EP0939963B1 - Verfahren zur tränkung von bauteilen - Google Patents

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EP0939963B1
EP0939963B1 EP97951185A EP97951185A EP0939963B1 EP 0939963 B1 EP0939963 B1 EP 0939963B1 EP 97951185 A EP97951185 A EP 97951185A EP 97951185 A EP97951185 A EP 97951185A EP 0939963 B1 EP0939963 B1 EP 0939963B1
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EP
European Patent Office
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process according
impregnation
impregnant
components
radiation
Prior art date
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EP97951185A
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EP0939963A1 (de
Inventor
Klaus-Wilhelm Lienert
Rainer Blum
Günter HEGEMANN
Manfred Eichhorst
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Altana Electrical Insulation GmbH
Original Assignee
Beck & Co AG Dr
Drbeck & Co AG
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Publication date
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Publication of EP0939963A1 publication Critical patent/EP0939963A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0939963B1 publication Critical patent/EP0939963B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/12—Insulating of windings
    • H01F41/127—Encapsulating or impregnating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/18—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by dipping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D3/0209—Multistage baking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D3/0493—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to gases using vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating

Definitions

  • the invention relates to a method for impregnating Components with polymerizable masses that work at room temperature liquid or liquefiable by heating are and through a combined application of heat and high-energy radiation are curable.
  • DE-A-40 22 235 and DD-A-295 056 propose after impregnation of the component with UV rays harden the surfaces and then by applying heat harden the interior of the components. Reduce such procedures Although the evaporation losses, but by the high proportions of volatile, unpolymerized monomers still relatively high inside the components are. Ways that the uneven distribution of impregnating agents in the To influence component, are in these writings not mentioned.
  • EP-A-0 643 467 suggests that in order to improve the distribution of the impregnating agent in the component, pre-gelling and fixing of the impregnating agent and thermal curing are obtained during the impregnation via coil heating. At the same time as the thermal hardening on the windings or after the thermal hardening on the windings, those parts of the components which were not reached by the winding heating should be hardened with high-energy, preferably UV radiation.
  • a disadvantage of this method is that with the heating, only a partial hardening is carried out thermally via the windings and that the hardening is then carried out with blasting.
  • EP-A-0 643 467 A procedure also proposed by EP-A-0 643 467 to harden with high-energy rays after the thermal hardening does not seem to make much technical sense, since such hardening after a thermal hardening of the parts of the component not reached in the first step of the partial hardening, regardless of this there are no discernible advantages, whether it was caused by a sufficiently long current heating of the winding or other application of heat.
  • EP-A-0 643 4.67 does not contain any teaching on the use of the method in the generally claimed techniques for impregnation.
  • Pre-gelling by winding heating during the impregnation is not sensible because the cavities are filled indefinitely.
  • Preheating the windings to lower the viscosity and thus to accelerate the filling is known prior art, for example in the various immersion and flooding processes in which the components are heated in order to achieve a reduction in viscosity and thus better and faster filling. Heating to gelation during impregnation does the opposite, namely an undefined filling of the cavities due to gelation.
  • the polymeric components of known impregnating, casting and coating compositions for electrical components are preferably unsaturated polyesters which are dissolved in vinylically unsaturated compounds, such as styrene, vinyl toluene, allyl phthalate and monomeric or oligomeric acrylic or vinyl esters, which are free radicals ( co) be polymerized.
  • Impregnating, casting and coating compositions are generally understood to be resin compositions which are used in electrical engineering for impregnating windings, the generally known processes, such as, for example, immersion impregnation, trickling technology, dip rolling and flooding being used, where these processes may be supported by the application of vacuum and / or pressure.
  • Impregnating agent to an undefined part before hardening leak from the components or become very uneven Set impregnation agent distributions in the component. So far, it has not been by any of the known methods possible, high filling levels, for example over 90% realize.
  • a method described in the present application solves the above-mentioned problems by partially gelling or partially hardening the soaked components in the soaking agent, then allowing the non-gelling portions of the soaking agent to run off, possibly returning these expired soaking agents, if necessary after cooling them, into the soaking agent supply, detacking the component surfaces with high-energy radiation and final thermal curing.
  • the method according to claim it is possible for the first time to set a largely uniform impregnating agent filling of any filling level practically at any point of the components. The emission of volatile impregnant components is reduced in such a way that there is almost no loss of impregnant.
  • This method is particularly advantageous in the case of immersion impregnation techniques in which virtually no monomers can escape from the immersion system during the partial hardening, which takes place in the immersed state. Furthermore, a large part of volatile monomers is fixed in the resin mass in the immediate vicinity of the heated inner areas of the components.
