EP4523318A1 - Bestimmen eines aushärtungsverlaufs einer elektrischen isolationsschicht - Google Patents

Bestimmen eines aushärtungsverlaufs einer elektrischen isolationsschicht

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EP4523318A1
EP4523318A1 EP23739136.2A EP23739136A EP4523318A1 EP 4523318 A1 EP4523318 A1 EP 4523318A1 EP 23739136 A EP23739136 A EP 23739136A EP 4523318 A1 EP4523318 A1 EP 4523318A1
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EP
European Patent Office
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insulation material
curing
reaction
electrical
product
Prior art date
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Pending
Application number
EP23739136.2A
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English (en)
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Inventor
Jürgen Huber
Tobias Katzenberger
Bastian PLOCHMANN
Dieter Schirm
Matthias ÜBLER
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Innomotics GmbH
Original Assignee
Innomotics GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4523318A1 publication Critical patent/EP4523318A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K15/12—Impregnating, moulding insulation, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a curing process, applying an electrical insulation layer made of an insulation material in the liquid state, and a method for applying the insulation material to an electrical product, preferably to an electrical cooling system.
  • Such a process is used, for example, when impregnating rotors and stators of electric motors.
  • the impregnation process which is often carried out in the form of immersion impregnation and subsequent hot air oven hardening, is a major cost factor in production in terms of investment costs, maintenance, cycle times, production space requirements, etc.
  • the optimization potential can be found in material consumption, the curing temperature/time (energy costs, C02) and in automation.
  • the invention is based on the object of improving the hardening of the insulation material.
  • the method for determining a curing process when applying an electrical insulation layer made of an insulation material in the liquid state to an electrical product, in particular to an electrical winding system comprises the steps:
  • reaction model of the insulation material which outputs the curing process of the insulation material based on a temperature curve as an input variable and is modeled on the basis of measured reaction enthalpies of the insulation material for at least two, preferably at least four different heating rates and
  • the electrical winding system can also be used as coils for other applications, e.g. B. Magnetic field coils in magnetic resonance imaging or HF coils concern.
  • the curing process can be a process normalized to 1 with respect to a complete enthalpy of curing of the respective insulation material and is plotted over time.
  • the heating rates are temperature gradients used in the measurements.
  • heating rates of 0 K/min, i.e. sotherms can also be used here.
  • the reaction model interpolates the enthalpies or the reaction rates for temperature gradients that are different from the heating rates used in the measurements. In this way, the reaction model can indicate a progress in curing for all temperature increases that occur during application and curing. A temperature gradient can therefore be determined for each magazine, which means that the reaction model can indicate progress in the curing process.
  • the measured reaction enthalpies are measured using dynamic differential calorimetry of the insulation material.
  • the DSC signals measured in this way can be integrated to determine the enthalpy of reaction at the respective heating rate.
  • a reaction course for the insulation material can then be specified.
  • complete cross-linking is the highest possible degree of cross-linking due to the potential free reaction partners present, including steric hindrance (i.e. free monomers, due to insufficient diffusion possibility and too large distances to potential reaction partners).
  • the heating rates are in the range from 0.1 K/min to 10 K/min.
  • heating rates in the range from 0.25 K/min to 8 K/min are advantageous, as this ensures coverage of the temperature increases that usually occur during curing.
  • the reaction model is modeled on the basis of measured reaction enthalpies at at least four different heating rates.
  • reaction rate curves of the curing are determined based on reaction enthalpies of the insulation material.
  • the reaction rate curves can be determined, for example, by normalizing the DSC signal to a complete enthalpy of the curing reaction.
  • the curing processes are determined by integrating the reaction rate curves.
  • the reaction model is modeled on the basis of the Arrhenius equation. It is particularly advantageous if a value that is variable over the course of the hardening and not a constant is used for the activation energy E A in the Arrhenius equation.
  • the temperature profile is a measured temperature profile of an electrical product, in particular a temperature profile measured with a thermocouple in an electrical winding system. This means that a temperature curve can be provided easily and efficiently. The thermocouple can often remain in the winding system after the insulation material has been applied. The curing process could even be calculated in real time. It is often sufficient if the curing process is determined once for the respective insulation material and the electrical product if many similar products are manufactured.
  • determining the curing process using the reaction model includes determining a gel point.
  • the gel point can be applied to the curing process and determined, for example, by rheological measurements.
  • the gel point or gelling point is characterized by a defined increase in viscosity and can be determined at the intersection of storage and loss modulus in rheological measurements.
  • the advantage of taking the gel point into account is that the insulation material adheres better to the electrical product and no longer flows away. Subsequent steps (e.g. removing it from the bathroom) can be timed more precisely. It is also possible to define a viscosity threshold that is different from the gel point and must be exceeded if the next process step is to be carried out.
  • the insulation material is a resin, preferably a liquid reactive resin, in particular epoxy resin, unsaturated polyester or polyesterimide.
  • the reaction model can also be used to determine the curing processes of multi-component resins (e.g. amine-curing epoxy resins, polyurethanes with isocyanate), which are mixed immediately before application to the electrical product.
