WO2021165147A1 - Werkzeug zum imprägnieren und aushärten von wicklungsisolierungen von elektrischen bauteilen - Google Patents

Werkzeug zum imprägnieren und aushärten von wicklungsisolierungen von elektrischen bauteilen Download PDF

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WO2021165147A1
WO2021165147A1 PCT/EP2021/053415 EP2021053415W WO2021165147A1 WO 2021165147 A1 WO2021165147 A1 WO 2021165147A1 EP 2021053415 W EP2021053415 W EP 2021053415W WO 2021165147 A1 WO2021165147 A1 WO 2021165147A1
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tool
cavity
volume
impregnation
gas
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PCT/EP2021/053415
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Inventor
Bertram PETT
Original Assignee
Pett & P.E.T.T. Trade & Industry Products Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a tool for the impregnation and subsequent hardening of the winding insulation of electrical components, in particular for the impregnation of the winding insulation of stator segments for electrical machines, such as motors and generators.
  • stator packs with windings are constructed with a segmented design, i.e. in sub-segments that are later assembled to form a closed ring.
  • Windings of electrical components must be provided with an insulation, which usually consists of a wrapping of a mica-containing insulating tape or a mica tape.
  • the insulation is impregnated with an impregnating fluid, which preferably consists of a curable synthetic resin and serves to fix the insulation winding and to improve the insulation by preventing possible moisture absorption through it.
  • impregnating agents containing styrene are used.
  • DE 10 2016 005 320 A1 proposes a tool for impregnating and curing winding insulation of electrical components, in which the impregnation and curing of the component takes place in a tool cavity that is closed to the environment.
  • the curing process takes place by means of a ventilation system which has a supply air line for supplying heated air and an exhaust air line for removing exhaust air from the mold cavity.
  • the discharge of impregnating agent vapors as exhaust gas from the mold cavity can take place together with the exhaust air via the exhaust air line.
  • the exhaust gas discharged from the mold cavity in this approach has a high level of impregnation agent contamination.
  • This makes a comprehensive downstream gas Purification of this exhaust gas is necessary in order to reduce the impregnation agent contamination in such a way that the exhaust gas can be discharged to the environment and the tool can be opened to remove the impregnated component.
  • the selected heating strategy with the supply of a heated air stream is associated with an increased risk of explosion or burns in the mold cavity, which results from a reaction between the impregnating agent in the gas phase and the air stream.
  • the object of the present invention is to overcome the aforementioned disadvantages of the prior art and, in particular, to further develop the tool known from the prior art.
  • the proposed tool should enable the most efficient, in particular time- and / or cost-efficient, method management and undesired reactions, for example burns, in the tool cavity during the impregnation and / or curing should be avoided in a targeted and reliable manner.
  • the aforementioned object is achieved according to the invention by a tool with the features of claim 1. Further advantageous refinements and improvements of the invention are the subject of the associated subclaims. All of the features described below can also be implemented in a corresponding manner in a method for impregnating and then curing winding insulation of electrical components.
  • the tool according to the invention can have at least one upper tool part and at least one lower tool part, a vacuum- and, preferably, pressure-resistant tool cavity being able to be formed between the two tool parts.
  • the tool can also have a gas-tight sealable or vacuum and, preferably, pressure-tight, in particular cylindrical, pressure vessel or be formed by such, in which case the designations "upper tool part” and “lower tool part” in the following for a pressure vessel as “upper housing walls “and” lower housing walls “of the pressure vessel are to be understood.
  • a tool is proposed whose total system volume is at least 1 m 3 , preferably at least 5 m 3 , particularly preferably at least 10 m 3 .
  • Small overall system volumes make it possible in particular to impregnate smaller products such as pole coils or magnet segments.
  • the "total system volume" of the tool is formed from the inner volume of the tool cavity for receiving the component and the free inner pipeline volume connected and / or connectable to the tool cavity.
  • the inner volume of the tool cavity here preferably relates to a non-operating state of the tool, ie without a component located therein, that is to say represents an empty state of the tool cavity.
  • the pipeline volume preferably summarizes the volumes of all pipelines connected to the tool cavity for supplying and removing fluids to and from the tool cavity.
  • the tool according to the invention is designed and dimensioned to hold at least one component or also several components.
  • a holding frame can be provided which, preferably, can be replaced or introduced into the tool cavity together with several components held and / or fastened to the holding frame.
  • a device in particular a drip plate, can be provided between the components, which prevents impregnating agent from dripping or flowing off from an upper component onto a lower component.
  • the device can be designed in such a way that impregnation agent flows off to the side and drips off onto the device from a component arranged above. If a drip tray is provided, this can be arranged at an angle so that impregnating agent residues that drip onto the drip tray from an overhead component flow off laterally from the drip tray.
  • the total system volume provided according to the invention represents a minimum system volume in which a technically and cost-optimized process control is possible when impregnating and curing winding insulation of electrical components. This applies in particular to measures in connection with the gas cleaning of impregnating agents, in particular Special styrene-containing gas streams that arise during impregnation and curing and have to be processed before being discharged into the environment.
  • the total system volume of the tool is preferably between 10 m 3 and 500 m 3 , preferably between 10 m 3 and 200 m 3 , more preferably between 10 m 3 and 100 m 3 .
  • the supply of nitrogen during curing reduces or avoids the risk of combustion reactions in the mold cavity.
  • the supply of nitrogen causes a pressure increase in the gas phase and the heating of the impregnated component for curing the component. This enables simple, reliable and robust process management.
  • Curing is preferably carried out at an excess pressure between 3 bar and 10 bar, preferably between 3.5 bar and 8 bar, in particular between 4 bar and 6 bar.
  • the pressure build-up takes place by introducing unheated nitrogen, the increased pressure ensuring the highest possible impregnation depth of the impregnating agent in the component.
  • the nitrogen-containing stream preferably circulates after a certain pressure level has been reached and can be heated by means of a heater fan or the like in order to reach the curing temperature.
  • a process control and / or regulation is preferably provided in such a way that the maximum impregnation agent load in the gas phase of the tool cavity and the pipelines connected to the tool cavity, in particular the maximum load with styrene and / or styrene compounds in the gas phase, during curing under pressure is less than 500 g / m 3 , preferably less than 400 g / m 3 , more preferably less than 350 g / m 3 , in particular less than 250 g / m 3 , more in particular less than 200 g / m 3 , particularly preferably less than 150 g / m 3 .
  • the maximum impregnation agent load in the gas phase can also be less than 100 g / m 3 , in particular less than 50 g / m 3 , up to 30 g / m 3 or less.
  • the term “impregnating agent load in the gas phase” is to be understood as meaning the amount of impregnating agent based on the gas phase in the total system volume.
  • the impregnating agent diffuses into the gas phase, and at the end of the curing process, the highest impregnating agent load is preferably present in the gas phase.
  • the tool according to the invention can have sensors for measuring the amount of impregnating agent and / or the concentration of impregnating agent in the gas phase.
  • a measuring, control and / or regulating device can be provided in order to control and / or regulate the impregnation and / or curing process as a function of the measurement data and in particular to reliably comply with or fall below certain limit loads of the impregnation agent in the gas phase .
  • a reduction in pressure in the tool preferably to ambient pressure
  • the pressure build-up takes place in particular by releasing the impregnating agent vapor from the mold cavity.
  • the gas flow is preferably discharged via at least one corresponding discharge line.
  • a gas stream containing impregnation and nitrogen at a pressure of less than 10 bar, preferably less than 8 bar, particularly preferably less than 6 bar can be discharged from the tool cavity and pipelines connected to the tool cavity and fed to a gas cleaning device.
  • the gas cleaning device preferably has at least one, preferably several filters connected in series, in particular activated carbon filters, the activated carbon filters preferably being designed for a service life of at least 150 cycles, preferably of at least 200 cycles, particularly preferably between 200 and 300 cycles .
  • cycle defines a complete impregnation process, consisting of the impregnation of the component, the curing and the subsequent pressure reduction as well as any rinsing of the tool until the tool is opened and the impregnated component is removed from the mold cavity can.
  • the filter breaks through, whereby the impregnation agent concentration in the cleaned exhaust gas can exceed the specified limit values for a maximum workplace concentration and / or the odor threshold limit.
  • the maximum concentration in the workplace can be less than 0.1 g / m 3 and the odor threshold value between 0.2 and 0.4 mg / m 3 .
  • a preferably catalytic combustion device can also be provided for treating the exhaust gas after curing.
  • a process control and / or regulation is provided in such a way that the impregnating agent load in the gas phase of the tool cavity and the pipelines connected to the tool cavity, in particular the maximum load with styrene and / or styrene compounds in the gas phase, after the pressure reduction Discharge of nitrogen-containing exhaust gas from the total system volume after the component has hardened is still less than 150 g / m 3 , in particular less than 100 g / m 3 , further in particular less than 70 g / m 3 . With small total system volumes of less than 10 m 3 , in particular less than 5 m 3 , the impregnating agent load after the pressure reduction can also be less than 10 g / m 3 .
  • a first tool flushing is provided or carried out, the first tool flushing with the supply of nitrogen to the tool cavity and / or with the supply of a nitrogen-containing purge gas flow with a nitrogen content of at least 50% by volume, preferably of at least 70% by volume, more preferably of at least 85% by volume, particularly preferably of at least 95% by volume, and / or takes place with only nitrogen supply.
  • an impregnating and nitrogen-containing flushing gas stream from the tool cavity can be or is fed to the gas cleaning device during the first tool flushing. This enables a further reduction in the impregnation agent load in the mold cavity and the connected pipelines. It is preferably provided that the volume flow of the flushing gas supplied to the tool cavity during the first tool flushing is in the range from 0.1 m 3 / min to 10 m 3 / min, preferably in the range from 0.2 m 3 / min to 5 m 3 / min , more preferably in the range from 0.5 m 3 / min to 3 m 3 / min.
  • the tool preferably has a corresponding fan device in order to appropriately guide the gas flow with the specified volume flow through the tool cavity.