  • This method can preferably be used when diving at room temperature and coil heating with electricity shortly before, during or after immersion. First, only a little warming is carried out in order to quickly fill the inner component areas, then the temperature is increased in the impregnating agent. Gelling of the impregnant is initiated only in the immediate vicinity of the heated coils.
  • the main masses of the component and the impregnating agent heat up only slightly, so that there are only a few evaporation losses when they are removed.
  • a waiting time which depends on the shape and size of the component and the viscosity of the impregnating agent and during which the ungelled impregnating agent can run off and is preferably returned to the impregnating agent supply after cooling, the surfaces of the components with high-energy radiation are preferred UV light, irradiated.
  • Another advantage of the method according to the invention is that it is based on existing or only slightly modified systems can be carried out can, since its implementation is essentially through Change the control parameters and the Sequence of procedures is possible.
  • Polyesters to be selected are expedient known to the person skilled in the art, likewise imide- or amide-modified Polyester, the particularly cheap thermal and have mechanical properties.
  • Appropriate reactive diluents are known where in particular styrene, ⁇ -methylstyrene, Vinyl toluene, allyl esters, vinyl esters, vinyl ethers and / or (meth) acrylates can be used.
  • These polyester resin preparations can also with the expert known initiators or catalysts or catalyst mixtures thermally and / or with high energy Radiation, preferably UV light, can be cured.
  • Further impregnating agents with which the process according to the invention can be carried out contain free-radically polymerizable monomeric, oligomeric and / or polymeric substances which are also radiation-curable, in particular with UV light.
  • Such substances and combinations of substances are also generally known to the person skilled in the art.
  • they are allylic, vinyl or (meth) acrylic unsaturated substances and / or mixtures of substances.
  • polyepoxy (meth) acrylates, polyurethane (meth) acrylates and / or polyester (meth) acrylates are particularly suitable.
  • Some of the drinking agents are directly thermally polymerizable, but it is preferred to add free radical initiators for optimal thermal curing at the lowest possible temperatures.
  • UV initiators are usually added to ensure rapid UV curing.
  • the impregnating agents used can furthermore contain stabilizers to improve the storage stability.
  • the impregnating agents can also contain ionically polymerizable substances, in particular monomeric and / or oligomeric epoxides in conjunction with initiators which can be activated thermally and under UV light.
  • the method according to the invention avoids the disadvantages the methods of the known prior art the specific combination of its procedural steps, that impregnation agent distribution and degree of filling by controlled Heating of the components after the impregnation, still in the Impregnation device until gelation and impregnation fixation be regulated that the drip losses are minimized by letting the non-gelled run out Impregnant content after removal from the impregnation device, that if necessary these expired Impregnant, if necessary after cooling, in the impregnant stock that the evaporation losses on the component surface and a surface stickiness eliminated by using high-energy radiation and that then a complete thermal Post hardening until optimal functions of the Impregnating agent.
  • This sequence according to the invention is of great technical, ecological and economic Use.
  • the coils are electrically heated until partial gelation occurs.
  • the degree of filling can be regulated very precisely and reproducibly via the speed, amount and duration of this heating.
  • the adhering impregnating agent can flow away, this process being supported by the gradually escaping heat flow from the heated areas.
  • the surfaces of the components are sealed by the action of high-energy radiation, preferably UV radiation. Volatile constituents of the impregnating agent are largely fixed in the component by the pre-gelation and on the surface by the radiation. In the subsequent thermal curing, only minimal emissions occur.
  • Components were stators of large series electric motors of size IEC 96, whose winding heads in an injection molded part made of polyamide thermoplastic.
  • the component and impregnating agent have a room temperature of 26 ° C.
  • the component is immersed at 35 mm / minute, after 1 Minute at the same speed, Drain 20 minutes over the immersion bath, then hardened in an oven at 140 ° C for 1 hour, after weighed the cooling and then at 2 hours Post-cured at 140 ° C.
  • the stator is electrically heated to a winding temperature in 2 minutes heated from 60 ° C, thereby the sheet stack approx. 32 ° C and the plastic parts of the winding heads become warm at approx. 28 ° C. It is carried out in accordance with VB 1 submerged, held submerged for 10 seconds, submerged and drained over the drinking bowl for 5 minutes. Then the winding with electricity in 2 minutes heated to 150 ° C and held for 8 minutes. Nice when heating and within the first 3 minutes At 150 ° C a lot of partially gelled impregnating agent comes out of the stator that can no longer be returned. To heating is allowed to cool 5 minutes and then exposed according to the implementation in VB 2.
  • the component and impregnating agent have a room temperature of 26 ° C.
  • the component is immersed at 35 mm / minute Winding is in the plunge pool to 160 ° C in 30 seconds heated and held for 1 minute, then with the same Speed dived again and above that Let the pool drain for 20 minutes.
  • the backflow Material is evidently ungelled, according to Almost nothing drips for 20 minutes, and in both Apparently, winding heads are a good one Filling available.