  • multi-component resins e.g. amine-curing epoxy resins, polyurethanes with isocyanate
  • the object is further achieved by a method for applying an electrical insulation layer made of an insulation material in the liquid state to an electrical product, in particular to an electrical winding system, comprising the steps:
  • thermocouple positioned in or on the electrical product can be carried out, but is generally not necessary for every product.
  • the curing can be carried out with the supply of external heating energy.
  • the threshold value of the curing process i.e. a degree of curing from which curing can be completed, can be, for example, 80%.
  • the termination of the curing is the termination of the active curing with the supply of external heating energy.
  • the insulation material can then e.g. B. Under the influence of the remaining residual heat in the product, it can still be completely post-hardened; it is not necessary to remain in the system.
  • the application involves immersing the electronic product in a bath of the insulating material in the liquid state.
  • the electrical product itself e.g. B. be heated by energizing the winding system.
  • the application involves sprinkling the electronic product with the insulating material in the liquid state.
  • the application can make sense to only look at the temperature curve once a certain amount of insulation material has been applied by sprinkling.
  • FIG. 1 shows schematically a method for applying an insulation material to an electrical winding system
  • FIG 3 DSC measurements of an insulation material at different heating rates
  • FIG. 7 shows a curing process determined using a reaction model for two different insulation materials.
  • 1 shows schematically a method for applying an insulating material 40 in the liquid state to an electrical winding system 25, which are designed here as stator windings of an electric motor.
  • the stator or The winding system 25 is arranged on a carrier 30 for transport through a production plant.
  • a step S30 shows schematically a preheating of the winding system 25 outside the insulation material with a temperature curve TPRE or to a temperature TPRE.
  • a step S40 shows an immersion of the winding system in an immersion bath that is filled with liquid insulation material 40.
  • the electrical winding system 25 can continue to be energized and heated.
  • a step S50 shows a hardening of the insulation material 40 under the influence of a temperature profile TCURE. This can be provided by a furnace in addition or as an alternative to energizing the winding system 25.
  • UV curing is now carried out using UV radiation. This has the advantage that the insulation material hardens well on the surface and is no longer sticky. UV curing is optional.
  • FIG. 2 shows an example of a temperature profile TC during the application and curing of an insulation material, for example as shown in FIG. 1, which the insulation material approximates to the electrical product, e.g. B. on the winding system 25.
  • a first temperature TO results from the temperature of the product when the liquid insulation material is applied and the temperature of the insulation material when it is applied.
  • the temperature T0 When immersed in the liquid insulation material 40, for example: B. the temperature T0. Heating up to The second temperature TI can, on the one hand, be caused by thermal inertia of the electrical winding system and, on the other hand, can occur due to additional heating of the winding system.
  • the temperature curve T40 describes the curve that the resin experiences directly on the product when it is applied.
  • Another area shows the temperature curve TCURE during curing, for example in the oven.
  • a final TUV area shows a temperature curve during UV irradiation, which primarily ensures high surface hardening while the product is still heated to the final temperature T2. Afterwards, cooling occurs and the insulation material continues to harden.
  • DSC measurements differential calorimetry of an insulation material at different heating rates, in this case at 0.25 K/min, 0.5 K/min, 1 K/min, 2 K/min, 4 K/min and 8 K/min.
  • a heat flow in mW is plotted against the temperature.
  • the DSC measurement compares the standardized sample mass in a sample vessel filled with the insulation material used compared to a similar empty sample vessel, i.e. a difference in heat flow is shown.
  • An integration below a baseline B provides a specific enthalpy for the respective reactions.
  • Such analyzes can be carried out using commercially available programs for DSC measuring devices.
  • the advancing enthalpy is a measure of the progress of the reaction, each based on one of the heating rates.
  • reaction rates rl,...,r6 determined from the DSC measurements in 1/s of the insulation measured in FIG. materials, again applied over the temperature.
  • the reaction rates rl,..., 6 result from the enthalpy for the complete reaction (also complete enthalpy) and the currently determined enthalpy for the respective point in time or here temperature point.
  • the complete enthalpy can, for example, be set in FIG. 3 in such a way that there is no longer any change with respect to the baseline B.
  • Reaction rate rl was determined at a heating rate of 0.25 K/min, reaction rate r2 at 0.5 K/min, reaction rate r3 at 1 K/min, reaction rate r4 at 2 K/min, reaction rate r5 at 4 K/min and Reaction rate r6 at 8 K/min.
  • the heating rates are only examples and can be selected according to the insulation material used.
  • FIG. 5 shows reaction progress integrated from the reaction rates, which can be determined by integrating the curves from FIG. 4. This creates an absolute reaction progress standardized to 1 over the temperature. In this case, the progress of the reaction is the degree of curing.
  • the reaction progress is assigned as follows analogous to FIG. 4: Reaction progress pl was determined at a heating rate of 0.25 K/min, reaction progress p2 at 0.5 K/min, reaction progress p3 at 1 K/min, reaction progress p4 at 2 K/min, reaction progress p5 at 4 K/min and reaction progress p6 at 8 K/min.