  • Process control and / or regulation is particularly preferably provided in such a way that the impregnation agent load in the gas phase of the tool cavity and the pipelines connected to the tool cavity, in particular the load with styrene and / or styrene compounds in the gas phase, after the first tool rinse is less than 40 g / m 3 , preferably less than 30 g / m 3 , more preferably less than 20 g / m 3 , in particular less than 10 g / m 3 .
  • the first tool rinse is followed by a second tool rinse, the second tool rinse with the supply of air to the tool cavity and / or with the supply of a cleaning gas with an air content of at least 50% by volume, preferably of at least 70% by volume, more preferably of at least 85% by volume, particularly preferably of at least 95% by volume, and / or takes place only with a supply of air.
  • the volume flow of the flushing gas supplied to the tool cavity during the second tool flushing is in the range from 10 m 3 / min to 60 m 3 / min, preferably in the range from 20 m 3 / min to 50 m 3 / min, more preferably se in the range from 30 m 3 / min to 40 m 3 / min.
  • the impregnation agent load in the gas phase of the tool cavity and the pipelines connected to the tool cavity in particular the load with styrene and / or styrene compounds in the gas phase, can be less than 1 g / m 3 , preferably less than 0.5 g / m 3, after the second tool rinse 3 , more preferably less than 0.1 g / m 3 , in particular less than 0.01 g / m 3 , further in particular less than 0.001 g / m 3 .
  • Such a reduced impregnation agent concentration or impregnation agent load ultimately allows the tool cavity to be opened without having to fear a relevant emission of impregnation agent in the area of the tool cavity.
  • the impregnation agent load at the end of the second tool rinse is below an odor threshold, which for styrene, for example, is approx. 0.001 g / m 3 .
  • the tool according to the invention can be equipped with suitable sensor devices in order to realize a preferably continuous detection of the impregnation agent load in the tool cavity or in the overall system volume.
  • gas that is still present can be sucked off by means of a vacuum pump. It is particularly preferred that the gas flow is not fed directly to the pump, but is prefiltered, for example by means of an activated carbon filter.
  • the gas can be cooled to a certain temperature, for example below 40 ° C., via a cooling device, before it is fed to the vacuum pump.
  • the vacuum pump can also be designed in such a way that direct suction is carried out without any upstream devices.
  • Another alternative to cleaning the entire system volume after hardening can be seen in "pulse cleaning". As part of this method, a pressure increase and pressure decrease in the total system volume is repeated several times implemented in order to steadily lower the styrene load or the content of the gaseous impregnant in the total system volume in this way before the tool is opened without significant leakage of the impregnant into the environment.
  • cooling of the gas flow can be provided after the pulse cleaning, a corresponding cooling device preferably being provided for this purpose. It goes without saying that the aforementioned cleaning or rinsing processes can be combined in any way and / or carried out one after the other in any order.
  • the gas supply and / or the gas discharge into or out of the tool cavity takes place via an upper tool part or a lower tool part and / or the at least one guide device for the gas circulation and a uniform flow in the tool cavity Heating of the component is arranged.
  • an impregnation trough which can preferably be detachably connected to a lower tool part can be provided. This simplifies the impregnation process.
  • the impregnation trough can preferably be designed for receiving the component in a non-conforming manner. In this way, if necessary, components of different sizes can be impregnated in the tub and the insertion and removal of the component is simplified.
  • An insertion area for an impregnation tub can preferably be provided in a lower part of the tool.
  • the component is then impregnated and cured in the impregnation tub.
  • an area of use of the tool it is also possible for an area of use of the tool to be filled directly with impregnating agent and then the impregnation or curing of the component to take place directly in the tool. It is expedient if, between an impregnation tub in the interior of the tool and an adjacent wall of the tool, an ne and / or closable cavity is formed or can be formed.
  • a cavity can thus be formed in the area within or above the impregnation trough between the tool halves on the one hand and in the area between the impregnation trough and the adjoining wall of the tool on the other hand, with both cavities being gas-tight and / or pressure-tight separated from one another or separable are. This makes it possible to set and / or control and / or regulate the pressure in both cavities as a function of one another.
  • the pressure in the cavity formed between the impregnation tub and the adjacent wall of the tool to the pressure in the interior of the impregnation tub
  • the impregnation tub or between the closed tool parts can be set essentially the same in order to prevent an undesired change in shape or the collapse of the impregnation tub when the pressure is set in the interior of the tool.
  • a separate gas atmosphere, in particular under pressure, in the cavity formed or can be formed between the impregnation trough and the wall of the tool helps to keep heat losses as low as possible.
  • an insulating material can be provided between an impregnation trough and an adjacent wall of the tool in order to keep heat losses as low as possible.
  • the insulating material can be, for example, an insulating material such as insulating wool.
  • the insulating material is separated in a gas-tight manner from the gas atmosphere in the interior of the impregnating tub.
  • a receiving space for the insulating material can be created between the impregnation tub and an adjacent inner wall of the tool, which space is separated from the interior of the impregnation tub in a gas-tight manner.
  • the pressure in the receiving space for the insulating material can be controlled and / or regulated, in particular lowered or increased, independently of the pressure in the interior of the impregnation tub.
  • a double-walled design of the tool is also possible in order to create a receiving space for the insulating material which is sealed gas-tight from the gas atmosphere in the impregnation trough.
  • an area of use of the tool is designed to accommodate tubs of different sizes or impregnation tubs with different capacities.
  • the volume of the largest tub that can be used is limited by the internal volume of the area of use. This makes it possible to use an adapted impregnation tub depending on the size and type of the component, which further simplifies the impregnation process. In particular, the use of an impregnation tub adapted to the size and type of the component results in the lowest possible consumption of impregnation agent.
  • the impregnation tub and / or the application area has a protective coating, in particular a Teflon coating, on the inside.
  • a protective coating in particular a Teflon coating
  • At least one non-return valve can preferably be provided between the gas cleaning device and the tool cavity.
  • one non-return valve is assigned to the tool and another non-return valve is assigned to the combustion system.
  • a non-return valve can also be provided in front of a fan. This avoids kickback effects.
  • at least one filter, in particular activated carbon filter is provided as the gas cleaning device, this filter can be pressure-stable up to at least 6 bar, preferably up to at least 8 bar, more preferably up to 10 bar.
  • At least one cooled impregnant line is provided for introducing cooled impregnant into the tool cavity, preferably at the end of the impregnant line at least one cooled injection nozzle for impregnant, which can be provided on a tool part or on a side wall of the tool cavity can be connected to an upper part of the tool.
  • At least one fill level sensor preferably a radar sensor, can be provided on the tool cavity for determining a fill level of the impregnating agent in the tool cavity. In this way, the maximum level of impregnation agent is determined in a particularly precise manner and the further supply of impregnation agent is then stopped, which is associated with particularly precise impregnation.
  • At least one material tank is provided for impregnating agent, preferably the material tank being equipped with a weighing unit for determining the weight loss of the material tank initiated during the impregnation and initiated.
  • FIG. 1 shows a perspective, exploded view of a tool according to the invention for impregnating and curing winding insulation of electrical components
  • FIG. 2 shows a system for impregnating insulated winding bars with two corresponding tools.
  • FIG. 1 shows a tool 1 for impregnating and curing winding insulation of electrical components 2 in a partially exploded view.
  • a generic tool has already been described in DE 10 2016 005 320 A1, so that the differences between the known tool and the tool 1 shown and described will essentially be discussed below.
  • the tool 1 has at least one upper tool part 3 and one lower tool part 4.
  • the upper tool part 3 forms a cover of the tool 1 and is pivotably connected to the lower tool part 4 via a hinge connection.
  • the component 2 is impregnated in an impregnation trough 5, which can be inserted from above into an insertion area 6 of the lower tool part 4.
  • the inner surfaces 7 of the impregnation trough 5 and an inner surface 8 of the upper tool part 3 form a tool cavity 9 into which the component 2 can be inserted for the impregnation and curing of the winding insulation provided on the component 2.
  • the impregnation trough 5 is designed for receiving the component 2 in a non-shape-adapted manner.
  • the impregnation chamber 5 is oversized with respect to the dimensions of the component 2, so that the insertion and removal of the component 2 from the impregnation tub 5 is possible in a simple manner.
  • the internal volume of the impregnation tub 5 is adapted to the type of component in order to keep the amount of impregnation agent required for an impregnation process of the component 2 as low as possible and thus to conserve resources.
  • impregnation trays 5 of different sizes can be inserted into the insertion area 6 as required and depending on the component size and / or the component shape.
  • the component 2 can also be impregnated directly in the insertion area 6 of the lower tool part 4, in which case the use of an impregnation trough 5 is not provided.
  • the impregnation tub 5, as well as the insert area 6, can have a protective coating on the inside, in particular a Teflon coating. To replace the protective coating after several impregnation and curing cycles, the impregnation tub 5 can, if necessary, be lifted out of the insertion area 6.
  • the tool cavity 9 can be evacuated with a vacuum-forming device, not shown in detail, so that possible gas accumulations in the area of the winding insulation of the component 2, which could form an obstacle to the absorption of the impregnating agent, are removed.
  • the vacuum-forming device can have a vacuum pump.
  • the tool cavity 9 or the impregnation tub 5 is connected to a storage container 12 for the impregnation agent shown in FIG Impregnating fluid can be filled.
  • a vacuum can be applied to the impregnating agent container at the same time.
  • the impregnating agent can then flow into the mold cavity 9 via the impregnating agent line 10 via a preferably cooled injection nozzle (not shown in detail).
  • the component 2 arranged in the tool cavity 9 is flooded by the impregnating agent until a certain maximum filling level of the impregnating agent in the impregnating trough 5 is reached.
  • the inflow of impregnating agent into the impregnating tub 5 is automatically terminated after a predetermined amount of impregnating agent has been reached. This is preferably achieved using a weighing unit in the material tank and a radar sensor on the mold cavity.
  • the maximum filling height of the impregnating agent in the impregnating tub 5 can be at least 20 mm, preferably at least 30 mm, more preferably up to 50 mm, above the component 2.