  • the stator is carried out according to the exposed in VB 2 with UV light, kick only a few drops of losses. After exposure the winding is heated to 180 ° C using electricity and held for 10 minutes. There are no dripping losses more on.
  • the laminated core becomes approx.
  • Example 1 (B1), but immersed in Condition only held for 30 seconds. Here too is in both winding heads are clearly recognizable a good but less filling than with B1, which further observations coincide with B1.
  • Example 1 (B1), but immersed in Condition held for 2 minutes.
  • both Winding heads obviously recognizable a very good and significantly higher filling than B1 further observations coincide with B1 and B2, whereby Evaporation and post-curing losses due to the very much higher resin absorption also slightly higher than with B1 and B2 are.
  • the stators were sawn to assess the fill to be able to.
  • the components according to examples B3 and B4 show a perfect filling of slot and winding, i.e. approx. 150-160 g are the maximum possible Resin absorption. Resin uptake of about 100% filling level are no other state-of-the-art method reachable. The draining, evaporating and post-curing losses are in a likewise not yet reached Dimensions small. It is also possible to largely constant low losses the resin absorption for cost reasons, for example, to any desired Fill level.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tränkung von Bauteilen mit polymerisierbaren Massen, die bei Raumtemperatur flüssig oder durch Erwärmen verflüssigbar sind und die durch eine kombinierte Anwendung von Wärme und energiereicher Strahlung härtbar sind.
Verfahren zur Tränkung von Bauteilen 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 reduzieren zwar die Abdampfverluste, die aber durch die hohen Anteile flüchtiger, nicht polymerisierter Monomeren im Innern der Bauteile noch immer relativ hoch sind. Wege, die ungleichmäßige Tränkmittelverteilung im Bauteil zu beeinflussen, werden in diesen Schriften nicht erwähnt.
EP-A-0 643 467 schlägt vor, zur Verbesserung der Tränkmittelverteilung 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 Wicklungen oder aber nach der thermischen Härtung auf den Wicklungen sollen solche Stellen der Bauteile, die durch die Wicklungsheizung nicht erreicht wurden, mit energiereicher, bevorzugt UV-Strahlung, gehärtet werden.
Ein Nachteil dieses Verfahren liegt darin, daß mit Heizung über die Wicklungen thermisch nur eine Teilhärtung durchgeführt wird und daß die Aushärtung danach mit Strahlen erfolgt. Da alle bekannten Bauteile Stellen aufweisen, die bei einer thermischen Teilhärtung nicht erreicht werden und bei einer Nachhärtung mit Strahlen im abgeschatteten Bereich liegen, weisen Bauteile, die nach EP-A-0 643 467 behandelt wurden, immer Bereiche auf, an denen das Tränkmittel nur unzureichend gehärtet ist. Aus diesen Bereichen kommt es dann zu unerwünschten Emissionen und das Tränkmittel kann dort seine Funktionen nur unzureichend erfüllen.
Eine ebenfalls von EP-A-0 643 467 vorgeschlagene Vorgehensweise, nach der thermischen Härtung mit energiereichen Strahlen zu härten, erscheint technisch wenig sinnvoll, da eine solche Härtung nach einer thermischen Durchhärtung der im ersten Schritt der Teilhärtung nicht erreichten Stellen des Bauteils, unabhängig davon ob sie durch eine ausreichens lange Stromheizung der Wicklung oder sonstige Aufbringung von Wärme erfolgte, keine erkennbaren Vorteile bringt.
Desweiteren enthält EP-A-0 643 4.67 keine Lehre zur Anwendung des Verfahrens bei den allgemein beanspruchten Techniken zur Tränkung. So ist eine Vorgelierung durch Wicklungsheizung während der Tränkung nicht sinnvoll, weil die Füllung der Hohlräume undefinierbar erfolgt. Eine Vorheizung der Wicklungen zur Erniedrigung der Viskosität und damit zur Beschleunigung der Befüllung ist bekannter Stand der Technik, z.B. bei den verschiedenen Tauch- und Flutverfahren, bei denen die Bauteile erwärmt werden, um eine Viskositätserniedrigung und somit bessere und schnellere Befüllung zu erreichen. Ein Erwärmen bis zur Gelierung während der Tränkung bewirkt das Gegenteil, nämlich eine gelierungsbedingte undefinierter Füllung der Hohlräume.
Der Vorgang einer Gelierung während der Tränkung ist nur bei absoluter Konstanz der Tränkmitteleigenschaften und aller Verfahrensparameter vorstellbar, bleibt aber immer sehr störanfällig. Schon bei geringen Abweichungen können auch Innenbereiche der Wicklungen durch vorgeliertes 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 und starker Ungleichverteilung der Tränkmittel im Bauteil. Eine geringere Vorwärmung reduziert zwar die Tränkmitteltemperatur 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 zur Ungleichverteilung.
