DE19648132A1 - Verfahren zur Tränkung von Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tränkung von Bauteilen, enthaltend elektrische Wicklungen, mit poly­ merisierbaren Massen, die bei Raumtemperatur flüssig oder durch Erwärmen verflüssigbar sind und die durch Wärme und/oder energiereiche Strahlung härtbar sind.

Verfahren zur Tränkung von Bauteilen, enthaltend elek­ trische Wicklungen, mit polymerisierbaren Massen, die durch Wärme und/oder durch energiereiche Strahlung härtbar sind, sind bekannt.

In DE-A-40 22 235 und DD-A-295 056 wird vorgeschlagen, nach der Tränkung des Bauteils zunächst mit UV-Strahlen die Oberflächen zu härten und dann durch Wärmezufuhr das Innere der Bauteile zu härten. Solche Verfahren re­ duzieren zwar die Abdampfverluste, welche aber durch die hohen Anteile flüchtiger nicht polymerisierter mo­ nomerer Bestandteile der Tränkharze im Innern der Bau­ teile noch immer relativ hoch sind. Wege, die ungleich­ mäßige Tränkmittelverteilung im Bauteil zu beeinflus­ sen, werden in diesen Schriften nicht erwähnt.

EP-A-0 643 467 schlägt vor, zur Verbesserung der Tränk­ mittelverteilung im Bauteil schon während der Tränkung über Spulenheizung eine Vorgelierung und Fixierung des Tränkmittels und eine thermische Härtung zu erhalten. Gleichzeitig mit der thermischen Härtung auf den Wick­ lungen oder aber nach der thermischen Härtung auf den Wicklungen sollen solche Stellen der Bauteile, die durch die Wicklungsheizung nicht erreicht wurden, mit energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Strahlung, ge­ härtet werden.

EP 0 643 467 schlägt weiterhin vor, schon vor Tränkung die Wicklungen zu beheizen, wobei auch soweit geheizt werden kann, daß eine Teilgelierung eintritt und so die Menge des ausfließenden Tränkmittels reduziert wird. Eine definierte Einstellung des Füllgrades ist mit die­ sem Vorgehen aber nur schwer möglich. Eine Vorgelierung des Tränkmittels auf der beheizten Wicklung während der Tränkung bewirkt eine undefinierte Befüllung der Hohl­ räume.

Das Verfahren der Gelierung während der Tränkung ist nur bei absoluter Konstanz der Tränkmitteleigenschaften und aller Verfahrensparameter vorstellbar, bleibt aber immer sehr störanfällig. Schon bei geringen Abweichun­ gen können auch Innenbereiche der Wicklungen durch vor­ geliertes Tränkmittel abgeschirmt werden und dadurch unbefüllt bleiben. Die in EP-A-0 643 467 vorgeschlagene Wicklungsvorheizung, beispielsweise auf 180°C, führt schon beim Eintauchen zu undefinierten Gelierungen auf der heißen Wicklung im zuerst eingetauchten unteren Be­ reich des Bauteils. Bis das Tränkmittel, behindert durch diese Gelierungen, die zuletzt eingetauchten obe­ ren Bereiche des Bauteils erreicht, sind diese schon teilweise abgekühlt und das Tränkmittel wird dort nicht oder nur wenig geliert. Diese Vorgehensweise verstärkt also noch den bei üblichen Tauchtechniken immer zu beobachtenden Effekt der unterschiedlichen Befüllung, beispielsweise zwischen oberem und unterem Wickelkopf. Eine geringere Vorwärmung reduziert zwar die Tränkmit­ teltemperatur in unmittelbarer Nähe der Wicklung und erleichtert dadurch den Tränkvorgang. Sobald jedoch die Vorwärmtemperatur soweit erhöht wird, daß beim Tränken Gelierung erreicht wird, kommt es auch wieder zu einer Ungleichverteilung des Tränkmittels.

Die polymeren Bestandteile bekannter Tränk-, Verguß- und Überzugsmassen für elektrotechnische Bauteile, wie beispielweise Motorwicklungen oder Transformatorwick­ lungen, sind vorzugsweise ungesättigte Polyester, die in vinylisch ungesättigten Verbindungen, wie Styrol, Vinyltoluol, Allylphthalat und monomeren oder oligome­ ren Acryl- oder Vinylestern gelöst sind, welche radika­ lisch (co)polymerisiert werden.