  • FIGS. 4 and 5 now shows how the data shown in FIGS. 4 and 5 are converted into a model by an isoconversion analysis (also isoconversional kinetic analysis) and the reaction progress or the curing process is determined even for temperature changes that do not correspond to the heating rates.
  • isoconversion analysis also isoconversional kinetic analysis
  • reaction rates rl,...,r6, as shown in Fig. 4 are shown on a scale of 1000/temperature in 1000/K over the reaction rate (1/s).
  • the actual reaction model is represented by the lines sl,...,sn,
  • An approach based on the Arrhenius equation with variable activation energy is preferably used for modeling.
  • the model assumption here is that the curing reaction is only influenced by the temperature profile. UV hardening of the surface is not modeled - but it improves the surface quality of the insulation layer.
  • the isoconversion analysis can be carried out, for example, according to Friedman or Ozawa-Flynn-Wall.
  • the activation energy values are adjusted using differential or integrating methods.
  • the differential isoconversion methods are based on the Arrhenius equation.
  • the straight lines sl,...,sn interpolate the reaction rates for each degree of hardening and thus the reaction parameters such as the activation energy for the areas lying between the curves rl,...,r6. It has been shown that a very high level of accuracy can be achieved in determining the curing process for heating rates or temperature changes that were not measured.
  • FIG. 7 shows a curing process determined using a reaction model for two different insulation materials with the same temperature curve TC.
  • a first, original insulation material (a resin) was cured with a first curing curve Eq. It can be seen that despite the long duration and high temperature, complete hardening does not occur.
  • Another second insulation material can undergo a second curing process C2 at the same temperature profile TC and is already completely hardened approximately halfway through the curing process in the TCURE area (eg in the oven). Accordingly, the second insulation material can be cured significantly faster and more energy-efficiently.
  • An optimization of the temperature curve - for example shortening it or using a lower maximum temperature would be advantageously possible.
  • the invention relates to a method for determining a curing process (C1, C2) when applying an electrical insulation layer made of an insulation material (40) in the liquid state to an electrical product, in particular to an electrical winding system (25).
  • a curing process C1, C2
  • an electrical insulation layer made of an insulation material 40
  • an electrical winding system 25
  • reaction model of the insulation material which outputs the curing process of the insulation material based on a temperature curve as an input variable and models it based on measured enthalpies of reaction (hl,...,h6) of the insulation material (40) at at least two, preferably at least four, different heating rates is and
  • the invention further relates to a method for applying the insulation material (40) to an electrical product, preferably to an electrical winding system (25).
  • DSC1 DSCn DSC signal hl,...,hn specific enthalpy in J/g rl,...,r6 reaction rate pl,...,p6 degree of hardening

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Aushärtungsverlaufs (C1,C2) beim Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht aus einem Isolationsmaterial (40) im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Produkt, insbesondere auf ein elektrisches Wicklungssystem (25). Um das Aushärten des Isolationsmaterials zu verbessern werden die Schritte vorgeschlagen: - Bereitstellen eines Temperaturverlaufs (TC), den das elektrische Produkt beim Aufbringen und Aushärten der Isolationsschicht durchläuft, - Bereitstellen eines Reaktionsmodells des Isolationsmaterials, das den Aushärtungsverlauf des Isolationsmaterials auf Basis eines Temperaturverlaufs als Eingangsgröße ausgibt und auf Basis von gemessenen Reaktionsenthalpien (h1,...,h6) des Isolationsmaterials (40) bei zumindest zwei, vorzugsweise zumindest vier, verschiedene Heizraten modelliert ist und - Ermitteln des Aushärtungsverlaufs (C1,C2) durch das Reaktionsmodel mit dem Temperaturverlauf (TC). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen des Isolationsmaterials (40) auf ein elektrisches Produkt, vorzugweise auf ein elektrisches Wicklungssystem (25).

Description

Beschreibung
Bestimmen eines Aushärtungsverlaufs einer elektrischen I solationsschicht
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Ermitteln eines Aushärtungsverlaufs , Aufbringen einer elektrischen I solationsschicht aus einem I solationsmaterial im flüssigen Zustand sowie ein Verfahren zum Aufbringen des I solationsmaterials auf ein elektrisches Produkt , vorzugweise auf ein elektrisches Wie klungs system .
