zum anschließenden Härten, wobei auch diese Prozesse üblicherweise unter Temperatureinwirkung erfolgen. Entsprechend ist es möglich, den die Wicklungen tragenden Körper über die Verweilzeit hinweg, d.h. nach Entnahme aus dem Tauchbecken oder aus der Träufelanlage, induktiv zu beheizen, und zwar entsprechend der erforderlichen Wärme. Dazu könnte mindestens eine weitere Induktionsspule vorgesehen sein, in dessen Wirkungsbereich der die Wicklungen tragende Körper einzubringen ist.
Ebenso ist es denkbar, dass die in dem Körper und in den Wicklungen gespeicherte Energie – in Form von Wärme – zum Abtropfen, zum anschließenden Gelieren und schließlich zum Aushärten ausreicht und entsprechend der Wärmespeicherkapazität des Körpers/Kerns und der Wicklungen genutzt wird. Etwaige Nachbehandlun gen sind unter Nutzung dieser Restwärme denkbar. Insoweit könnte es von Vorteil sein, den Körper/Kern und die Wicklungen von vornherein auf eine höhere Temperatur zu erwärmen, um danach die Restwärme ohne das Erfordernis eines weiteren Beheizens bis hin zum Aushärten nutzen zu können.
Grundsätzlich ist es möglich, dass nach dem eigentlichen Tränken eine Temperaturnachbehandlung erfolgt, wobei das Paket abermals induktiv oder in einem Ofen auf eine vorgebbare Nachbehandlungstemperatur erwärmt wird. Das nachträgliche Beaufschlagen mit UV-Licht zum Zwecke der Härtung oder zur Begünstigung eines reaktiven Prozesses ist denkbar.
In Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Elektroisolieren ein- oder mehrlagiger Wicklungen wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 12 und 13 gelöst. Danach ist eine solche Vorrichtung gekennzeichnet durch ein als Tauchbad dienendes Behältnis für Harz oder für den Lack. Dieses Behältnis dient zur Aufnahme des zu verwendenden Harzes oder Lacks. Das Behältnis ist mit mindestens einer Induktionsspule zumindest teilweise umgeben, wobei die Induktionsspule zum Ankoppeln an das einzutauchende elektrisch leitfähige Objekt dient. Im Falle eines die Wicklungen tragenden Körpers wird sowohl an den Körper als auch an das Material der Wicklungen angekoppelt und werden dort Wirbelströme induziert, so dass – auf induktivem Wege – eine Erwärmung des gesamten Pakets erfolgt.
Ebenso ist es möglich, dass die Induktionsspule innerhalb des Behältnisses angeordnet ist. In einem solchen Falle wäre die Induktionsspule in das Harz eingetaucht und würde von dort aus zum induktiven Erwärmen des die Wicklungen tragenden Körpers dienen. Im Konkreten könnte ein auf der dem Behältnis abgewandten Seite der Induktionsspule ein für das Harz durchlässiger Käfig oder dgl. zum Schutz der Induktionsspule angeordnet sein. Jedenfalls ist darauf zu achten, dass weder eine Ankopplung an das Behältnis noch an den Käfig oder dgl. stattfindet.
Des Weiteren ist hervorzuheben, dass die Induktionsspule – in konventioneller Bauart – wassergekühlt ausgeführt sein kann, und zwar je nach Bedarf. Diese Wasserkühlung lässt sich in ganz besonders vorteilhafter Weise zur Temperierung des Harzes oder Lacks verwenden, so dass unmittelbar im Bereich des Körpers bzw. der Wicklungen eine höhere Temperatur herrscht als im Bereich der Induktionsspule, die nämlich gleichzeitig zu ihrer Funktion im Sinne einer Primärspule für Kühlung des Harzes sorgt. Eine Überhitzung des Harzes kann dadurch vermieden werden.
In Sonderfällen ist auch grundsätzlich ein Vergießen / Ummanteln der Induktionsspule denkbar.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1, 12 und 13 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die einzige Figur in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern, wobei es sich dabei bspw. um die Wicklungen eines Transformators oder Elektromotors handeln kann.
Der Einfachheit halber wird der die Wicklungen tragende Körper fortan als Körper 1 bezeichnet.
Zum Tränken des Körpers 1 gemäß Heißtauchverfahren ist ein als Tauchbad dienendes Behältnis 2 vorgesehen, in dem sich das zum Beschichten der in der Figur nicht gezeigten Wicklungen dienende Harz 3 befindet.