Unter Tränk-, Verguß- und Überzugsmassen werden im all­ gemeinen Harzmassen verstanden, die in der Elektrotech­ nik zur Tränkung von Wicklungen angewendet werden, wo­ bei die allgemein bekannten Verfahren, wie beispiels­ weise die Tauchtränkung, die Träufeltechnik, das Tauchrollieren und das Überfluten, zur Anwendung kom­ men, wobei diese Verfahren gegebenenfalls durch Anwen­ dung von Vakuum und/oder Druck unterstützt werden.

Nachteilig für diese Verfahren nach dem Stand der Tech­ nik sind die ungesättigten Monomeren, die für eine schnelle und vollständige Aushärtung der Massen zwin­ gend notwendig sind. Solche Stoffe sind z. B. monomere oder niedermolekulare oligomerisierte Acrylate, Allyl­ phthalat, Styrol, α-Methylstyrol und Vinyltoluol. Diese Stoffe sind im allgemeinen gesundheitsschädlich und hautreizend.

Bei den bekannten Anwendungen von Tränkmitteln, die diese Stoffen enthalten, treten Abdampfverluste von 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Tränkharz, auf. Solche erheblichen Mengen an verdunsteten Tränkmittelbestand­ teilen müssen von der Arbeitsstelle entfernt werden, um Gesundheitsgefahren für die Beschäftigten zu vermeiden. Die abgesaugten Verdunstungsmengen werden in der Regel in Abluftverbrennungen entsorgt, wobei unerwünschte Emissionen entstehen. Die verbrannten Tränkmittelbe­ standteile stellen auch unter wirtschaftlichen Aspekten erhebliche Verluste dar.

Weitere Probleme ergeben sich bei der Einstellung des optimalen Grades der Ausfüllung der im Bauteil insge­ samt vorhandenen Hohlräume. In der Regel ist aus physi­ kalischen Gründen ein möglichst hoher Füllgrad er­ wünscht, aus Kostengründen ist aber oft ein technisch gerade noch ausreichender Füllgrad erwünscht.

Bei niedrigviskosen Stoffen besteht die Gefahr, daß die Tränkmittel vor der Härtung zu einem nicht definierten Teil aus den Bauteilen aus laufen oder sich sehr un­ gleichmäßige Tränkmittelverteilungen im Bauteil ein­ stellen. Nach den bekannten Verfahren war es bisher nicht möglich, hohe Füllgrade, beispielsweise über 90%, zu verwirklichen.

Auch bei monomerenfreien Tränkharzen, wie sie bei­ spielsweise in der noch nicht veröffentlichten deut­ schen Patentanmeldung P 195 42 564.2 beschrieben sind, und bei Epoxydharzen, bei welchen die Nachteile der flüchtigen Bestandteile nicht auftreten, tritt das Pro­ blem einer unzureichenden Tränkmittelverteilung im Bau­ teil auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst die oben genannten Probleme, indem die Bauteile bei Umgebungstemperatur oder in vorerwärmtem Zustand getränkt werden sowie nach dem Tränken und vor dem Aushärten über Leitung von elektrischem Strom durch die Wicklung bis zur Teilgelierung des Tränkmittels erwärmt werden, wobei die Menge des gelierten Tränkmittels durch Aufheizrate, Endtemperatur und Dauer der Erwärmung gesteuert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, praktisch an jeder Stelle der Bauteile eine weitgehend gleichmäßige Tränkmittelfüllung in beliebi­ gem Füllgrad einzustellen. Die Emission flüchtiger Tränkmittelbestandteile wird in einem bisher nicht er­ reichbaren Maß vermindert und die Wirtschaftlichkeit der Tränkung dadurch gesteigert, daß fast keine Tränk­ mittelverluste auftreten. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren bei Tauchimprägnierungen, bei denen während der Gelierung, die in eingetauchtem Zustand er­ folgt, praktisch keine Monomeren aus der Tauchanlage entweichen können. Weiterhin wird ein großer Teil der flüchtigen Monomeren in der Harzmasse in der unmittel­ baren Umgebung der beheizten inneren Bereiche der Bau­ teile fixiert. Durch Einstellung von Aufheizgeschwindig­ keit, Temperatur und Heizzeit kann dabei ein erwünsch­ ter Füllgrad des Bauteils eingestellt werden.