Ein derartiges Verfahren kommt beispielsweise beim Imprägnieren von Rotoren und Statoren von Elektromotoren zum Einsatz . Insbesondere der Imprägniervorgang, welcher oftmals in Form einer Tauchimprägnierung sowie einer anschließenden Heißluftofen-Härtung realisiert wird ist ein großer Kostenfaktor in der Fertigung hinsichtlich der Investmentkosten, Wartung, Taktzeiten, Fertigungsplatzbedarf , usw . Hier sind die Optimierungspotentiale zum einen im Materialverbrauch, der Härtungstemperatur / - zeit (Energiekosten, C02 ) sowie in der Automatisierung zu finden .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , das Aushärten des Isolationsmaterials zu verbessern .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst . Das Verfahren zum Ermitteln eines Aushärtungsverlaufs beim Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht aus einem I solationsmaterial im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Produkt , insbesondere auf ein elektrisches Wicklungssystem, umfasst die Schritte :
- Bereitstellen eines Temperaturverlaufs , den das elektrische Produkt beim Aufbringen und Aushärten der I solationsschicht durchläuft ,
- Bereitstellen eines Reaktionsmodells des I solationsmaterials , das den Aushärtungsverlauf des I solationsmaterials auf Basis eines Temperaturverlaufs als Eingangsgröße ausgibt und auf Basis von gemessenen Reaktionsenthalpien des I solationsmaterials für zumindest zwei , vorzugweise zumindest vier verschiedene Hei zraten modelliert ist und
- Ermitteln des Aushärtungsverlaufs durch das Reaktionsmodel mit dem Temperaturverlauf .
Das elektrische Wicklungssystem kann dabei neben Wicklungen in Elektromotoren, also Statoren oder Rotoren, auch Spulen für weitere Anwendungen z . B . Magnetfeldspulen in der Magnetresonanztomographie oder HF Spulen betref fen .
Der Aushärtungsverlauf kann ein auf 1 normierter Verlauf bezüglich einer vollständigen Enthalpie der Aushärtung des j eweiligen I solationsmaterials sein und wird über die Zeit angetragen . Die Hei zraten sind Temperatursteigungen, die bei den Messungen verwendet werden . Als Spezial fall können hier auch Hei zraten von 0 K/Min, also I sothermen verwendet werden .
Das Reaktionsmodell interpoliert die Enthalpien bzw . die Reaktionsraten für Temperatursteigungen, die von den Hei zraten verschieden sind, die bei den Messungen verwendet wurden . So kann das Reaktionsmodell für alle im Rahmen des Aufbringens und Aushärtens auftretenden Temperatursteigungen einen Fortschritt der Aushärtung ausgeben . Es kann also für j eden Zeitschrift eine Steigung der Temperatur ermittelt werden, wodurch das Reaktionsmodells einen Fortschritt im Aushärtungsverlauf ausgeben kann .
In einer weiteren Aus führungs form werden die gemessenen Reaktionsenthalpien mittels dynamischer Di f ferenzkalorimetrie des Isolationsmaterials gemessen . Es müssen so vorteilhaft nur wenige Proben des I solationsmaterial vermessen werden, um das Modell zu Parametrieren . Die so gemessenen DSC Signale können integriert werden, um die Reaktionsenthalpie bei der j eweiligen Hei zrate zu bestimmen . Auf Basis einer vollständigen Reaktionsenthalpie , die bei einer vollständigen Vernetzung des Isolationsmaterials auftritt , kann dann ein Reaktionsverlauf für das I solationsmaterial angegeben werden . In anderen Wor- ten ist die vollständige Vernetzung der höchstmögliche Vernetzungsgrad aufgrund der potenziell vorhandenen freien Reaktionspartner unter Einbeziehung von sterischer Hinderung ( also freibleibende Monomere , aufgrund zu geringer Di f fusionsmöglichkeit und zu großen Abständen zu potenziellen Reaktionspartnern) .
In einer weiteren Aus führungs form liegen die Hei zraten im Bereich von 0 , 1 K/min bis 10 K/min . Insbesondere hat sich herausgestellt , dass Hei zraten im Bereich von 0 , 25 K/min bis 8 K/min vorteilhaft sind, da so eine Abdeckung der bei der Aushärtung üblicherweise auftretenden Temperatursteigungen gewährleistet ist .
In einer weiteren Aus führungs form ist das Reaktionsmodel auf Basis von gemessenen Reaktionsenthalpien bei zumindest vier verschiedenen Hei zraten modelliert . Um die Interpolation für Reaktionsenthalpien für Temperatursteigungen zu verbessern, die von den vermessenen Hei zraten verschieden sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen Messungen ( z . B . DSC Messungen) des I solationsmaterials bei zumindest vier verschiedenen Hei zraten durchzuführen .
In einer weiteren Aus führungs form werden zum Modellieren des Reaktionsmodells Reaktionsratenverläufe der Aushärtung auf Basis von Reaktionsenthalpien des I solationsmaterials bestimmt . Die Reaktionsratenverläufe können dabei beispielsweise durch Normierung des DSC Signals auf eine vollständige Enthalpie der Aushärtungsreaktion ermittelt werden . Weiterhin werden durch Integration der Reaktionsratenverläufe die Aushärtungsverläufe bestimmt .