  • the impregnation tub 5 has several support points on which the component 2 is supported for the impregnation and curing process. The support points are arranged in such a way that the component 2 is held at a distance from a bottom of the impregnation trough 5, which further simplifies and improves the impregnation and curing process.
  • the distance from the floor ensures that the component 2 is accessible from all sides for the impregnating agent and for the hot air during the subsequent heating to the curing temperature.
  • the impregnation tub 5 has two inclined wall sections 13, 14, which are provided for holding the component 2 in the tool cavity 9.
  • the component 2 is held at a distance from a base of the impregnation trough 5, wherein the distance a between the component 2 and the base can be at least 5 cm, preferably at least 10 cm.
  • a pressure period can follow, which promotes the penetration of the impregnation agent into the winding insulation of the component 2.
  • the tool cavity 9 is designed to be pressure-resistant when the tool 1 is closed.
  • the printing period can be triggered automatically until saturation is reached.
  • a maximum impregnation pressure can be in the range between 4 and 10 bar, preferably around 5 bar.
  • nitrogen can be introduced into the mold cavity 9 by means of a pump via a supply line 15.
  • the tool cavity 9 can also be evacuated via the supply line 15 for nitrogen before the impregnating agent is introduced.
  • the excess impregnating agent can be drained off via a drain line (not shown) and fed back to the storage container 12, preferably via at least one filter device and / or a degassing device and / or a cooling device.
  • the discharge of the impregnating agent from the tool cavity 9 leads to a pressure drop in the tool cavity 9, the pressure drop being in the range between 1 and 2 bar.
  • the nitrogen in the tool cavity 9 is heated to at least the hardening temperature, for example between 100 ° C and 120 ° C, via a heating fan in circulation mode.
  • the impregnation process and the curing process can thus be carried out in one process step without relocating the component 2 in the same tool 1, ie. H. without opening the tool parts 3, 4 ,.
  • the tool cavity 9 here forms a system that is closed to the environment, so that an unwanted leakage of impregnating agent from the tool cavity into the environment during the impregnation and curing of the component 2 is prevented.
  • the upper tool part 3 and the lower tool part 4 can be connected to one another in an essentially airtight manner in order to form a vacuum- and pressure-tight tool cavity 9.
  • the component 2 is heated to harden the impregnating agent by supplying nitrogen via the supply line 15 and then heating the nitrogen.
  • At least one discharge line 16 is provided in order to discharge a gas flow containing impregnating agent from the tool cavity 9.
  • the discharge line 16 and the supply line 15 open into the tool cavity 9 above the impregnation trough 5 and are passed through the upper tool part 3.
  • the discharge line 16 can be connected to the supply line 15 via a circulation line 17.
  • the discharge line 16 can also be connected to a gas cleaning device 18 shown in FIG. 2.
  • the gas cleaning device 18 is designed as a filter device, in particular an activated carbon filter device.
  • a preferably catalytic combustion device for processing the gas flow emerging from the tool cavity 9 can also be provided.
  • the tool 1 As a result, with the tool 1 according to the invention, a working gas circulation under pressure is possible during the curing of the impregnating agent.
  • the component temperature can be measured directly on component 2 in tool 1 and controlled via it. In this case, the tool 1 is still closed, so that there is no need to fear an unwanted leakage of impregnating agent from the tool cavity 9.
  • the discharge line 16 and / or the supply line 15 and, if necessary, further areas of the pipeline system can be evacuated in order to lower the pressure level below the operating pressure in the tool cavity 9.
  • the exhaust air line 16 and the supply line 15 can preferably be fluidically separated or encapsulated from the tool cavity 9, it being possible for the lines to be under negative pressure during the impregnation process.
  • the tool 1 can have a correspondingly designed shut-off device or valve.
  • the meat cycle is kept under vacuum and after switching on or opening of the heating circuit is flooded with the nitrogen-impregnating agent mixture located in the mold cavity 9.
  • the pressure level of the tool cavity 9 then falls due to the negative pressure in the lines 15, 16 then increase the pressure level in the mold cavity 9 if necessary and control the impregnation agent concentration in the mold cavity 9 in order to advantageously influence the heat transfer from the heated nitrogen to the impregnation agent or the component 2 and to prevent a combustion reaction between the supplied heat.
  • Influencing pressure by supplying nitrogen is possible before and also during the heating of the component 2 or the curing of the impregnating agent within the tool cavity 9.
  • the component 2 is preferably heated during the curing process in circulating air mode.
  • a circulation of the gas mixture formed from the impregnating agent-containing gas and the nitrogen is provided.
  • a variant for cleaning the impregnant-containing gas is discussed below, with appropriately designed measurement, control and / or regulation technology being provided for the implementation of the process steps and process parameters discussed below.
  • the vaporous impregnating agent can be discharged together with the introduced nitrogen via the discharge line 15 to lower the pressure in the mold cavity 9, which is also associated with a cooling of the component in the mold cavity.
  • This gas mixture can then be fed to the gas cleaning system 18, in the present case two activated carbon filters, which can be seen in particular on the basis of FIG.
  • nitrogen is again supplied to the tool cavity 9, preferably in the course of a first tool rinsing, with the nitrogen flowing through the tool cavity 9.
  • pure nitrogen is supplied to the tool cavity 9 via the supply line 15, flows through the tool cavity 9, is then discharged again from the tool cavity 9 via the discharge line 16 and ultimately via the gas cleaning device 18 filtered and fed back into the environment.
  • Corresponding blowers 19, which are shown in FIG. 2, are provided for this purpose.
  • the tool 1 according to the invention or the associated control and / or regulating device enables operation as required between a circulating air mode during the curing on the one hand, in which case heated nitrogen is circulated or in the form of a circuit, and one Operation, on the other hand, in which nitrogen as flushing gas flows through the tool cavity 9 and the gas flow is passed on from the tool cavity 9 via the gas cleaning system 18 to the exit of the system or to the environment.
  • the tool 1 according to the invention also has at least one guide device 20 for the suitable flow guidance of the gas, in particular the introduced heated or non-heated nitrogen, into the tool cavity 9. 2 also shows a system 21 for impregnating components 2.
  • the system 21 has at least two tools 1 in which the component 2 is impregnated. These tools 1 are particularly preferably designed according to the invention or as described comprehensively above.
  • the two discharge lines 16 of the tools 1 open into a common drain line 22, which ultimately opens to a gas cleaning device 18 connected in series in the illustrated example, the impregnation-containing gas being cleaned in these gas cleaning devices 18 in such a way that it is cleaned or filtered Gas can then be passed on to the environment with the release of comparatively small amounts of impregnation.
  • At least one sensor device preferably a radar sensor, is provided on the tool cavity 9 to determine a level of impregnation agent in the tool cavity 9 and / or to determine or record the impregnation agent load in the tool cavity 9.
  • a radar sensor is provided on the tool cavity 9 to determine a level of impregnation agent in the tool cavity 9 and / or to determine or record the impregnation agent load in the tool cavity 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (1) zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen (2), insbesondere zum Imprägnieren von Wicklungsisolierungen von Statorsegmenten für elektrische Maschinen, wie Motoren und Generatoren, vorzugsweise mit wenigstens einem Werkzeugoberteil (3) und mit wenigstens einem Werkzeugunterteil (4) und/oder mit einem gasdicht verschließbaren, vorzugsweise zylindrischen Druckbehälter, wobei in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs (1) zwischen dem Werkzeugoberteil (3) und dem Werkzeugunterteil (4) eine vakuum- und, vorzugsweise, druckfeste Werkzeugkavität (9) ausbildbar ist, wobei die Werkzeugkavität (9) zur nicht-formangepassten Aufnahme von wenigstens einem Bauteil (2) ausgestaltet ist, wobei die Werkzeugkavität (9) evakuierbar und zum Imprägnieren eines in der Werkzeugkavität (9) angeordneten Bauteils (2) mit einem Imprägniermittel, vorzugsweise Styrol, befüllbar ist, wobei das imprägnierte Bauteil (2) zum Aushärten des Imprägniermittels in der Werkzeugkavität (9) auf eine Aushärtungstemperatur erwärmbar ist, wobei die Imprägnierung und Aushärtung in einem zur Umgebung geschlossenen Prozess in der Werkzeugkavität (9) erfolgen und wobei ein freies Gesamtsystemvolumen des Werkzeugs (1), gebildet aus dem inneren Volumen der Werkzeugkavität (9) zur Aufnahme des Bauteils (2) und einem mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen und/oder verbindbaren freien inneren Rohrleitungsvolumen, wenigstens 1 m3 beträgt.

Description

Werkzeug zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Imprägnieren und anschließenden Aushär- ten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen, insbesondere zum Imprägnieren von Wicklungsisolierungen von Statorsegmenten für elektrische Maschinen, wie Motoren und Generatoren.
Bei großen elektrischen Maschinen, insbesondere langsam laufenden Motoren und Generatoren, ist es von Vorteil, Statorpakete nicht als Ganzes zu fertigen. Deshalb werden Statorpakete mit Wicklungen mit segmentierter Bauweise, d.h. in Teilsegmenten, die später zu einem geschlossenen Ring montiert werden, aufgebaut.
Wicklungen von elektrischen Bauteilen müssen mit einer Isolierung versehen wer- den, die üblicherweise aus einer Umwicklung mit einem glimmerhaltigen Isolierband bzw. aus einem Glimmerband besteht. Die Isolierung wird mit einem Imprägnierfluid getränkt, das vorzugsweise aus einem aushärtbaren Kunstharz besteht und zur Fixierung der Isolierwicklung und zur Verbesserung der Isolierung dient, indem eine mögliche Feuchtigkeitsaufnahme hindurch verhindert wird. Üblicher- weise kommen styrolhaltige Imprägnierungsmittel zum Einsatz.
Ein bekanntes Problem beim Imprägnieren von Wicklungsisolierungen, insbesondere von größeren elektrischen Bauteilen, wie Statorsegmenten oder komplett montierten Statorpaketen, ist die Emission gasförmigen Imprägniermittels an die Umgebung.