Bevorzugt kann dieses Verfahren beim Tauchen bei Raum­ temperatur und Spulenheizung mit Stromwärme kurz vor, während oder nach dem Eintauchen, angewandt werden. Es wird zunächst nur wenig erwärmt, um eine schnelle Be­ füllung der inneren Bauteilbereiche zu erhalten, dann wird im Tränkmittel die Temperatur erhöht. Dabei wird nur in der unmittelbaren Umgebung der beheizten Spulen eine Gelierung des Tränkmittels eingeleitet. Die Haupt­ massen von Bauteil und Tränkmittel erwärmen sich nur wenig, so daß beim Austauchen auch nur wenig Abdampfver­ luste auftreten. Nach dem Austauchen, zweckmäßig nach einer Wartezeit, die von Form und Größe des Bauteils und der Viskosität des Tränkmittels abhängt und während der das ungelierte Tränkmittel ablaufen kann, wird die Oberflächen des Bauteils mit energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Licht, bestrahlt. Dadurch kommt es zu einer starken Reduzierung der Weiterverdunstung noch nicht gebundener Monomerer und zu einer Entklebung der Oberfläche, die auch bei den monomerenfreien Tränkmit­ teln, wie sie beispielsweise in der noch nicht veröf­ fentlichten deutschen Patentanmeldung P 195 425 64.2 beschrieben werden, oder bei Epoxydharzen, was für ein problemloses, weiteres Umgehen mit den getränkten Bau­ teilen notwendig ist.

Durch die Beschränkung der Temperatureinwirkung zur Steuerung des Füllgrades, ist das Tränkmittel im Innern der Bauteile in der Regel noch nicht vollständig ausge­ härtet, so daß meist eine thermische Nachhärtung erfor­ derlich wird. Dadurch bedingt, daß bei diesem Prozeß­ schritt die restlichen monomeren Bestandteile der Tränkmittel in den Bauteilen schon weitgehend fixiert und die Bauteiloberflächen entklebt sind, treten dabei nur noch geringe Verdunstungsemissionen auf, auch wenn vor der thermischen Nachhärtung eine Wartezeit einge­ schaltet wird.

Größere Bauteile werden zweckmäßig direkt anschließend, beispielsweise durch weitere Stromzufuhr durch die Wicklung, nachgehärtet, während es bei kleineren Bau­ teilen ist oft vorteilhaft ist, eine Anzahl solcher Bauteile zu sammeln und zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise in einer Wärmekammer auszuhärten.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Gelierung und folgende Härtung durch Infrarotstrah­ lung unterstützt. Hierfür verwendete Infrarotstrahlen­ quellen sind bekannt.

Ein weiter Vorteil des erfindungsgemäße Verfahrens be­ steht darin, daß es auf vorhandenen oder nur geringfü­ gig modifizierten Anlagen durchgeführt werden kann, da seine Durchführung im wesentlichen durch Änderung der Steuerungsparameter und der Verfahrensreihenfolge mög­ lich ist.

Tränkmittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, sind insbesondere die allge­ mein bekannten Tränkmittel auf Basis ungesättigter Po­ lyesterharze, die durch Zubereitung mit ungesättigten Monomeren als Reaktivverdünner radikalisch copolymeri­ sierbar werden. Zweckmäßig auszuwählende Polyester sind dem Fachmann bekannt, ebenso imid- oder amidmodifi­ zierten Polyester, die besonders günstige thermische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Auch die zweckmäßig auszuwählenden Reaktivverdünner sind be­ kannt, wobei insbesondere Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol, Allylester, Vinylester, Vinylether und/oder (Meth)acrylate verwendet werden. Diese Poly­ esterharzzubereitungen können mit dem Fachmann eben­ falls bekannten Initiatoren oder Katalysatoren oder Ka­ talysatorengemischen nach Wunsch thermisch und/oder mit energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Licht, gehärtet werden.

Weitere Tränkmittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, enthalten radika­ lisch polymerisierbare monomere, oligomere und/oder po­ lymere Bestandteile, die auch strahlenhärtbar sind, insbesondere mit UV-Licht.

Auch solche Stoffe und Stoffkombinationen sind dem Fachmann bekannt. Es handelt sich insbesondere um ally­ lisch, vinylisch oder (meth)acrylisch ungesättigte Stoffe und/oder Stoffgemische. Gut geeignet sind z. B. Polyepoxy(meth)acrylate, Polyurethan(meth)acrylate und/oder Polyester(meth)acrylate.

Die Tränkmittel sind teilweise direkt thermisch polyme­ risierbar, indes ist es aber bevorzugt, für eine opti­ male thermische Härtung bei möglichst niedrigen Tempera­ turen Radikalstarter zuzusetzen. Weiterhin werden in der Regel UV-Initiatoren zugesetzt, um eine schnelle UV-Härtung zu gewährleisten.