Die polymeren Bestandteile bekannter Tränk-, Vergußund Überzugsmassen für elektrotechnische Bauteile, wie beispielsweise Motorwicklungen oder Transformatorwicklungen, sind vorzugsweise ungesättigte Polyester, die in vinylisch ungesättigten Verbindungen, wie Styrol, Vinyltoluol, Allylphthalat und monomeren oder oligomeren Acryl- oder Vinylestern gelöst sind, welche radikalisch (co)polymerisiert werden.
Unter Tränk-, Verguß- und Überzugsmassen werden im allgemeinen Harzmassen verstanden, die in der Elektrotechnik zur Tränkung von Wicklungen angewendet werden, wobei die allgemein bekannten Verfahren, wie beispielsweise die Tauchtränkung, die Träufeltechnik, das Tauchrollieren und das Überfluten, zur Anwendung kommen, wobei diese Verfahren gegebenenfalls durch Anwendung von Vakuum und/oder Druck unterstützt werden.
Nachteile dieser Verfahren nach dem Stand der Technik ergeben sich aus den ungesättigten Monomeren, die für eine schnelle und vollständige Aushärtung der Massen zwingen notwendig sind. Solche Stoffe sind z.B. monomere oder niedermolekular oligomerisierte Acrylate, Allylphthalat, Styrol, α-Methylstyrol und Vinyltoluol. Diese Stoffe sind gesundheitsschädlich und hautreizend.
Bei bekannten Anwendungen von Tränkmitteln mit diesen Stoffen treten Abdampfverlusten von 20 bis 30 Gew.-% auf. Solche erheblichen Mengen an verdunsteten Tränkmittelbestandteilen 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 Tränkmittelbestandteile stellen auch unter wirtschaftlichen Aspekten erhebliche Verluste dar.
Weitere Probleme ergeben sich bei der Einstellung des optimalen Grades der Ausfüllung der im Bauteil insgesamt vorhandenen Hohlräume. In der Regel ist aus physikalischen Gründen ein möglichst hoher Füllgrad erwünscht, aus Kostengründen ist aber oft ein technisch gerade noch ausreichender Füllgrad erwünscht.
Bei niedrigviskosen Stoffen besteht die Gefahr, daß die Tränkmittel zu einem undefinierten Teil vor der Härtung aus den Bauteilen auslaufen oder sich sehr ungleichmäßige Tränkmittelverteilungen im Bauteil einstellen. Nach keinem der bekannten Verfahren war es bisher möglich, hohe Füllgrade, beispielsweise über 90%, zu verwirklichen.
Auch bei monomerenfreien Tränkharzen, wie sie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldungen P 195 42 564.2 beschrieben sind, und bei Epoxydharzen, bei welchen die Nachteile der flüchtigen Monomeren nicht auftreten, tritt das Problem einer unzureichenden Tränkmittelverteilung im Bauteil auf.
Ein in der vorliegenden Anmeldung dargestelltes Verfahren löst die oben genannten Probleme durch eine Teilgelierung bzw. Teilhärtung der getränkten Bauteile schon im Tränkmittel, nachfolgendem Ablaufen-lassen der nicht gelierten Tränkmittelanteile, gegebenenfalls Rückführung dieser abgelaufenen Tränkmittel, gegebenenfalls nach deren Kühlung, in den Tränkmittelvorrat, Entklebung der Bauteiloberflächen mit energiereicher Strahlung und abschließender thermischer Aushärtung.
Mit dem Verfahren gemäß Anspruch, ist es erstmals möglich, praktisch an jeder Stelle der Bauteile eine weitgehend gleichmäßige Tränkmittelfüllung in beliebigem Füllgrad einzustellen. Die Emission flüchtiger Tränkmittelbestandteile wird solchermaßen vermindert, daß fast keine Tränkmittelverluste auftreten. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren bei Tauchimprägniertechniken, bei denen während der Teilhärtung, die in eingetauchtem Zustand erfolgt, praktisch keine Monomeren aus der Tauchanlage entweichen können. Weiter wird ein großer Teil flüchtiger Monomerer in der Harzmasse in der unmittelbaren Umgebung der beheizten inneren Bereiche der Bauteile fixiert. Durch Einstellung von Aufheizgeschwindigkeit, Temperatur und Heizzeit kann dabei ein erwünschter Füllgrad des Bauteils eingestellt werden.