In der DE 10 2016 005 320 A1 wird ein Werkzeug zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen vorgeschlagen, bei dem die Imprägnierung und die Aushärtung des Bauteils in einer zur Umgebung ge- schlossenen Werkzeugkavität erfolgt. Das Fleizen während der Aushärtung erfolgt mittels eines Belüftungssystems, welches eine Zuluftleitung zur Zuführung erhitzter Luft und eine Abluftleitung zum Abführen von Abluft aus der Werkzeugkavität aufweist. Das Abführen von Imprägniermitteldämpfen als Abgas aus der Werkzeugkavität kann zusammen mit der Abluft über die Abluftleitung erfolgen.
Das bei diesem Ansatz aus der Werkzeugkavität abgeführte Abgas weist eine hohe Imprägniermittelbelastung auf. Dies macht eine umfassende nachgeordnete Gas- reinigung dieses Abgases erforderlich, um die Imprägniermittelbelastung derart zu reduzieren, dass das Abgas an die Umgebung abgeleitet und das Werkzeug zur Entnahme des imprägnierten Bauteils geöffnet werden kann. Darüber hinaus ist die gewählte Heizstrategie unter Zuführung eines beheizten Luftstroms mit einer er- höhten Explosionsgefahr bzw. Verbrennungsgefahr in der Werkzeugkavität verbunden, die aus einer Reaktion zwischen dem Imprägniermittel in der Gasphase und dem Luftstrom resultiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile des Stan- des der Technik zu überwinden und insbesondere das aus dem Stand der Technik bekannte Werkzeug weiterzubilden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Werkzeug zum Imprägnieren und anschließenden Aushärten von Wicklungsisolierungen zur Verfügung zu stellen, das eine Verfahrensführung bei möglichst geringen Imprägniermittelemissionen zulässt. Darüber hinaus soll das vorgeschlagene Werkzeug eine möglichst effiziente, insbesondere zeit- und/oder kosteneffiziente, Verfahrensführung ermöglichen und es sollen unerwünschte Reaktionen, beispielsweise Verbrennungen, in der Werkzeugkavität im Rahmen der Imprägnierung und/oder Aushärtung zielführend bzw. zuverlässig vermieden werden. Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Werkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche. Alle nachfolgend beschriebenen Merkmale können in entsprechender Weise auch bei einem Verfahren zum Imprägnieren und anschließenden Aushärten von Wick- lungsisolierungen von elektrischen Bauteilen verwirklicht sein.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann wenigstens ein Werkzeugoberteil und wenigstens ein Werkzeugunterteil aufweisen, wobei zwischen den beiden Werkzeugteilen eine vakuum- und, vorzugsweise, druckfeste Werkzeugkavität ausbildbar ist. Alternativ kann das Werkzeug auch einen gasdicht verschließbaren bzw. vakuum- und, vorzugsweise, druckfesten, insbesondere zylindrischen, Druckbehälter aufweisen bzw. durch einen solchen gebildet sein, wobei dann die Bezeichnungen "Werkzeugoberteil" und "Werkzeugunterteil" nachfolgend bei einem Druckbehälter als "obere Gehäusewände" und "untere Gehäusewände" des Druckbehälters zu verstehen sind. Die nachfolgend beschriebenen und auf ein "Werkzeugoberteil" und/oder ein "Werkzeugunterteil" bezogenen Merkmale können also auch bei einem Druckbehälter verwirklicht sein, auch wenn nachfolgend lediglich auf die Aus- gestaltung eines Werkzeugs mit einem Werkzeugunterteil und/oder einem Werkzeugoberteil expressis verbis Bezug genommen wird.
Entsprechend der Erfindung wird ein Werkzeug vorgeschlagen, dessen Gesamt- systemvolumen wenigstens 1 m3, vorzugsweise wenigstens 5 m3, besonders bevorzugt wenigstens 10 m3, beträgt. Kleine Gesamtsystemvolumina ermöglichen es insbesondere, kleinere Produkte, wie beispielsweise Polspulen oder Magnetsegmente, zu imprägnieren. Das "Gesamtsystemvolumen" des Werkzeugs wird dabei aus dem inneren Volumen der Werkzeugkavität zur Aufnahme des Bauteils und dem mit der Werkzeugkavität verbundenen und/oder verbindbaren freien inneren Rohrleitungsvolumen gebildet. Das innere Volumen der Werkzeugkavität bezieht sich dabei vorzugsweise auf einen Nicht-Betriebszustand des Werkzeugs, d.h. ohne ein darin befindliches Bauteil, repräsentiert also einen Leerzustand der Werkzeugkavität. Das Rohrleitungsvolumen fasst vorzugsweise die Volumina aller an die Werkzeugkavität angeschlossenen Rohrleitungen zum Zu- bzw. Abführen von Fluiden zur bzw. von der Werkzeugkavität zusammen.
Das erfindungsgemäße Werkzeug ist zur Aufnahme von wenigstens einem Bauteil oder auch von mehreren Bauteilen ausgebildet und dimensioniert. Für die Anord- nung von mehreren Bauteilen nebeneinander und/oder übereinander kann ein Haltegestell vorgesehen sein, das, vorzugsweise, zusammen mit mehreren an dem Haltegestell gehaltenen und/oder befestigten Bauteilen in die Werkzeugkavität ersetzbar bzw. einbringbar ist. Bei der Anordnung mehrerer Bauteile übereinander in der Werkzeugkavität kann zwischen den Bauteilen eine Einrichtung, insbesondere ein Tropfblech, vorgesehen sein, die verhindert, dass Imprägniermittel von einem oberen Bauteil auf ein unteres Bauteil abtropft bzw. abfließt. Die Einrichtung kann derart ausgebildet sein, dass es zu einem seitlichen Abfließen von Imprägniermittel kommt, das von einem oberhalb angeordneten Bauteil auf die Einrichtung abtropft. Ist ein Tropfblech vorgesehen, kann dies schräg angeordnet sein, so dass von ei- nem obenliegenden Bauteil auf das Tropfblech abtropfende Imprägniermittelreste seitlich vom Tropfblech abfließen.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Gesamtsystemvolumen stellt ein Mindestsystemvolumen dar, bei dem eine technisch und unter Kostengesichtspunkten opti- mierte Verfahrensführung beim Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen möglich ist. Dies betrifft insbesondere Maßnahmen in Zusammenhang mit der Gasreinigung von imprägniermittelhaltigen, insbe- sondere styrolhaltigen, Gasströmen, die beim Imprägnieren und Aushärten entstehen und vor einer Ableitung in die Umgebung aufbereitet werden müssen.
Vorzugsweise beträgt das Gesamtsystemvolumen des Werkzeugs zwischen 10 m3 und 500 m3, vorzugsweise zwischen 10 m3 und 200 m3, weiter vorzugsweise zwischen 10 m3 und 100 m3.
Weiter vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Aushärtung des Imprägniermittels unter Überdruck und unter Zufuhr von erhitztem Stickstoff zur Werkzeugkavität und/oder unter Zufuhr eines Heißgasstroms mit einem Stickstoffgehalt von wenigstens 50 Vol.-%, vorzugsweise von wenigstens 70 Vol.-%, weiter vorzugsweise von wenigstens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt von wenigstens 95 Vol.-% und/oder unter einer vorzugsweise erhitzten Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 5 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 2 Vol.-% , vorzugsweise weniger als 1 Vol.-% Sauerstoff, erfolgt. Die Zufuhr von Stickstoff im Rahmen der Aushärtung reduziert bzw. vermeidet die Gefahr von Verbrennungsreaktionen in der Werkzeugkavität. Erfindungsgemäß wird durch die Stickstoffzufuhr ein Druckanstieg in der Gasphase und das Erhitzen des imprägnierten Bauteils für die Aushärtung des Bauteils erreicht. Dies ermöglicht eine einfache, zuverlässige und ro- buste Prozessführung.
Vorzugsweise erfolgt die Aushärtung bei einem Überdruck zwischen 3 bar und 10 bar, vorzugsweise zwischen 3,5 bar und 8 bar, insbesondere zwischen 4 bar und 6 bar. Insbesondere erfolgt der Druckaufbau durch Einleitung von nicht-erhitztem Stickstoff, wobei der erhöhte Druck eine möglichst hohe Imprägniertiefe des Imprägniermittels in das Bauteil gewährleistet. Vorzugsweise zirkuliert der stickstoffhaltige Strom nach dem Erreichen eines bestimmten Druckniveaus und kann dabei mittels Heizgebläse oder dergleichen erhitzt werden, um die Aushärtungstemperatur zu erreichen.
Vorzugsweise ist eine Prozesssteuerung und/oder -regelung derart vorgesehen, dass die maximale Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität und den mit der Werkzeugkavität verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die maximale Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, bei der Aushärtung unter Druck weniger als 500 g/m3, vorzugsweise weniger als 400 g/m3, weiter vorzugsweise weniger als 350 g/m3, insbesondere weniger als 250 g/m3, weiter insbesondere weniger als 200 g/m3, besonders bevorzugt weniger als 150 g/m3, beträgt. Bei einem kleinen Gesamtsystemvolumen von weniger als 10 m3, insbesondere von weniger als 5 m3, kann die maximale Imprägniermittelbelastung in der Gasphase auch bei weniger als 100 g/m3, insbesondere bei weniger als 50 g/m3, bis hin zu 30 g/m3 oder weniger betragen. Unter dem Begriff "Imprägnier- mittelbelastung in der Gasphase" ist erfindungsgemäß die Imprägniermittelmenge bezogen auf die Gasphase im Gesamtsystemvolumen zu verstehen. Im Rahmen der Aushärtung diffundiert Imprägniermittel in die Gasphase, wobei am Ende der Aushärtung vorzugsweise die höchste Imprägniermittelbelastung in der Gasphase vorliegt.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann Sensoren zur Messung der Imprägniermittelmenge und/oder Imprägniermittelkonzentration in der Gasphase aufweisen. Es kann eine Mess-, Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein, um den Imprägnier- und/oder den Aushärtungsprozess in Abhängigkeit von den Messdaten zu steuern und/oder zu regeln und insbesondere bestimmte Grenzbelastungen des Imprägniermittels in der Gasphase sicher einzuhalten oder zu unterschreiten.