Weiterhin können die verwendeten Tränkmittel Stabilisa­ toren zur Verbesserung der Lagerstabilität enthalten. Desweiteren können in den Tränkmittel auch ionisch po­ lymerisierbare Stoffe enthalten sein, insbesondere mo­ nomere und/oder oligomere Epoxyde in Verbindung mit thermisch und unter UV-Licht aktivierbaren Initiatoren. Die Auswahl der Stoffe zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens obliegt dem Fachmann, der sie unter Aspekten der technischen Eignung, Verfügbarkeit und/oder Kosten zu treffen hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die Nachteile der Verfahren des bekannten Standes der Technik durch die spezifische Abfolge der schon oben beschriebenen Verfahrensschritte: Teilgelierung bzw. Teilhärtung des Tränkmittels nach der Tränkung, in den getränkten Bau­ teilen schon in der Tränkvorrichtung, gegebenenfalls Ablaufenlassen der nicht gelierten Tränkmittelanteile nach Entnahme aus der Tränkvorrichtung, sowie gegebe­ nenfalls Rückführung dieser abgelaufenen Tränkmittel, gegebenenfalls nach Kühlung, in den Tränkmittelvorrat und abschließender Aushärtung. Diese erfindungsgemäße Ab­ folge ist von großem technischem, ökologischem und öko­ nomischem Nutzen.

In einer besonders bevorzugten Ausführung wird bei Tränktechniken, bei denen die Bauteile ganz oder teil­ weise in die Tränkmittel eingebracht werden, nach dem Einbringen und nachdem die Bauteile das Tränkmittel aufgenommen haben, eine elektrische Aufheizung der Spu­ len bis zur Teilgelierung durchgeführt. Über Schnellig­ keit, Höhe und Dauer dieser Heizung kann, in Abhängig­ keit von der Reaktivität der Tränkmittel der Füllgrad sehr genau und reproduzierbar reguliert werden. Nach dieser Teilhärtung im getauchten Zustand werden die Bauteile aus dem Tränkmittel entnommen und das nicht nicht angelierte Tränkmittel abfließen lassen. In den meisten Fällen kann das abfließende Tränkmittel, gege­ benenfalls nach Kühlung, in das Tränkbad zurückgeführt werden. Auch auf den Außenseiten der Bauteile (Blechpakete), auf denen in der Regel kein oder nur we­ nig Tränkmittel erwünscht ist, kann dabei das anhaften­ de Tränkmittel abfließen, wobei dieser Vorgang durch den allmählich nach außen dringenden Wärmeabfluß der beheizten Bereiche unterstützt wird.

Durch die Teilhärtung des Tränkmittels sind im Bauteil erhebliche Mengen der flüchtigen Tränkmittelbestandtei­ le fixiert und dadurch die Härtungsemissionen mini­ miert.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung veran­ schaulichen.

Beispiele

Die Versuche wurden mit dem kommerziell verfügbaren Tränkmittel Dobeckan FT 200XX® der Firma Dr. Beck & Co. AG durchgeführt.

Die zu tränkenden Bauteile waren Statoren von Großserienelektromotoren der Baugröße IEC 96, deren Wickelköpfe in einem Spritzgußteil aus Polyamidthermo­ plast fixiert sind.

Beurteilt werden

• - Harzaufnahme, durch Wiegen des Bauteils vor Tränkung und nach Härtung und Nachhärtung,
• - Abtropfverluste die wegen Angelierung nicht mehr rückführbar sind, durch Wiegen des bei der Härtung abtropfenden angelierten Tränkmittels,
• - Abdampfverluste bei der Härtung, durch Wiegen des Bauteils vor und nach der Härtung, abzüglich der Ab­ tropfverluste.

Vergleichsbeispiel 1 (VB 1)

Bauteil und Tränkmittel haben Raumtemperatur von 26°C. Das Bauteil wird mit 35 mm/Minute eingetaucht, nach 1 Minute mit der gleichen Geschwindigkeit wieder ausge­ taucht und 20 Minuten über dem Tauchbad abtropfen las­ sen. Danach wird der Stator in einem Ofen 2 Stunden bei 140°C gehärtet.

Beispiel 1 (B1)

Bauteil und Tränkmittel haben Raumtemperatur von 26°C. Das Bauteil wird mit 35 mm/Minute eingetaucht, die Wicklung wird im Tauchbecken in 30 Sekunden auf 160°C geheizt und 1 Minute bei dieser Temperatur gehalten, dann wird mit der gleichen Geschwindigkeit wieder aus­ getaucht und über dem Becken 20 Minuten abtropfen las­ sen. Das rückfließende Material ist erkennbar unge­ liert, nach 20 Minuten tropft fast nichts mehr ab und in beiden Wickelköpfen ist augenscheinlich erkennbar eine gute Füllung vorhanden. Danach wird der Stator in einem Ofen 2 Stunden bei 140°C gehärtet.