In einer weiteren Aus führungs form ist das Reaktionsmodell auf Basis der Arrhenius-Gleichung modelliert . Besonders vorteilhaft ist es , wenn für die Aktivierungsenergie EA in der Arrhenius-Gleichung ein über den Härtungsverlauf hinweg variabler Wert und keine Konstante verwendet wird . In einer weiteren Aus führungs form ist der Temperaturverlauf ein gemessener Temperaturverlauf eines elektrischen Produkts , insbesondere ein mit einem Thermoelement in einem elektrischen Wicklungssystem gemessener Temperaturverlauf . So kann ein Temperaturverlauf einfach und ef fi zient bereitgestellt werden . Oftmals kann das Thermoelement nach dem Aufbringen des I solationsmaterials im Wicklungssystem verbleiben . Der Aushärtungsverlauf könnte dabei sogar in Echtzeit mitgerechnet werden . Oftmals ist es ausreichend, wenn der Aushärtungsverlauf einmalig für das j eweilige I solationsmaterial und das elektrische Produkt bestimmt wird, wenn viele gleichartige Produkte gefertigt werden .
In einer weiteren Aus führungs form ist der Temperaturverlauf ein Soll-Temperaturverlauf eines elektrischen Produkts . Der Soll-Temperaturverlauf kann dabei ein Temperaturverlauf sein, der vorgegeben ist und in der Anlage eingehalten wird . So kann überprüft werden, ob der Temperaturverlauf zuverlässig zu einer ausreichenden Aushärtung des I solationsmaterials führt .
In einer weiteren Aus führungs form umfasst das Ermitteln des Aushärtungsverlaufs durch das Reaktionsmodell ein Ermitteln eines Gelpunkts . Der Gelpunkt kann dabei auf den Aushärtungsverlauf aufgetragen werden und beispielsweise durch rheologische Messungen ermittelt werden . Der Gelpunkt oder auch Gelierpunkt ist dabei durch eine definierte Viskositätserhöhung gekennzeichnet und kann an der Kreuzung von Speicher- und Verlustmodul bei den rheologischen Messungen ermittelt werden . Der Vorteil der Berücksichtigung des Gelpunktes ist , dass das I solationsmaterial so bereits besser am elektrischen Produkt haftet und nicht mehr abfließt . Entsprechend darauffolgende Schritte ( z . B . das Herausnehmen aus dem Bad) können so genauer getaktet werden . Es ist auch möglich, dass ein vom Gelpunkt verschiedener Viskositätsschwellwert definiert wird, der überschritten werden muss , wenn der nächste Prozessschritt durchgeführt werden soll . In einer weiteren Aus führungs form ist das I solationsmaterial ein Harz , vorzugsweise ein flüssiges Reaktivharz , insbesondere Epoxidharz , ungesättigte Polyester oder Polyesterimid .
Auch Aushärtungsverläufe von Mehrkomponentenharzen ( z . B . ami- nisch härtende Epoxidharze , Polyurethane mit I socyanat ) , die unmittelbar vor dem Aufbringen auf das elektrische Produkt gemischt werden, können mit dem Reaktionsmodell bestimmt werden .
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Aufbringen einer elektrischen I solationsschicht aus einem Isolationsmaterial im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Produkt , insbesondere auf ein elektrisches Wicklungssystem, umfassend die Schritte :
- Bereitstellen des elektrischen Produkts ,
- Bereitstellen des I solationsmaterials im flüssigen Zustand,
- Aufbringen des I solationsmaterials auf das Produkt ,
- Aushärten des I solationsmaterials ,
- Bereitstellen eines Temperaturverlaufs , den das elektrische Produkt beim Aufbringen und Aushärten der I solationsschicht durchläuft und
- Beenden des Aushärtens wenn ein mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelter Aushärtungsverlauf einen Schwellwert überschreitet .
Ein Messen des Temperaturverlaufs durch ein in oder auf dem elektrischen Produkt positionierten Thermoelement kann durchgeführt werden, ist aber in der Regel nicht für j edes Produkt notwendig .
Das Aushärten kann dabei unter Zuführung von externer Heizenergie durchgeführt werden .
Der Schwellwert des Aushärtungsverlaufes , also ein Aushärtungsgrad ab dem das Aushärten beendet werden kann, kann dabei beispielsweise 80% betragen . Das Beenden des Aushärtens ist dabei das Beenden des aktiven Aushärtens unter Zuführung von externer Hei zenergie . Das I solationsmaterial kann dann z . B . unter Einfluss der verbleibenden Restwärme im Produkt noch vollständig nachhärten, ein Verbleib in der Anlage ist dazu nicht nötig .
In einer weiteren Aus führungs form ist das Aufbringen ein Eintauchen des elektronischen Produkts in ein Bad des I solationsmaterials im flüssigen Zustand . Im Bad kann das elektrische Produkt selbst , z . B . durch bestromen des Wicklungssystems , gehei zt werden .