Vorzugsweise ist nach der Aushärtung ein Druckabbau im Werkzeug, vorzugsweise auf Umgebungsdruck, vorgesehen. Der Druckaufbau erfolgt insbesondere durch Ablassen des Imprägniermitteldampfes aus der Werkzeugkavität. Das Abführen des Gasstroms erfolgt dabei vorzugsweise über wenigstens eine entsprechende Abfuhrleitung. Für einen Druckabbau kann ein imprägnier- und stickstoffhaltiger Gasstrom mit einem Druck von weniger als 10 bar, vorzugsweise von weniger als 8 bar, besonders bevorzugt von weniger als 6 bar, aus der Werkzeugkavität und mit der Werkzeugkavität verbundenen Rohrleitungen abgeführt und einer Gasreinigungseinrichtung zugeführt werden.
Vorzugsweise weist die Gasreinigungseinrichtung wenigstens einen, vorzugsweise mehrere in Reihe geschaltete Filter, insbesondere Aktivkohlefilter, auf, wobei, vor- zugsweise, die Aktivkohlefilter ausgelegt sind auf eine Standzeit von wenigstens 150 Zyklen, vorzugsweise von wenigstens 200 Zyklen, besonders bevorzugt zwischen 200 und 300 Zyklen.
Der Begriff "Zyklus" definiert dabei einen vollständigen Imprägnierprozess, bestehend aus der Imprägnierung des Bauteils, der Aushärtung und dem anschließenden Druckabbau sowie einer etwaigen Spülung des Werkzeugs, bis das Werkzeug geöffnet und das imprägnierte Bauteil aus der Werkzeugkavität entnommen wer- den kann. Am Ende der Standzeit kommt es zum Durchschlagen des Filters, wobei die Imprägniermittelkonzentration im gereinigten Abgas die vorgegebenen Grenzwerte für eine maximale Arbeitsplatzkonzentration und/oder die Geruchsschwellengrenze überschreiten kann. Am Beispiel von Styrol kann die maximale Arbeits- platzkonzentration bei kleiner 0,1 g/m3 und der Geruchsschwellenwert zwischen 0,2 bis 0,4 mg/m3 betragen.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine vorzugsweise katalytische Verbrennungseinrichtung zur Behandlung des Abgases nach der Aushärtung vorgesehen sein.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist eine Prozesssteuerung und/oder -regelung derart vorgesehen, dass die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität und den mit der Werkzeugkavität verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die maximale Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, nach dem Druckabbau durch Ablassen von stickstoffhaltigem Abgas aus dem Gesamtsystemvolumen nach erfolgter Aushärtung des Bauteils noch weniger als 150 g/m3, insbesondere weniger als 100 g/m3, weiter insbesondere weniger als 70 g/m3, beträgt. Bei kleinen Gesamtsystemvolumina von weniger als 10 m3, insbesondere von weniger als 5 m3, kann die Imprägniermittelbelastung nach dem Druckabbau auch bei weniger als 10 g/m3 liegen.
Weiterführend ist vorgesehen, dass nach dem Druckabbau eine erste Werkzeugspülung vorgesehen ist bzw. durchgeführt wird, wobei die erste Werkzeugspü- lung unter Zufuhr von Stickstoff zur Werkzeugkavität und/oder unter Zufuhr eines stickstoffhaltigen Spülgasstroms mit einem Stickstoffgehalt von wenigstens 50 Vol.- %, vorzugsweise von wenigstens 70 Vol.-%, weiter vorzugsweise von wenigstens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt von wenigstens 95 Vol.-%, und/oder unter lediglich unter Stickstoffzufuhr erfolgt. Dadurch wird auch im Rahmen der ersten Reini- gungsstufe die Bildung unerwünschter Explosions- und/oder Verbrennungsreaktionen in der Werkzeugkavität zielführend vermieden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Gasreinigungseirichtung bei der ersten Werkzeugspülung ein imprägnier- und stickstoffhaltiger Spülgasstrom aus der Werkzeugkavität zuführbar ist bzw. zugeführt wird. Dadurch wird eine weitere Reduzierung der Imprägniermittelbelastung in der Werkzeugkavität und den verbundenen Rohrleitungen ermöglicht. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Volumenstrom des der Werkzeugkavität zugeführten Spülgases bei der ersten Werkzeugspülung im Bereich von 0,1 m3/min bis 10 m3/min, vorzugsweise im Bereich von 0,2 m3/min bis 5 m3/min, weiter vor- zugsweise im Bereich von 0,5 m3/min bis 3 m3/min, liegt.
Hierzu weist das Werkzeug vorzugsweise eine entsprechende Gebläseeinrichtung auf, um den Gasstrom mit dem angegebenen Volumenstrom durch die Werkzeugkavität entsprechend hindurchzuleiten.
Besonders bevorzugt ist eine Prozesssteuerung und/oder -regelung derart vorgesehen, dass die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität und den mit der Werkzeugkavität verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, nach der ersten Werkzeugspülung weniger als 40 g/m3, vorzugsweise weniger als 30 g/m3, weiter vorzugsweise weniger als 20 g/m3, insbesondere weniger als 10 g/m3, beträgt.
Zur weiterführenden Reduzierung der Imprägniermittelbelastung in der Gasphase ist vorgesehen, dass der ersten Werkzeugspülung eine zweite Werkzeugspülung nachgelagert ist, wobei die zweite Werkzeugspülung unter Zufuhr von Luft zur Werkzeugkavität und/oder unter Zufuhr eines Reinigungsgases mit einem Luftgehalt von wenigstens 50 Vol.-%, vorzugsweise von wenigstens 70 Vol.-%, weiter vorzugsweise von wenigstens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt von wenigstens 95 Vol.-%, und/oder unter lediglich unter Luftzufuhr erfolgt.
In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt, dass bei der zweiten Werkzeugspülung ein Gasstrom, der bereits einen deutlich reduzierten Imprägniermittelgehalt umfasst, über eine Abgasleitung und einen Kamin bzw. Schornstein in die Umgebung ableitbar ist. Mit anderen Worten ist im Rahmen der zweiten Werkzeugspülung keine nachgeschaltete Reinigung des Spülgases über eine Gasreinigungseinrichtung vorgesehen, sondern das Spülgas wird direkt an die Umgebung abgeführt. Besonders bevorzugt liegt der Volumenstrom des der Werkzeugkavität zugeführten Spülgases bei der zweiten Werkzeugspülung im Bereich von 10 m3/min bis 60 m3/min, vorzugsweise im Bereich von 20 m3/min bis 50 m3/min, weiter vorzugswei- se im Bereich von 30 m3/min bis 40 m3/min. Insbesondere ist hierzu eine entsprechende Gebläseeinrichtung vorgesehen, mit der die Förderung des Gasstroms in den angegebenen Volumenstrombereichen ermöglicht wird. Die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität und den mit der Werkzeugkavität verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, kann nach der zweiten Werkzeugspülung weniger als 1 g/m3, vorzugsweise weniger als 0,5 g/m3, weiter vorzugsweise weniger als 0,1 g/m3, insbesondere weniger als 0,01 g/m3, weiter insbe- sondere weniger als 0,001 g/m3, betragen. Dies setzt eine entsprechende Prozessteuerung und/oder -regelung voraus. Eine derart reduzierte Imprägniermittelkonzet- ration bzw. Imprägniermittelbelastung gestattet letztlich das Öffnen der Werkzeugkavität, ohne dass eine relevante Emission von Imprägniermittel im Bereich der Werkzeugkavität zu befürchten ist.
Insbesondere liegt die Imprägniermittelbelastung am Ende der zweiten Werkzeugspülung unterhalb eines Geruchsschwellenwertes, der beispielsweise für Styrol bei ca. 0,001 g/m3 liegt. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Werkzeug mit geeigneten Sensoreinrichtungen ausgerüstet sein kann, um eine vorzugsweise durchgehende Erfassung der Imprägniermittelbelastung in der Werkzeugkavität bzw. im Gesamtsystemvolumen zu realisieren. Alternativ kann nach dem Absenken des Drucks insbesondere auf Umgebungsdruck in der Werkzeugkavität bzw. im Gesamtsystem noch vorhandenes Gas über eine Vakuumpumpe abgesaugt werden. Besonders bevorzugt wird der Gasstrom dabei nicht direkt der Pumpe zugeführt, sondern vorgefiltert, beispielsweise mittels eines Aktivkohlefilters. Darüber hinaus kann das Gas über eine Kühleinrichtung auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise unterhalb von 40 °C, gekühlt werden, ehe es der Vakuumpumpe zugeführt wird. Jedoch kann auch die Vakuumpumpe derart ausgebildet sein, dass eine direkte Absaugung ohne vorgeschaltete Einrichtungen durchgeführt wird. Eine weitere Alternative zur Reinigung des Gesamtsystemvolumens nach der Aushärtung ist in der "Pulsreinigung" zu sehen. Im Rahmen dieser Methode wird mehrmalig eine Druckerhöhung und Druckabsenkung im Gesamtsystemvolumen umgesetzt, um auf diese Weise die Styrolbeladung bzw. den Gehalt des gasförmigen Imprägniermittels im Gesamtsystemvolumen stetig abzusenken, ehe ein Öffnen des Werkzeugs ohne signifikante Entweichung von Imprägniermittel an die Umgebung erfolgt.