Beispiel 2 (B2)

Es wird wie bei Beispiel 1 verfahren, aber im einge­ tauchten Zustand nur 30 Sekunden bei 160°C gehalten. Auch hier ist in beiden Wickelköpfen augenscheinlich erkennbar eine gute, aber geringere Füllung als bei B1 vorhanden, die weiteren Beobachtungen decken sich mit B1.

Beispiel 3 (B3)

Es wird wie bei Beispiel 1 verfahren, aber im einge­ tauchten Zustand 2 Minuten bei 160°C gehalten. Hier ist in beiden Wickelköpfen augenscheinlich erkennbar eine sehr gute, und deutlich höhere Füllung als bei B1 vor­ handen, die weiteren Beobachtungen decken sich mit B1 und B2, wobei Abdampf- und Nachhärtungsverluste auf Grund der sehr viel höheren Harzaufnahme auch etwas hö­ her als bei B1 und B2 sind.

Die Statoren wurden zersägt um die Füllung beurteilen zu können. Das Bauteil laut B3 zeigt dabei eine fast vollständige Füllung von Nut und Wicklung, wobei ca. 150 bis 160 g Harzaufnahme die maximal mögliche Harz­ aufnahme darstellen. Eine solch hohe Harzaufnahme bei so geringen Abtropf-, und Abdampfverlusten sind nach den Verfahren des Standes der Technik bisher nicht er­ reichbar. Weiter ist es möglich, bei weitgehend gleich­ bleibenden geringen Verlusten, die Harzaufnahme z. B. aus Kostengründen, auf jeden gewünschten Füllgrad ein­ zustellen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Tränkung von Bauteilen, die Wicklun­ gen aus elektrisch leitfähigen Materialien enthal­ ten, mit polymerisierbaren Tränkmitteln, die bei Raumtemperatur flüssig oder durch Erwärmen verflüs­ sigbar und durch Wärme und/oder energiereicher Strahlung härtbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile bei Umge­ bungstemperatur oder in vorerwärmtem Zustand getränkt werden sowie nach dem Tränken und vor dem Aushärten über Leitung von elektrischem Strom durch die Wicklung bis zur Teilgelierung des Tränkmittels erwärmt werden, wobei die Menge des gelierten Tränkmittels durch Aufheizrate, Endtemperatur und Dauer der Erwärmung gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkung durch Tauchen, Fluten, Vakuum­ tränken, Vakuumdrucktränken oder Träufeln erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Gelierung der gewünschten Tränkmittelmenge die Bauteile aus dem Tränkmittel entnommen werden, ungeliertes Tränkmit­ tel ablaufen lassen wird, welches gegebenenfalls gekühlt und zurückgeführt wird, und daß die Bau­ teile danach gehärtet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Erwärmung durch Strom Infrarotstrahlung vor, gleichzeitig mit oder nach dem Aushärten als weitere Art der Ener­ giezufuhr angewandt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten durch An­ legen von elektrischem Strom erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile beim Auf­ bringen des Tränkmittels eingetaucht in das Tränk­ mittel, durch Stromzufuhr zunächst auf eine Tempe­ ratur erwärmt werden, bei der an den Wicklungen eine Viskositätsabsenkung der Harzmasse eintritt und solchermaßen eine schnelle Tränkung erfolgt und hiernach durch weitere Stromzufuhr die Temperatur in den Wicklungen bis zur Gelierung der Harzmasse in der Umgebung der beheizten Spulen erhöht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gelierung der Harzmasse in der Umgebung der beheizten Spulen die Aufheizung solchermaßen erfolgt, daß die nicht von Strom durchflossenen Bereiche der Bauteile nur eine Temperatur erreichen, bei der das Tränkmittel noch nicht geliert.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuerung der Zeit und Temperatur während der Gelierung der Harz­ masse in der Umgebung der beheizten Spule die ins­ gesamt aufgenommene Menge des Tränkmittels eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als die Tränkmittel als polymerisierbare Bestandteile ungesättigte Poly­ esterharze sowie gegebenenfalls radikalisch copoly­ merisierbare Monomere und Härtungskatalysatoren enthalten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkmittel monome­ renfrei sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkmittel minde­ stens eine Komponente aus der Gruppe Acylphosphin­ oxyde, C-C-labile Stoffe, Peroxyde, Azoverbindun­ gen, Hydrochinone, Chinone, Alkylphenole und/oder Alkylphenolether enthalten.