Bevorzugt kann dieses Verfahren beim Tauchen bei Raumtemperatur und Spulenheizung mit Stromwärme kurz vor, während oder nach dem Eintauchen, angewandt werden. Es wird zunächst nur wenig erwärmt, um eine schnelle Befüllung 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 Hauptmassen von Bauteil und Tränkmittel erwärmen sich nur wenig, sodaß beim Austauchen auch nur wenig Abdampfverluste 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 und bevorzugt nach Kühlung in den Tränkmittelvorrat rückgeführt wird, werden die Oberflächen der Bauteile 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 monomerenfreien Tränkmitteln, beispielsweise mit Dicyclopentadien-Bausteinen, wie sie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 195 425 64.2 beschrieben werden, oder bei Epoxydharzen, für ein problemloses, weiteres Umgehen mit den getränkten Bauteilen notwendig ist.
Durch die Beschränkung der Temperatureinwirkung zur Steuerung des Füllgrades, ist das Tränkmittel im Innern der Bauteile in der Regel noch nicht vollständig ausgehärtet, so daß meistens eine thermische Nachhärtung erforderlich ist. Dadurch bedingt, daß bei diesem Prozeßschritt in den Bauteilen die Restmonomeren schon weitgehend fixiert und die Bauteiloberflächen entklebt sind, treten dabei nur noch geringe Verdunstungsemissionen auf, auch wenn vor der thermischen Nachhärtung eine Wartezeit eingeschaltet wird.
Größere Bauteile werden zweckmäßig direkt anschließend beispielsweise durch weitere Stromzufuhr auf die Wicklung nachgehärtet, während es bei kleineren Bauteilen oft vorteilhaft ist, eine Anzahl zu sammeln und zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise in einer Wärmekammer auszuhärten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäße Verfahrens besteht darin, daß es auf vorhandenen oder nur geringfügig modifizierten Anlagen durchgeführt werden kann, da seine Durchführung im wesentlichen durch Änderung der Steuerungsparameter und der Verfahrensreihenfolge möglich ist.
Tränkmittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, sind insbesondere die allgemein bekannten Tränkmittel auf Basis ungesättigter Polyesterharze, die durch Zubereitung mit ungesättigten Monomeren als Reaktivverdünner radikalisch copolymerisierbar werden. Zweckmäßig auszuwählende Polyester sind dem Fachmann bekannt, ebenso imid- oder amidmodifizierten Polyester, die besonders günstige thermische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Auch die zweckmäßig auszuwählenden Reaktiwerdünner sind bekannt, wobei insbesondere Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol, Allylester, Vinylester, Vinylether und/oder (Meth)acrylate verwendet werden. Diese Polyesterharzzubereitungen können mit dem Fachmann ebenfalls bekannten Initiatoren oder Katalysatoren oder Katalysatorengemischen thermisch und/oder mit energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Licht, gehärtet werden.
Weitere Tränkmittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, enthalten radikalisch polymerisierbare monomere, oligomere und/oder polymere Stoffe, die auch strahlenhärtbar sind, insbesondere mit UV-Licht.
Auch solche Stoffe und Stoffkombinationen sind dem Fachmann allgemein bekannt. Es handelt sich insbesondere um allylisch, vinylisch oder (meth)acrylisch ungesattigte Stoffe und/oder Stoffgemische. Gut geeignet sind z.B. Polyepoxy(meth)acrylate, Polyurethan(meth)acrylate und/oder Polyester(meth)acrylate. Die Trankmittel sind teilweise direkt thermisch polymerisierbar, indes ist es aber bevorzugt, für eine optimale thermische Härtung bei möglicht niedrigen Temperaturen Radikalstarter zuzusetzen. Weiterhin werden in der Regel UV-Initiatoren zugesetzt, um eine schnelle UV-Härtung zu gewährleisten.
Weiterhin können die eingesetzten Tränkmittel Stabilisatoren zur Verbesserung der Lagerstabilität enthalten. Desweiteren-können in den Tränkmitteln auch ionisch polymerisierbare Stoffe enthalten sein, insbesondere monomere und/oder oligomere Epoxyde in Verbindung mit thermisch und unter UV-Licht aktivierbaren Initiatoren. Die Auswahl der Stoffe zur Durchführung des erfindungsgemäße 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 Kombination seiner Verfahrensschritte, daß Tränkmittelverteilung und Füllgrad durch gesteuerte Heizung der Bauteile nach der Tränkung, noch in der Tränkvorrichtung, bis zur Gelierung und Tränkmittelfixierung reguliert werden, daß die Abtropfverluste minimiert werden durch Ablaufenlassen der nicht gelierten Tränkmittelanteile nach Entnahme aus der Tränkvorrichtung, daß gegebenenfalls diese abgelaufenen Tränkmittel, gegebenenfalls nach Kühlung, in den Tränkmittelvorrat rückgeführt werden, daß die Abdampfverluste an der Bauteiloberfläche und eine Oberflächenklebrigkeit durch Anwendung energiereicher Strahlung beseitigt werden und daß dann eine vollständige thermische Nachhärtung bis zum Erreichen optimaler Funktionen des Tränkmittels erfolgt. Diese erfindungsgemäße Abfolge ist von großem technischem, ökologischem und ökonomischem Nutzen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird bei Tränktechniken, bei denen die Bauteile ganz oder teilweise in die Tränkmittel eingebracht werden, nach dem Einbringen und nachdem die Bauteile das Tränkmittel aufgenommen haben, eine elektrische Aufheizung der Spulen bis zur Teilgelierung durchgeführt. Über Schnelligkeit, Höhe und Dauer dieser Heizung kann, in Abhängigkeit 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, gegebenenfalls nach Kühlung, in das Tränkbad zurückgeführt werden. Auch auf den Außenseiten der Bauteile (Blechpakete), auf denen in der Regel kein oder nur wenig Tränkmittel erwünscht ist, kann dabei das anhaftende Tränkmittel abfließen, wobei dieser Vorgang durch den allmählich nach außen dringenden Wärmeabfluß der beheizten Bereiche unterstützt wird.