In einer weiteren Aus führungs form ist das Aufbringen ein Beträufeln des elektronischen Produkts mit dem I solationsmaterial im flüssigen Zustand . Hier kann es sinnvoll sein, den Temperaturverlauf erst ab einer gewissen Menge des I solationsmaterials , das durch Beträufeln aufgebracht wurde , zu betrachten .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen :
FIG 1 schematisch ein Verfahren zum Aufbringen eines I solationsmaterials auf ein elektrisches Wicklungssystem,
FIG 2 beispielhaft einen Temperaturverlauf beim Aufbringen und Aushärten,
FIG 3 DSC Messungen eines I solationsmaterials bei unterschiedlichen Hei zraten,
FIG 4 aus den DSC Messungen ermittelte Reaktionsraten des in FIG 3 vermessenen I solationsmaterials ,
FIG 5 aus den Reaktionsraten integrierte Reaktions fortschritte ,
FIG 6 eine schematische Darstellung des Reaktionsmodells für das I solationsmaterial und
FIG 7 ein mittels j e eines Reaktionsmodells für zwei voneinander verschiedene I solationsmaterialen ermittelter Aushärtungsverlauf . FIG 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Aufbringen eines Isolationsmaterials 40 im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Wicklungssystem 25 , die hier als Stator-Wicklungen eines Elektromotors ausgebildet sind . Der Stator bzw . das Wicklungssystem 25 ist dabei auf einem Träger 30 zum Transport durch eine Fertigungsanlage angeordnet .
Ein Schritt S30 zeigt schematisch ein Vorhei zen des Wicklungssystems 25 außerhalb des I solationsmaterial mit einem Temperaturverlauf TPRE bzw . auf eine Temperatur TPRE .
Ein Schritt S40 zeigt ein Eintauchen des Wicklungssystems in ein Tauchbad, das mit flüssigem I solationsmaterial 40 gefüllt ist . Bei Eintauchen kann das elektrische Wicklungssystem 25 weiter bestromt und gehei zt werden .
Ein Schritt S50 zeigt ein Aushärten des I solationsmaterials 40 unter Einwirkung eines Temperaturverlaufs TCURE . Dieser kann durch einen Ofen ergänzend oder alternativ zum bestromen des Wicklungssystems 25 bereitgestellt werden .
In einem Schritt S 60 wird nun ein UV-Härten durch UV- Strahlung UV durchgeführt . Dies hat den Vorteil , dass das Isolationsmaterial so auch an der Oberfläche gut aushärtet und nicht mehr klebrig ist . Das UV-Aushärten ist dabei optional .
FIG 2 zeigt beispielhaft einen Temperaturverlauf TC beim Aufbringen und Aushärten eines I solationsmaterials , beispielsweise wie in FIG 1 gezeigt , den das I solationsmaterial näherungsweise am elektrischen Produkt , z . B . am Wicklungssystem 25 , erfährt .
Eine erste Temperatur TO ergibt sich aus der Temperatur des Produkts beim Aufbringen des flüssigen I solationsmaterials und der Temperatur des I solationsmaterials beim Aufbringen . Beim Eintauchen in das flüssige I solationsmaterial 40 stellt sich also z . B . die Temperatur T0 ein . Das Aufhei zen bis zur zweiten Temperatur TI kann einerseits durch eine thermische Trägheit des elektrischen Wicklungssystems bedingt sein, andererseits durch zusätzliches Aufheizen des Wicklungssystems eintreten. Der Temperaturverlauf T40 beschreibt den Verlauf, den das Harz direkt am Produkt noch beim Aufbringen erfährt. Ein weiterer Bereich zeigt den Temperaturverlauf TCURE beim Aushärten, bspw. im Ofen. Ein finaler Bereich TUV zeigt einen Temperaturverlauf während einer UV-Bestrahlung, die vor allem für eine hohe Oberflächenaushärtung sorgt, während das Produkt noch bis zur Endtemperatur T2 beheizt wird. Danach tritt ein Abkühlen ein und das Isolationsmaterial härtet noch nach.
Es ist nun mit der Erfindung möglich einen Aushärtungsverlauf für ein solches Temperaturprofil TC zu ermitteln, auch wenn es unterschiedliche Steigungen aufweist, die nicht den Heizraten entsprechen.
FIG 3 zeigt DSC-Messungen (dynamische Differenzkalorimetrie) eines Isolationsmaterials jeweils bei unterschiedlichen Heizraten, in diesem Fall bei 0,25 K/min, 0,5 K/min, 1 K/min, 2 K/min, 4 K/min und 8 K/min. Hier wird ein Wärmefluss in mW über die Temperatur aufgetragen. Die DSC Messung vergleicht dabei pro genormter Probenmasse in einem mit dem verwendeten Isolationsmaterial gefüllten Probengefäß, im Vergleich zu einem gleichartigen leeren Probengefäß, d.h. es wird eine Differenz des Wärmeflusses dargestellt.
Eine Integration unterhalb einer Basislinie B liefert eine spezifische Enthalpie für die jeweiligen Reaktionen. Derartige Analysen können mit handelsüblichen Programmen für DSC Messgeräte durchgeführt werden.
Die fortschreitende Enthalpie ist dabei ein Maß für den Fortschritt der Reaktion, jeweils bezogen auf eine der Heizraten.
FIG 4 zeigt nach Korrektur von Offset und in entgegengesetzte Richtung angetragen aus den DSC Messungen ermittelte Reaktionsraten rl,...,r6 in 1/s des in FIG 3 vermessenen Isolations- materials, wieder über die Temperatur angetragen. Die Reaktionsraten rl,..., 6 ergeben sich aus der Enthalpie für die vollständige Reaktion (auch vollständige Enthalpie) und der aktuell ermittelten Enthalpie für den jeweiligen Zeitpunkt bzw. hier Temperaturpunkt. Die vollständige Enthalpie kann beispielsweise in FIG 3 so festgelegt sein, dass hier bzgl. der Basislinie B keine Änderung mehr stattfindet.