Gegebenenfalls kann nach der Pulsreinigung eine Kühlung des Gasstroms vorgesehen sein, wobei hierzu vorzugsweise eine entsprechende Kühleinrichtung vorgesehen ist. Es versteht sich, dass die vorgenannten Reinigungs- bzw. Spülverfahren sich in beliebiger Weise kombinieren und/oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgend durchführen lassen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werk- zeugs ist vorgesehen, dass die Gaszufuhr und/oder die Gasabfuhr in bzw. aus der Werkzeugkavität über ein Werkzeugoberteil oder ein Werkzeugunterteil erfolgt und/oder das in der Werkzeugkavität wenigstens eine Leiteinrichtung für die Gaszirkulation und eine gleichmäßige Erwärmung des Bauteils angeordnet ist. Zur Aufnahme des Bauteils in der Werkzeugkavität kann eine vorzugsweise lösbar mit einem Werkzeugunterteil verbindbare Imprägnierwanne vorgesehen sein. Dadurch wird der Imprägniervorgang vereinfacht. Im Übrigen kann die Imprägnierwanne vorzugsweise zur nicht formangepassten Aufnahme des Bauteils ausgestaltet sein. Damit lassen sich bedarfsweise unterschiedlich große Bauteile in der Wanne imprägnieren und das Einsetzen und Herausnehmen des Bauteils wird vereinfacht.
Vorzugsweise in einem Werkzeugunterteil kann ein Einsetzbereich für eine Imprägnierwanne vorgesehen sein. Das Imprägnieren und Aushärten des Bauteils er- folgt dann in der Imprägnierwanne. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass ein Einsatzbereich des Werkzeugs unmittelbar mit Imprägniermittel befüllt wird und dann die Imprägnierung bzw. Aushärtung des Bauteils direkt in dem Werkzeug erfolgt. Es ist zweckmäßig, wenn zwischen einer Imprägnierwanne im Inneren des Werkzeugs und einer angrenzenden Wandung des Werkzeugs eine gegenüber dem Inneren der Imprägnierwanne und/oder dem Innenraum des Werkzeugs geschlosse- ne und/oder schließbare Kavität ausgebildet bzw. ausbildbar ist. Im geschlossenen Werkzeug lässt sich so im Bereich innerhalb bzw. oberhalb der Imprägnierwanne zwischen den Werkzeughälften einerseits und im Bereich zwischen der Imprägnierwanne und der angrenzenden Wandung des Werkzeugs andererseits jeweils eine Kavität ausbilden, wobei beide Kavitäten gasdicht und/oder druckdicht voneinander getrennt sind bzw. trennbar sind. Damit ist es möglich, den Druck in beiden Kavitäten in Abhängigkeit voneinander einzustellen und/oder zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere besteht die Möglichkeit, den Druck in der zwischen der Imprägnierwanne und der angrenzenden Wandung des Werkzeugs gebildeten Kavität anzupassen an den Druck im Innenraum der Imprägnierwanne, wobei das Druckniveau in der zwischen der Imprägnierwanne und der Wandung des Werkzeugs gebildeten Kavität und das Druckniveau im Inneren der Imprägnierwanne bzw. zwischen den geschlossenen Werkzeugteilen im Wesentlichen gleich eingestellt sein kann, um eine ungewollte Formänderung bzw. das Kollabieren der Im- prägnierwanne bei der Druckeinstellung im Innenraum des Werkzeugs zu verhindern. Darüber hinaus trägt eine separate Gasatmosphäre, insbesondere unter Druck, in der zwischen der Imprägnierwanne und der Wandung des Werkzeugs gebildeten oder ausbildbaren Kavität dazu bei, Wärmeverluste möglichst gering zu halten.
Weiter vorzugsweise kann zwischen einer Imprägnierwanne und einer angrenzenden Wandung des Werkzeugs ein Dämmmaterial vorgesehen sein, um Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Bei dem Dämmmaterial kann es sich beispielsweise um ein Isoliermaterial, wie Isolierwolle, handeln. Um sicherzustellen, dass in der Gasphase befindliches Imprägniermittel nicht in das Dämmmaterial eindringt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Dämmmaterial gasdicht von der Gasatmosphäre im Innenraum der Imprägnierwanne getrennt ist. Zwischen der Imprägnierwanne und einer angrenzenden Innenwand des Werkzeugs kann ein Aufnahmeraum für das Dämmmaterial geschaffen sein, der gasdicht von dem Innenraum der Imprägnierwanne getrennt ist. Der Druck im Aufnahmeraum für das Dämmmaterial kann unabhängig vom Druck im Innenraum der Imprägnierwanne gesteuert und/oder geregelt, insbesondere abgesenkt oder erhöht, werden. Damit ist eine Ausgestaltung des Aufnahmeraums für das Dämmmaterial möglich, bei der der Aufnahmeraum druckunabhängig vom Innenraum der Imprägnierwanne ist. Auch eine doppelwandige Ausbildung des Werkzeugs ist möglich, um einen gegenüber der Gasatmosphäre in der Imprägnierwanne gasdicht abgeschlossenen Aufnahmeraum für das Dämmmaterial zu schaffen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist vorgesehen, dass ein Einsatzbereich des Werkzeugs zur Aufnahme von unterschiedlich großen Wannen bzw. Imprägnierwannen mit unterschiedlichem Fassungsver- mögen ausgebildet ist. Das Einsetzvolumen der größten Wanne wird hierbei durch das Innenvolumen des Einsatzbereichs begrenzt. Dadurch ist es möglich, je nach Größe und Art des Bauteils eine angepasste Imprägnierwanne zu verwenden, was den Imprägniervorgang weiter vereinfacht. Insbesondere wird durch die Verwendung einer an die Größe und Art des Bauteils angepassten Imprägnierwanne ein möglichst geringer Imprägniermittelverbrauch erreicht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Imprägnierwanne und/oder der Einsatzbereich auf der Innenseite eine Schutzbeschichtung, insbesondere eine Teflonbeschichtung, auf. Auf diese Weise wird die Reinigung der Werkzeugkavität erleichtert und die Standzeit der Imprägnierwanne über mehrere Zyklen zur Imprägnierung entsprechender Bauteile erhöht sich.
Ist als Gasreinigungseinrichtung eine Verbrennungsanlage vorgesehen, so kann zwischen der Gasreinigungseinrichtung und der Werkzeugkavität vorzugsweise wenigstens eine Rückschlagarmatur vorgesehen sein. Insbesondere ist eine Rückschlagarmatur dem Werkzeug zugeordnet und eine weitere Rückschlagarmatur der Verbrennungsanlage. Vor einem Gebläse kann ebenfalls eine Rückschlagarmatur vorgesehen sein. Damit lassen sich Rückschlageffekte vermeiden. Ist als Gasreinigungseinrichtung wenigstens ein Filter, insbesondere Aktivkohlefilter, vorgesehen, so kann dieser Filter bis wenigstens 6 bar, vorzugsweise bis wenigstens 8 bar, weiter vorzugsweise bis 10 bar, druckstabil sein.
Im Übrigen ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wenigstens eine gekühlte Imprägniermittelleitung zum Einleiten von gekühltem Imprägniermittel in die Werkzeugkavität vorgesehen, wobei, vorzugsweise, am Leitungsende der Imprägniermittelleitung wenigstens eine gekühlte Einspritzdüse für Imprägniermittel vorgesehen sein kann, die an einem Werkzeugunterteil oder an einer Seitenwandung der Werkzeugkavität oder an einem Werkzeugoberteil angeschlossen sein kann. Dadurch wird ein unerwünschtes Aushärten im Zulaufbereich des Imprägniermittels im Rahmen des Prozesses der Aushärtung und/oder der Imprägnierung sicher ausgeschlossen. An der Werkzeugkavität kann wenigstens ein Füllstandssensor, vorzugsweise ein Radarsensor, zur Ermittlung eines Füllstandes des Imprägniermittels in der Werkzeugkavität vorgesehen sein. Auf diese Weise wird in besonders präziser Form der maximale Imprägniermittelstand ermittelt und dann die weitere Zufuhr von Imprägniermittel gestoppt, was mit einer besonders präzisen Imprägnierung verbunden ist.
In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Materialtank für Imprägniermittel vorgesehen ist, vorzugsweise wobei der Mate- rialtank mit einer Wiegeeinheit zur Ermittlung der im Rahmen der Imprägnierung und initiierten Gewichtsabnahme des Materialtanks ausgestattet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs- formen anhand der Zeichnung.
Es zeigten
Fig. 1 eine perspektivische, explosionsartige Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen und
Fig. 2 ein System zum Imprägnieren von isolierten Wicklungsstäbe mit zwei entsprechenden Werkzeugen.
Fig. 1 zeigt ein Werkzeug 1 zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen 2 in einer Teilexplosionsdarstellung. Ein gattungsgemäßes Werkzeug ist bereits in der DE 10 2016 005 320 A1 beschrieben, so dass nachfolgend im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen dem bekann- ten Werkzeug und dem dargestellten und beschriebenen Werkzeug 1 eingegangen wird.
Das Werkzeug 1 weist wenigstens ein Werkzeugoberteil 3 und ein Werkzeugunterteil 4 auf. Das Werkzeugoberteil 3 bildet einen Deckel des Werkzeugs 1 und ist über eine Scharnierverbindung mit dem Werkzeugunterteil 4 schwenkbar verbunden. Das Imprägnieren des Bauteils 2 erfolgt in einer Imprägnierwanne 5, die sich von oben in einen Einsetzbereich 6 des Werkzeugunterteils 4 einsetzen lässt. Im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 1 wird durch die Innenflächen 7 der Imprägnierwanne 5 und eine Innenfläche 8 des Werkzeugoberteils 3 eine Werkzeugkavität 9 gebildet, in die das Bauteil 2 zum Imprägnieren und Aushärten der am Bauteil 2 vorgesehenen Wicklungsisolierungen einsetzbar ist. Hierbei ist die Imprägnierwanne 5 zur nicht-formangepassten Aufnahme des Bauteils 2 ausgestaltet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Bauteil 2 nicht-formschlüssig in die Imprägnierkammer 5 einsetzbar ist. Die Imprägnierkammer 5 ist im Ergebnis in Bezug auf die Abmessungen des Bauteils 2 überdimensioniert, so dass das Einsetzen und Herausnehmen des Bauteils 2 aus der Imprägnierwanne 5 in einfacher Weise möglich ist. Gleichzeitig ist das Innenvolumen der Imprägnierwanne 5 jedoch an die Bauteilart angepasst, um die für einen Imprägniervorgang des Bauteils 2 erforderliche Menge an Imprägniermittel möglichst gering zu halten und damit Ressourcen zu schonen.