Durch Einwirken von energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Strahlung, werden die Oberflächen der Bauteile versiegelt. Flüchtige Bestandteile des Tränkmittels sind im Bauteil durch die Vorgelierung und an der Oberfläche durch die Bestrahlung weitgehend fixiert. Beim nachfolgenden thermischen Aushärten treten nur noch minimale Emissionen auf.
Folgende Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen.
Beispiele
Die Versuche wurden mit dem kommerziell verfügbaren Tränkmittel Dobeckan FT 2006/350 UV ® durchgeführt, das sowohl thermisch als auch mit UV-Licht härtbar ist.
Bauteile waren Statoren von Großserienelektromotoren der Baugröße IEC 96, deren Wickelköpfe in einem Spritzgußteil aus Polyamidthermoplast fixiert sind.
Beurteilt werden
  • Harzaufnahme, durch Wiegen des Bauteils vor Tränkung und nach Härtung,
  • Abtropfverluste die wegen Angelierung nichtmehr 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 Abtropfverluste,
  • nach der Härtung durch Nachhärtung noch abdampfbares Reststyrol (bzw. weiterer nicht gebundener Tränkmittelbestandteile) durch Wiegen des Bauteils vor und nach der Nachhärtung (Nachhärtungsverluste).
Vergleichsbeispiel 1 (VB 1)
Bauteil und Tränkmittel haben Raumtemperatur von 26°C. Das Bauteile wird mit 35 mm/Minute eingetaucht, nach 1 Minute mit der gleichen Geschwindigkeit wieder ausgetaucht, 20 Minuten über dem Tauchbad abtropfen lassen, dann in einem Ofen 1 Stunde bei 140°C gehärtet, nach dem Abkühlen gewogen und anschließend 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet.
Vergleichsbeispiel 2 (gemäß Beispiel 1 in EP-A-0 643 467) (VB 2)
Es wird gemäß der Durchführung in VB1 getränkt, nach dem Abtropfen wird die Wicklung über Strom in 2 Minuten auf 150°C geheizt. Vor dem Aufheizen war das Abtropfen weitgehend zum Stillstand gekommen, beim Aufheizen tritt sofort wieder viel Tränkmittel aus, das zum Teil angeliert ist und nicht wieder zurückgeführt werden kann. Es wird 10 Minuten bei 150°C Wicklungstemperatur nachgeheizt, dabei wird das Blechpaket ca. 80°C und die Kunststoffteile der Wickelköpfe werden ca. 45°C warm. Blechpaket und Wickelköpfe sind noch klebrig. Danach wird die Wicklungsheizung abgeschaltet und der Stator in einer UV-Lichtkammer mit mehreren Quecksilbermitteldruckbrennern mit einem Energiemaximum bei ca. 365 nm Wellenlänge und einer Bestrahlungsenergie von ca. 8 mJ/cm2 für 5 Minuten bestrahlt. Danach ist die Oberfläche weitgehend klebfrei, abgeschattete, aber der Berührung noch zugängliche Bereiche des Bauteils sind noch leicht klebrig. Das Bauteil wird gewogen, abkühlen gelassen und am nächsten Tag weiter 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet, dabei verschwindet die Restklebrigkeit und durch Wiegen können die Nachhärtungsverluste bestimmt werden.
Vergleichsbeispiel 3 (VB 3)
Es wird gemäß der Durchführung in VB2 verfahren, aber nach dem Austauchen nicht abtropfen lassen, sondern sofort mit Strom geheizt. Auch dabei ist das austretende Tränkmittel fast sofort angeliert und eine Rückführung nicht möglich. Die Gesamtverluste sind höher als in VB2, der Füllgrad ist besser, die Nachhärtungsverluste sind etwa gleich.