Reaktionsrate rl wurde dabei bei einer Heizrate von 0,25 K/min ermittelt, Reaktionsrate r2 bei 0,5 K/min, Reaktionsrate r3 bei 1 K/min, Reaktionsrate r4 bei 2 K/min, Reaktionsrate r5 bei 4 K/min und Reaktionsrate r6 bei 8 K/min. Die Heizraten sind dabei nur beispielhaft und können entsprechend dem verwendeten Isolationsmaterial gewählt werden.
FIG 5 zeigt aus den Reaktionsraten integrierte Reaktionsfortschritte, die durch Integration der Kurven aus FIG 4 ermittelt werden können. So entsteht ein absolut auf 1 normierter Reaktionsfortschritt über die Temperatur. Der Reaktionsfortschritt ist in diesem Fall der Aushärtungsgrad. Die Reaktionsfortschritte sind dabei analog zu FIG 4 wie folgt zugewiesen: Reaktionsfortschritt pl wurde dabei bei einer Heizrate von 0,25 K/min ermittelt, Reaktionsfortschritt p2 bei 0,5 K/min, Reaktionsfortschritt p3 bei 1 K/min, Reaktionsfortschritt p4 bei 2 K/min, Reaktionsfortschritt p5 bei 4 K/min und Reaktionsfortschritt p6 bei 8 K/min.
FIG 6 zeigt nun wie die in FIG 4 und 5 gezeigten Daten durch eine Isokonversionsanalyse (auch Isoconversional Kinetic Analysis) in ein Modell überführt werden und der Reaktionsfortschritt bzw. der Aushärtungsverlauf auch für Temperaturänderungen, die nicht mit den Heizraten übereinstimmen, ermittelt werden .
Dargestellt sind in einer Skala von 1000/Temperatur in 1000/K über In der Reaktionsrate (1/s) zunächst die Reaktionsraten rl,...,r6, wie sie in Fig 4 gezeigt sind. Das eigentliche Reaktionsmodell ist aber durch die Geraden sl,...,sn dargestellt, wobei zur Modellierung hier vorzugsweise ein Ansatz auf Basis der Arrhenius-Gleichung mit variabler Aktivierungsenergie zur Anwendung kommt. Als Modellannahme wird hier angenommen, dass die Aushärtungsreaktion nur durch das Temperaturprofil beeinflusst wird. Eine UV-Härtung der Oberfläche ist nicht mit modelliert - verbessert aber die Oberflächengüte der Isolationsschicht .
Die Isokonversionsanalyse kann beispielsweise nach Friedman oder Ozawa-Flynn-Wall durchgeführt werden. Dabei werden die Aktivierungsenergiewerte durch dif f erenzielle oder integrierende Methoden angeglichen. Die dif f erenziellen isokonversio- nellen Methoden basieren auf der Arrhenius-Gleichung.
Die Geraden sl,...,sn interpolieren für jeweils einen Aushärtungsgrad die Reaktionsraten und damit die Reaktionsparameter wie beispielsweise die Aktivierungsenergie für die zwischen den Kurven rl,...,r6 liegenden Bereiche. Es hat sich gezeigt, dass sich so für Heizraten bzw. Temperaturänderungen, die nicht vermessen wurden, eine sehr hohe Genauigkeit beim Ermitteln des Aushärtungsverlaufs erzielen lässt.
FIG 7 zeigt ein mittels je eines Reaktionsmodells für zwei voneinander verschiedene Isolationsmaterialen ermittelter Aushärtungsverlauf bei gleichem Temperaturverlauf TC. Im vorliegenden Fall wurde ein erstes, ursprüngliches Isolationsmaterial (ein Harz) mit einem ersten Aushärtungsverlauf Gl gehärtet. Es ist zu sehen, dass trotz langer Dauer und hoher Temperatur keine vollständige Härtung eintritt. Ein anderes zweites Isolationsmaterial kann bei gleichem Temperaturverlauf TC einen zweiten Aushärtungsverlauf C2 durchlaufen und ist bereits ca. zur Hälfte des Aushärtungsprozesses im Bereich TCURE (z.B. im Ofen) vollständig ausgehärtet. Dementsprechend kann das zweite Isolationsmaterial deutlich schneller und Energiesparsamer ausgehärtet werden. Eine Optimierung des Temperaturverlaufs - z.B. ein Verkürzen oder mit niedrigerer Maximaltemperatur wäre so vorteilhaft möglich. Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Aushärtungsverlaufs (C1,C2) beim Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht aus einem Isolationsmaterial (40) im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Produkt, insbesondere auf ein elektrisches Wicklungssystem (25) . Um das Aushärten des Isolationsmaterials zu verbessern werden die Schritte vorgeschlagen:
- Bereitstellen eines Temperaturverlaufs (TC) , den das elektrische Produkt beim Aufbringen und Aushärten der Isolationsschicht durchläuft,
- Bereitstellen eines Reaktionsmodells des Isolationsmaterials, das den Aushärtungsverlauf des Isolationsmaterials auf Basis eines Temperaturverlaufs als Eingangsgröße ausgibt und auf Basis von gemessenen Reaktionsenthalpien (hl,...,h6) des Isolationsmaterials (40) bei zumindest zwei, vorzugweise zumindest vier, verschiedene Heizraten modelliert ist und
- Ermitteln des Aushärtungsverlaufs (C1,C2) durch das Reaktionsmodel mit dem Temperaturverlauf (TC) . Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen des Isolationsmaterials (40) auf ein elektrisches Produkt, vorzugweise auf ein elektrisches Wicklungssystem (25) .