Nicht dargestellt ist, dass unterschiedlich große Imprägnierwannen 5 bedarfsweise und in Abhängigkeit von der Bauteilgröße und/oder der Bauteilform in den Einsetzbereich 6 einsetzbar sind.
Das Imprägnieren des Bauteils 2 kann auch unmittelbar im Einsetzbereich 6 des Werkzeugunterteils 4 erfolgen, wobei dann der Einsatz einer Imprägnierwanne 5 nicht vorgesehen ist. Die Imprägnierwanne 5 kann auch sowie der Einsetzbereich 6, innenseitig eine Schutzbeschichtung, insbesondere eine Teflonbeschichtung, aufweisen. Zum Auswechseln der Schutzbeschichtung nach mehreren Imprägnierungs- und Aushärtungszyklen kann sich die Imprägnierwanne 5 bedarfsweise aus dem Einsetzbereich 6 herausheben lassen.
Die Werkzeugkavität 9 lässt sich im geschlossenen Zustand der Werkzeugteile 3, 4 mit einer nicht im Einzelnen gezeigten vakuumbildenden Einrichtung evakuieren, so dass mögliche Gasansammlungen im Bereich der Wicklungsisolierungen des Bauteils 2 entfernt werden, welche ein Hindernis für die Aufnahme des Impräg- niermittels bilden könnten. Zum Evakuieren der Werkzeugkavität 9 kann die vakuumbildende Einrichtung eine Vakuumpumpe aufweisen. Die Werkzeugkavität 9 bzw. die Imprägnierwanne 5 ist über eine vorzugsweise gekühlte Imprägniermittelleitung 10, die durch eine Öffnung 11 in einer Seitenwand und/oder Unterwand des Werkzeugunterteils 4 hindurch geführt und mit einem in Fig. 2 dargestellten Vorratsbehälter 12 für das Imprägniermittel verbunden ist, mit Imprägnierfluid befüllbar. Bei der Evakuierung der Werkzeugkavität 9 kann gleichzeitig der Imprägniermittelbehälter mit Vakuum beaufschlagt werden. Nach Kontrolle der Vakuumstabilität kann dann das Imprägniermittel über die Imprägniermittelleitung 10 in die Werkzeugkavität 9 über eine nicht im Detail dargestellte vorzugsweise gekühlte Einspritzdüse einströmen. Hierbei wird das in der Werkzeugkavität 9 angeordnete Bauteil 2 von dem Imprägniermittel überflutet, bis eine bestimmte maximale Füllhöhe des Imprägniermittels in der Imprägnierwanne 5 erreicht ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zuströmung von Imprägniermittel in die Imprägnierwanne 5 automatisch nach Erreichen einer vorbestimmten Imprägniermittelmenge beendet wird. Vorzugsweise wird das über eine Wiegeeinheit im Material- tank und einen Radarsensor an der Werkzeugkavität erreicht. Die maximale Füllhöhe des Imprägniermittels in der Imprägnierwanne 5 kann wenigstens 20 mm, vorzugsweise wenigstens 30 mm, weiter vorzugsweise bis 50 mm, oberhalb von dem Bauteil 2 liegen. Die Imprägnierwanne 5 weist mehrere Auflagepunkte auf, auf denen das Bauteil 2 für den Imprägnier- und Aushärtungsvorgang abgestützt ist. Dabei sind die Auflagepunkte derart angeordnet, dass das Bauteil 2 beabstandet von einem Boden der Imprägnierwanne 5 gehalten wird, was den Imprägnier- und Aushärtungsvorgang weiter vereinfacht und verbessert. Durch den Bodenabstand wird sichergestellt, dass das Bauteil 2 von allen Seiten für das Imprägniermittel und bei der späteren Erwärmung auf Aushärtungstemperatur für die Heißluft zugänglich ist. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Imprägnierwanne 5 zwei schräge Wandabschnitte 13, 14 auf, die zum Halten des Bauteils 2 in der Werkzeugkavität 9 vorgesehen sind. Hierdurch wird das Bauteil 2 beabstandet von einem Boden der Im- prägnierwanne 5 gehalten, wobei der Abstand a zwischen dem Bauteil 2 und dem Boden wenigstens 5 cm, vorzugsweise wenigstens 10 cm, betragen kann.
Zur Unterstützung des Imprägniervorgangs kann sich eine Druckperiode anschließen, die das Eindringen des Imprägniermittels in die Wicklungsisolierungen des Bauteils 2 fördert. Zu diesem Zweck ist die Werkzeugkavität 9 im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 1 druckfest ausgebildet. Die Druckperiode kann automatisch ausgelöst werden, bis die Sättigung erreicht ist. Ein maximaler Imprägnier- druck kann im Bereich zwischen 4 und 10 bar, vorzugsweise bei ca. 5 bar, liegen. Um den Imprägnierdruck und die Aushärtetemperatur zu erreichen, kann Stickstoff mit einer Pumpe über eine Zufuhrleitung 15 in die Werkzeugkavität 9 eingeleitet werden. Über die Zufuhrleitung 15 für Stickstoff kann auch die Evakuierung der Werkzeugkavität 9 vor dem Einleiten des Imprägniermittels erfolgen.
Nach Beendigung der Imprägniermittelaufnahme kann der Imprägniermittelüberschuss über eine nicht gezeigte Ablaufleitung abgelassen und wieder dem Vorratsbehälter 12 zugeführt werden, vorzugsweise über wenigstens eine Filtereinrichtung und/oder eine Entgasungseinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung.
Das Ablassen des Imprägniermittels aus der Werkzeugkavität 9 führt zu einer Druckabsenkung in der Werkzeugkavität 9, wobei die Druckabsenkung im Bereich zwischen 1 bis 2 bar liegen kann.
Zur Wärmeübertragung bei dem sich anschließenden Aushärtungsvorgang des Bauteils 2 ist es jedoch von Vorteil, den Druck in der Werkzeugkavität 9 durch Zufuhr von Stickstoff über die Zufuhrleitung 15 wieder zu erhöhen. Zum Aushärten der Wicklungsisolierungen des Bauteils 2 in der Werkzeugkavität 9 wird der Stickstoff in der Werkzeugkavität 9 über ein Heizgebläse im Umwälzbetrieb auf wenigstens die Aushärtetemperatur, beispielsweise zwischen 100 °C und 120 °C, erhitzt. Der Imprägniervorgang und der Aushärtungsvorgang können damit ohne Umsetzen des Bauteils 2 in demselben Werkzeug 1 in einem Prozessschritt erfolgen, d. h. ohne Öffnen der Werkzeugteile 3, 4,. Die Werkzeugkavität 9 bildet hierbei ein zur Umgebung geschlossenes System, so dass ein ungewollter Austritt von Imprägniermittel aus der Werkzeugkavität in die Umgebung beim Imprägnieren und Aus- härten des Bauteils 2 verhindert wird. Das Werkzeugoberteil 3 und das Werkzeugunterteil 4 lassen sich im Wesentlichen luftdicht miteinander verbinden, um eine vakuum- und druckdichte Werkzeugkavität 9 auszubilden.
Ein Gesamtsystemvolumen des Werkzeugs 1 , das aus dem inneren bzw. Leervolumen der Werkzeugkavität 9 einerseits und sämtlichen an die Werkzeugkavität angeschlossenen Rohrvolumen, hier beispielshaft der Leitungen 15 und 16, gebildet wird, beträgt erfindungsgemäß wenigstens 10 m3. Das Erwärmen des Bauteils 2 zum Aushärten des Imprägniermittels erfolgt durch Zufuhr von Stickstoff über die Zufuhrleitung 15 und nachfolgendes Erhitzen des Stickstoffs.
Des Weiteren ist mindestens eine Abfuhrleitung 16 vorgesehen, um einen imprägniermittelhaltigen Gasstrom aus der Werkzeugkavität 9 abzuführen. Die Abfuhrleitung 16 und die Zufuhrleitung 15 münden in der Werkzeugkavität 9 oberhalb der Imprägnierwanne 5 und sind durch das Werkzeugoberteil 3 hindurchgeführt. Es kann jedoch auch eine Variante vorgesehen sein, bei der die in Rede stehenden Leitungen durch das Werkzeugunterteil 4 hindurchgeführt sind. Die Abfuhrleitung 16 ist über eine Kreislaufleitung 17 mit der Zufuhrleitung 15 verbindbar. Dadurch wird im Rahmen des Erwärmens des Bauteils 2 bzw. des Aushärtens des Imprägniermittels ein Umluftbetrieb zur Zirkulation des stickstoffhaltigen Gases unter Druck ermöglicht. Die Abfuhrleitung 16 kann darüber hinaus mit einer in Fig. 2 dargestellten Gasreinigungseinrichtung 18 verbunden sein. Beim Darstellungsbeispiel ist die Gasreinigungseinrichtung 18 als Filtereinrichtung, insbesondere Aktivkohlefiltereinrichtung, ausgebildet. Es kann jedoch auch alternativ oder zusätzlich eine vorzugsweise katalytische Verbrennungseinrichtung zur Aufbereitung des aus der Werkzeugkavität 9 austretenden Gasstroms vorgesehen sein.
Im Ergebnis ist mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 1 eine Fleißgaszirkulation unter Druck im Rahmen des Aushärtens des Imprägniermittels möglich. Die Bauteiltemperatur kann direkt am Bauteil 2 im Werkzeug 1 gemessen und darüber ge- regelt werden. FHierbei ist das Werkzeug 1 noch verschlossen, so dass ein ungewollter Austritt von Imprägniermittel aus der Werkzeugkavität 9 nicht zu befürchten ist.