Um das Behältnis 2 herum ist eine Induktionsspule 4 angeordnet, die in der Figur lediglich angedeutet ist. Über die Induktionsspule 4 werden Wirbelströme in den Körper 1 hinein induziert, so dass dort in bekannter Weise eine induktive Erwärmung stattfindet.
In der einzigen Figur ist weiter angedeutet, dass der Körper 1 im Tauchbad bewegt werden kann, um den Tränkprozess zu begünstigen. Ein Drehen des Körpers 1 ist möglich.
Des Weiteren sei angemerkt, dass zum Tränken unterschiedliche Harze und Lacke verwendbar sind, wobei sowohl das Prinzip der Tauchimprägnierung als auch das Prinzip der Träufelimprägnierung anwendbar ist. Wesentlich dabei ist, dass das Harz bzw. der Lack im Bereich des Körpers 1 hinreichend dünnflüssig ist, so dass die Kapillarkräfte zum hinreichend guten Tränken des Objekts, insbesondere im Bereich zwischen den Wicklungen, ausreichen. Außerdem ist sicher zu stellen, dass nach dem Abtropfen möglichst kurze Gelier- und Härtungszeiten realisierbar sind.
Schließlich sei angemerkt, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel lediglich zur beispielhaften Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Verfahren zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern, insbesondere für elektrische Motoren, Transformatoren, etc., wobei der Körper mit den Wicklungen in Harze oder Lacke getaucht oder mit Harzen oder Lacken beträufelt wird und wobei unter Temperatureinfluss ein Tränken bzw. Imprägnieren des Körpers mit den Wicklungen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der die Wicklungen tragende Körper – gemeinsam mit den Wicklungen – vor und/oder während und/oder nach dem Tränken induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung durch Regeln des durch die Induktionsspule fließenden Stroms kontinuierlich bis zur Prozesstemperatur über die Behandlungsdauer hinweg erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung über eine hinreichende Zeitdauer hinweg, vorzugsweise langsam, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in Temperaturstufen, ggf. mit Verweilzeiten in der jeweiligen Temperaturstufe, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Körper und Wicklungen während des Trinkens auch bewegt, beispielsweise gedreht werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Körper und Wicklungen teilweise oder zonal getränkt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Körper und Wicklungen über eine Verweilzeit hinweg im Tauchbecken verbleiben und danach aus dem Tauchbecken herausgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen und er die Wicklungen tragende Körper über die Verweilzeit hinweg induktiv beheizt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Körper und in den Wicklungen gespeicherte Wärme zum anschließenden Aushärten und ggf. zu Nachbehandlungen genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Tränken eine Temperaturnachbehandlung erfolgt, wobei die Wicklungen und Körper abermals induktiv oder in einem Ofen auf eine vorgebbare Nachbehandlungstemperatur erwärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Harztemperierung/-kühlung durch die Temperierung der im Harzbad befindlichen Induktionsspule erfolgt.
Vorrichtung zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern, insbesondere für elektrische Motoren, Transformatoren, etc., wobei der Körper mit den Wicklungen in Harze oder Lacke getaucht oder mit Harzen oder Lacken beträufelt wird und wobei unter Temperatureinfluss ein Tränken bzw. Imprägnieren des Körpers mit den Wicklungen erfolgt, insbesondere zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein als Tauchbad dienendes Behältnis (2) für das Harz (3) oder den Lack, und mindestens eine das Behältnis (2) zumindest teilweise umgebenden Induktionsspule (4) zum induktiven Erwärmen der Wicklungen und des die Wicklungen tragenden Körpers (1).
Vorrichtung zum Imprägnieren, Verfestigen und Elektroisolieren von ein- oder mehrlagige Wicklungen tragenden Körpern, insbesondere für elektrische Motoren, Transformatoren, etc., wobei der Körper mit den Wicklungen in Harz oder Lacke getaucht oder mit Harzen oder Lacken beträufelt wird und wobei unter Temperatureinfluss ein Tränken bzw. Imprägnieren des Körpers mit den Wicklungen erfolgt, insbesondere zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein als Tauchbad dienendes Behältnis (2) für das Harz (3) oder den Lack, und mindestens eine in dem Behältnis (2) angeordnete Induktionsspule (4) zum induktiven Erwärmen des die Wicklungen tragenden Körpers (1).
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Behältnis (2) abgewandten Seite der Induktionsspule (4) ein für das Harz (3) durchlässiger Käfig oder dgl. zum Schutz der Induktionsspule (4) angeordnet ist.