Vergleichsbeispiel 4 (gemäß Beispiel 2 in EP-A-O 643 467) (VB4)
Der Stator wird elektrisch in 2 Minuten auf eine Wicklungstemperatur von 60°C erwärmt, dabei wird das Blechpaket ca. 32°C und die Kunststoffteile der Wickelköpfe werden ca. 28°C warm. Es wird gemäß der Durchführung in VB 1 getaucht, 10 Sekunden getaucht gehalten, ausgetaucht und über dem Tränkbecken 5 Minuten abtropfen gelassen. Dann wird die Wicklung mit Strom in 2 Minuten auf 150°C erwärmt und 8 Minuten dabei gehalten. Schon beim Heizen und innerhalb der ersten 3 Minuten bei 150°C tritt viel teilgeliertes Tränkmittel aus dem Stator aus, das nicht mehr rückgeführt werden kann. Nach dem Heizen wird 5 Minuten abkühlen gelassen und dann gemäß der Durchführung in VB 2 belichtet. Danach ist die Oberfläche weitgehend klebfrei; dagegen sind abgeschattete, aber der Berührung noch zugängliche, Bereiche des Bauteils noch leicht klebrig. Das Bauteil wird gewogen, abkühlen lassen und am nächsten Tag weitere 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet, dabei verschwindet die Restklebrigkeit und durch Wiegen könne die Nachhärtungsverluste bestimmt werden.
Vergleichsbeispiel 5 (gemäß Beispiel 3 in EP-A-0 643 467) (VB 5)
Es wird gemäß der Durchführung in VB 4 verfahren, der Stator wird aber vor der Tränkung im Ofen auf 60°C erwärmt. Die Beobachtungen beim Härten und Nachhärten sind die gleichen wie in VB 4, mit dem Unterschied, daß die Abtropfverluste etwas geringer sind, da aus dem gleichmäßiger erwärmten Bauteil schon beim Abtropfen etwas mehr ungeschädigtes Tränkmittel in das Tauchbad zurückgeflossen ist; die Harzaufnahme ist aus dem gleichen Grund etwas schlechter.
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 gehalten, dann wird mit der gleichen Geschwindigkeit wieder ausgetaucht und über dem Becken 20 Minuten abtropfen gelassen. Das rückfließende Material ist augenscheinlich erkennbar ungeliert, nach 20 Minuten tropft fast nichts mehr ab, und in beiden Wickelköpfen ist augenscheinlich erkennbar eine gute Füllung vorhanden. Nun wird der Stator gemäß der Durchführung in VB 2 mit UV-Licht belichtet, dabei treten nur noch einige Tropfen Verluste auf. Nach der Belichtung wird die Wicklung über Stromwärme auf 180°C erwärmt und 10 Minuten gehalten. Dabei treten keine Abtropfverluste mehr auf. Das Blechpaket wird ca. 100°C und die Kunststoffteile der Wickelköpfe werden ca. 85°C warm. Blechpaket und Wickelköpfe sind klebfrei, auch in abgeschatteten Bereichen des Bauteils ist manuell keine Klebrigkeit mehr bemerkbar. Nach Abkühlen über Nacht wird am nächsten Tag weitere 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet.
Beispiel 2 (B2)
Es wird gemäß Beispiel 1 (B1) verfahren, aber im eingetauchten Zustand nur 30 Sek. 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 gemäß Beispiel 1 (B1) verfahren, aber im eingetauchten Zustand 2 Minuten gehalten. Hier ist in beiden Wickelköpfen augenscheinlich erkennbar eine sehr gute, und deutlich höhere Füllung als bei B1 vorhanden, die weiteren Beobachtungen decken sich mit B1 und B2, wobei Abdampf- und Nachhärtungsverluste auf Grund der sehr viel höheren Harzaufnahme auch etwas höher als bei B1 und B2 sind.
Beispiel 4 (B4)
Es wird gemäß Beispiel 3 (B3) verfahren, aber nach der UV-Härtung im Ofen zunächst 1 Stunde bei 120°C und dann weitere 2 Stunden bei 130°C gehärtet. Nach Abkühlen über Nacht wird am nächsten Tag weitere 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet.