Bezugs Zeichen
25 elektrisches Wicklungssystem
30 Träger
40 Isolationsmaterial im flüssigen Zustand
S30 Vorheizen
TPRE Temperaturverlauf des Vorheizens
S40 Aufbringen des Isolationsmaterials
T40 Temperaturverlauf des elektrischen Produkts beim Aufbringen des Isolationsmaterials
S50 Aushärten
TCURE Temperaturverlauf des Aushärtens
S60 Aushärten unter UV
UV UV-Aushärtevorrichtung
TUV Temperaturverlauf beim UV Aushärten
TC Temperaturverlauf beim Aufbringen und Aushärten
TO erste Temperatur
TI
DSC1, DSCn DSC Signal hl,...,hn spezifische Enthalpie in J/g rl,...,r6 Reaktionsrate pl,...,p6 Aushärtungsgrad
Cl, C2 Aushärtungsverlauf

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln eines Aushärtungsverlaufs (C1,C2) beim Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht aus einem Isolationsmaterial (40) im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Produkt, insbesondere auf ein elektrisches Wicklungssystem (25) , umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Temperaturverlaufs (TC) , den das elektrische Produkt beim Aufbringen und Aushärten der Isolationsschicht durchläuft,
- Bereitstellen eines Reaktionsmodells des Isolationsmaterials, das den Aushärtungsverlauf des Isolationsmaterials auf Basis eines Temperaturverlaufs als Eingangsgröße ausgibt und auf Basis von gemessenen Reaktionsenthalpien (hl,...,h6) des Isolationsmaterials (40) bei zumindest zwei, vorzugweise zumindest vier, verschiedene Heizraten modelliert ist und
- Ermitteln des Aushärtungsverlaufs (C1,C2) durch das Reaktionsmodel mit dem Temperaturverlauf (TC) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemessenen Reaktionsenthalpien mittels dynamischer Differenzkalorimetrie des Isolationsmaterial gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizraten im Bereich von 0,1 K/min bis 10 K/min liegen, insbesondere im Bereich von 0,25 K/min bis 8 K/min.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reaktionsmodel auf Basis von gemessenen Reaktionsenthalpien bei zumindest vier verschiedenen Heizraten modelliert ist .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Modellieren des Reaktionsmodells Reaktionsratenverläufe der Aushärtung auf Basis von Reaktionsenthalpien des Isolationsmaterials bestimmt werden und durch Integration der Reaktionsratenverläufe Aushärtungsverläufe bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reaktionsmodell auf Basis der Arrhenius-Gleichung modelliert ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperaturverlauf (TC) ein gemessener Temperaturverlauf eines elektrischen Produkts ist, insbesondere ein mit einem Thermoelement in einem elektrischen Wicklungssystem gemessener Temperaturverlauf.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperaturverlauf (TC) ein Soll-Temperaturverlauf eines elektrischen Produkts ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Aushärtungsverlaufs durch das Reaktionsmodell ein Ermitteln eines Gelpunkts umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationsmaterial ein Harz ist, vorzugsweise ein flüssiges Reaktivharz, insbesondere Epoxidharz, ungesättigtes Polyester oder Polyesterimid .
11. Verfahren zum Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht aus einem Isolationsmaterial (40) im flüssigen Zustand auf ein elektrisches Produkt, insbesondere auf ein elektrisches Wicklungssystem (25) , umfassend die Schritte:
- Bereitstellen des elektrischen Produkts,
- Bereitstellen des Isolationsmaterials (40) im flüssigen Zustand,
- Aufbringen des Isolationsmaterials (40) auf das Produkt,
- Aushärten des Isolationsmaterials (40) ,
- Bereitstellen eines Temperaturverlaufs (TC) , den das elektrische Produkt beim Aufbringen und Aushärten der Isolationsschicht durchläuft und
- Beenden des Aushärtens wenn ein mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelter Aushärtungs- verlauf einen Schwellwert überschreitet.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Aufbringen ein Eintauchen des elektronischen Produkts in ein Bad des Isola- tionsmaterials (40) im flüssigen Zustand ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Aufbringen ein Beträufeln des elektronischen Produkts mit dem Isolationsmaterial (40) im flüssigen Zustand ist.
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