Beispiel Nummer Abtropfverlust (g) Abdampfverlust (g) Harzaufnahme (g) Reststyrol (g)
VB1 24 12 50 3
VB2 38 16 68 6
VB3 132 18 106 6
VB4 51 12 76 7
VB5 34 10 58 5
B1 1,8 9 140 7
B2 2,4 7 82 4
B3 1,6 11 156 10
B4 2 8 163 6
Die Statoren wurden zersägt um die Füllung beurteilen zu können. Die Bauteile gemäß den Beispielen B3 und B4 zeigen dabei eine perfekte Füllung von Nut und Wicklung, d.h. ca. 150-160 g sind die maximal mögliche Harzaufnahme. Harzaufnahmen von ca 100% Füllgrad sind mit keinem anderen Verfahren nach dem Stand der Technik erreichbar. Die Abtropf-, Abdampf- und Nachhärtungsverluste sind dabei in einem ebenfalls bisher nicht erreichten Maße gering. Weiter ist es möglich, bei weitgehend gleichbleibenden geringen Verlusten die Harzaufnahme beispielsweise aus Kostengründen, auf jeden gewünschten Füllgrad einzustellen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Tränkung von Bauteilen mit polymerisierbaren Tränkmitteln, die bei Raumtemperatur flüssig oder durch Erwärmen verflüssigbar sind und durch eine kombinierte Anwendung von Wärme und energiereicher Strahlung gehärtet werden, wobei
    die Bauteile bei Umgebungstemperatur oder in vorerwärmtem Zustand getränkt und nach dem Tränken im Tränkmittel bis zur Teilgelierung erwärmt werden, vor dem Aushärten mit energiereicher Strahlung behandelt und danach thermisch vollständig ausgehärtet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
    die Tränkung durch Tauchen, Fluten, Vakuumtränken, Vakuumdrucktränken oder Träufeln erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
    die Tränkung durch Tauchen, Fluten, Vakuumtränken oder Vakuumdrucktränken erfolgt und elektrisch leitende Wicklungen der durchgetränkten Bauteile im Tränkmittel durch Anlegen von Strom soweit erhitzt werden, daß eine gewünschte Tränkmittelmenge geliert und fixiert wird, weiter, daß nach dieser Gelierung das Bauteil aus dem Tränkmittel entnommen wird, ungeliertes Tränkmittel ablaufen lassen wird, welches gegebenenfalls gekühlt und zurückgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    UV-, Infrarot- und/oder Elektronenstrahlung als energiereiche Strahlung verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
    Infrarotstrahlung auch vor, gleichzeitig mit oder nach dem Härten durch eine andere Art der Energiezufuhr angewandt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
    die Bauteile Wicklungen aus elektrisch leitfähigem Material aufweisen und daß das Erwärmen durch Anlegen von elektrischem Strom an diese Wicklungen erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
    zwischen der Tränkung und der Bestrahlung eine Pause von 10 bis 1200 Sekunden eingelegt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
    die polymerisierbaren Tränkmittel monomere oder vorpolymerisierte Stoffe oder Mischungen aus monomeren und vorpolymerisierten Stoffen enthalten, die radikalisch, ionisch, durch Wasserstoffübertragung, durch Polyaddition, Polykondensation, Cyclokondensation und/oder Diels-Alders-Kondensation polymerisierbar sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
    Bauteile, die elektrische leitfähige Wicklungen enthalten, bei welchen eine Erwärmung über Stromzufuhr möglich ist, vor Aufbringen der Harzmasse beim Träufeln und Fluten oder beim Vakuumtränken, Vakuumdrucktränken und Tauchen eingetaucht in die Harzmasse, durch Stromzufuhr zunächst auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der an den Wicklungen eine Viskositätsabsenkung der Harzmasse eintritt und somit eine schnelle Tränkung erfolgt und daß danach durch weitere Stromzufuhr eine Gelierung oder Teilhärtung der Harzmasse in der Umgebung der beheizten Spule herbeigeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei
    durch Steuerung der Zeit und Temperatur der Erwärmung an der elektrisch leitfähigen Wicklung während der Gelierung bzw. Teilhärtung des Tränkmittels die Viskosität des Tränkmittels in der Umgebung der beheizten Spule solchermaßen eingestellt wird, daß Füllgrade zwischen 5% und 100% erzielt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei
    die polymerisierbaren Tränkmittel Epoxydharze sowie Katalysatoren oder Katalysatorenmischungen enthalten, die eine Polymerisation sowohl durch Wärme als auch durch Strahlung auslösen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei
    die polymerisierbaren Tränkmittel ungesättigte Polyesterharze, die gegebenenfalls mit copolymerisierbaren Stoffen, wie Styrol, α-Methylstyrol, Allyethern, Allylestern, Vinylethern, Vinylestern, Acrylestern, kombiniert sind, und Katalysatoren enthalten, die eine Polymerisation sowohl durch Wärme als auch durch Strahlung auslösen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
    die polymerisierbaren Tränkmittel Dicyclopentadien-Bausteine sowie Katalysatoren oder Katalysatorenmischungen enthalten, die eine Polymerisation sowohl durch Wärme als auch durch Strahlung auslösen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei
    die Tränkmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe Acylphosphinoxyde, C-C-labile Stoffe, Peroxyde, Azoverbindungen, Hydrochinone, Chinone, Alkylphenole und/oder Alkylphenolether enthalten.
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