Die Abfuhrleitung 16 und/oder die Zufuhrleitung 15 sowie gegebenenfalls weitere Bereiche des Rohrleitungssystems können evakuierbar sein, um das Druckniveau unter den Betriebsdruck in der Werkzeugkavität 9 abzusenken. Vorzugsweise lassen sich die Abluftleitung 16 und die Zufuhrleitung 15 fluidisch von der Werkzeugkavität 9 trennen bzw. abkapseln, wobei die Leitungen während des Imprägniervorgangs unter Unterdrück stehen können. Zum Absperren der Abfuhrleitung 16 und/oder Zufuhrleitung 15 gegenüber der Werkzeugkavität 9 kann das Werkzeug 1 ein entsprechend ausgebildeter Absperreinrichtungen bzw. Ventile aufweisen. Der Fleizkreislauf wird unter Vakuum gehalten und nach dem Zuschalten bzw. Öffnen des Heizkreislaufs mit dem in der Werkzeugkavität 9 befindlichen Stickstoff- Imprägniermittel-Gemisch geflutet. Beim Öffnen der Absperrung der Abfuhrleitung 16 und/oder der Zufuhrleitung 15 einerseits und der Werkzeugkavität 9 andererseits kommt es dann aufgrund des Unterdrucks in den Leitungen 15, 16 zu einem Absenken des Druckniveaus der Werkzeugkavität 9. Durch Zufuhr erhitzten Stickstoffs über die Zufuhrleitung 15 lässt sich dann das Druckniveau in der Werkzeugkavität 9 bedarfsweise entsprechend erhöhen und die Imprägniermittelkonzentration in der Werkzeugkavität 9 steuern, um in vorteilhafter Weise auf die Wärmeübertragung von dem erhitzten Stickstoff auf das Imprägniermittel bzw. das Bauteil 2 Einfluss zu nehmen und um eine Verbrennungsreaktion zwischen dem zugeführten Heiß-Stickstoff und imprägniermittelhaltigem Gas in der Werkzeugkavität 9 zu verhindern. Eine Druckeinflussnahme über Stickstoffzufuhr ist vor und auch während der Erwärmung des Bauteils 2 bzw. dem Aushärten des Imprägniermittels innerhalb der Werkzeugkavität 9 möglich.
Die Erwärmung des Bauteils 2 während des Aushärtungsvorgangs erfolgt vorzugsweise im Umluftbetrieb. Hierzu wird eine Zirkulierung des Gasgemisches, gebildet aus dem imprägniermittelhaltigen Gas und dem Stickstoff, vorgesehen. Nachfolgend wird auf eine Variante zum Reinigen des imprägniermittelhaltigen Gases eingegangen, wobei hierzu eine entsprechend ausgebildete Mess-, Steuer- und/oder Regelungstechnik zur Realisierung der nachfolgend erörterten Prozessschritte und Prozessparameter vorgesehen ist. Nach Ablauf einer bestimmten Aushärtungszeit kann über die Abfuhrleitung 15 zur Absenkung des Drucks in der Werkzeugkavität 9 das dampfförmige Imprägniermittel zusammen mit dem eingeleiteten Stickstoff abgeführt werden, was auch mit einer Abkühlung des Bauteils in der Werkzeugkavität verbunden ist. Dieses Gasgemisch kann dann der Gasreinigungsanlage 18, im vorliegenden Fall zwei Aktivkoh- lefiltern, zugeführt werden, was insbesondere anhand von Fig. 2 ersichtlich ist.
Nach dem Druckaufbau erfolgt vorzugsweise im Rahmen einer ersten Werkzeugspülung wiederum die Zufuhr von Stickstoff in die Werkzeugkavität 9, wobei der Stickstoff die Werkzeugkavität 9 durchströmt. Vorzugsweise wird reiner Stick- stoff über die Zufuhrleitung 15 der Werkzeugkavität 9 zugeführt, durchströmt die Werkzeugkavität 9, wird anschließend über die Abfuhrleitung 16 wieder aus der Werkzeugkavität 9 ausgeleitet und über die Gasreinigungseinrichtung 18 letztlich gefiltert der Umgebung wieder zugeführt. Auf diese Weise wird eine erste Reduzierung bzw. Reinigung des imprägniermittelhaltigen Gases in der Werkzeugkavität 9 realisiert. Hierzu sind entsprechende Gebläse 19 vorgesehen, die in Fig. 2 dargestellt sind.
Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Werkzeug 1 bzw. die zugeordnete Steuer- und/oder Regelungseinrichtung einen bedarfsweisen Betrieb zwischen einem Umluftbetrieb im Rahmen der Aushärtung einerseits, wobei in diesem Fall erhitzter Stickstoff zirkuliert bzw. in Form eines Kreislaufs geführt wird, und ei- nem Betrieb andererseits, bei dem eine Durchströmung der Werkzeugkavität 9 mit Stickstoff als Spülgas und eine Weiterleitung des Gasstroms aus der Werkzeugkavität 9 über die Gasreinigungsanlage 18 zum Ausgang des Systems bzw. an die Umgebung erfolgt. Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1 weist das erfindungsgemäße Werkzeug 1 auch zur geeigneten Strömungsführung des Gases, insbesondere des eingeleiteten erhitzten oder nicht-erhitzten Stickstoffs, in die Werkzeugkavität 9, wenigstens eine Leiteinrichtung 20 auf. Fig. 2 zeigt darüber hinaus auch ein System 21 zum Imprägnieren von Bauteilen 2. Das System 21 weist wenigstens zwei Werkzeuge 1 auf, in denen die Imprägnierung des Bauteils 2 erfolgt. Besonders bevorzugt sind diese Werkzeuge 1 erfindungsgemäß bzw. wie zuvor umfassend beschrieben, ausgebildet. Die beiden Abfuhrleitungen 16 der Werkzeuge 1 münden in eine gemeinsame Ablaufleitung 22, die letztlich zu einer, beim Darstellungsbeispiel zwei in Reihe hintereinandergeschaltete, Gasreinigungseinrichtung 18 mündet, wobei in diesen Gasreinigungseinrichtungen 18 eine Reinigung des imprägnierhaltigen Gases erfolgt, derart, dass dieses gereinigte bzw. gefilterte Gas dann unter Freisetzung ver- gleichsweise geringer Imprägniermengen an die Umgebung weitergeleitet werden kann.
Nicht im Detail dargestellt ist, dass wenigstens eine Sensoreinrichtung, vorzugsweise ein Radarsensor an der Werkzeugkavität 9 zur Ermittlung eines Füllstandes von Imprägniermittel in der Werkzeugkavität 9 und/oder zur Ermittlung bzw. Aufzeichnung der Imprägniermittelbelastung in der Werkzeugkavität 9 vorgesehen ist. Bezugszeichenliste:
1 Werkzeug 15 13 Wandabschnitt
2 Bauteil 14 Wandabschnitt 3 Werkzeugoberteil 15 Zufuhrleitung
4 Werkzeugunterteil 16 Abfuhrleitung
5 Imprägnierwanne 17 Kreislaufleitung
6 Einsetzbereich 20 18 Gasreinigungseinrichtung
7 Innenfläche 19 Gebläse 8 Innenfläche 20 Leiteinrichtung
9 Werkzeugkavität 21 System
10 Imprägniermittelleitung 22 gemeinsame Abfuhrleitung
11 Öffnung 25 23 Imprägnierwanne
12 Vorratsbehälter

Claims

Ansprüche:
1. Werkzeug (1) zum Imprägnieren und Aushärten von Wicklungsisolierungen von elektrischen Bauteilen (2), insbesondere zum Imprägnieren von Wicklungsisolierungen von Statorsegmenten für elektrische Maschinen, wie
Motoren und Generatoren, vorzugsweise mit wenigstens einem Werkzeugoberteil (3) und mit wenigstens einem Werkzeugunterteil (4) und/oder mit einem gasdicht verschließbaren, vorzugsweise zylindrischen Druckbehälter, wobei in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs (1) zwischen dem Werkzeugoberteil (3) und dem Werkzeugunterteil (4) eine vakuum- und, vorzugsweise, druckfeste Werkzeugkavität (9) ausbildbar ist, wobei die Werkzeugkavität (9) zur nicht- formangepassten Aufnahme von wenigstens einem Bauteil (2) ausgestaltet ist, wobei die Werkzeugkavität (9) evakuierbar und zum Imprägnieren eines in der Werkzeugkavität (9) angeordneten Bauteils (2) mit einem Imprägniermittel, vorzugsweise Styrol, befüllbar ist, wobei das imprägnierte Bauteil (2) zum
Aushärten des Imprägniermittels in der Werkzeugkavität (9) auf eine Aushärtungstemperatur erwärmbar ist, wobei die Imprägnierung und Aushärtung in einem zur Umgebung geschlossenen Prozess in der Werkzeugkavität (9) erfolgen und wobei ein freies Gesamtsystemvolumen des Werkzeugs (1), gebildet aus dem inneren Volumen der Werkzeugkavität (9) zur Aufnahme des Bauteils (2) und einem mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen und/oder verbindbaren freien inneren Rohrleitungsvolumen, wenigstens 1 m3 beträgt.
2. Werkzeug (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das freie Gesamtsystemvolumen des Werkzeugs (1), gebildet aus dem inneren Volumen der Werkzeugkavität (9) zur Aufnahme des Bauteils (2) und dem mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen und/oder verbindbaren freien inneren Rohrleitungsvolumen, zwischen 5 m3 und 500 m3, vorzugsweise zwischen 10 m3 und 200 m3, besonders bevorzugt zwischen 10 m3 und 100 m3, beträgt.
3. Werkzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des Impränigermittels unter Überdruck und nach Zufuhr eines Gasstroms mit einem Stickstoffgehalt von wenigstens 50 Vol.-%, vorzugsweise von wenigstens 70 Vol.-%, weiter vorzugsweise von wenigstens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt von wenigstens 95 Vol.-%, und/oder unter einer Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 5 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 2 Vol.- %, weiter vorzugsweise weniger als 1 Vol.-%, erfolgt.
4. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Anspüche, dadurch gekennzeichent, dass die Aushärtung bei einem Überdruck zwischen 3 bar und 10 bar, vorzugsweise zwischen 3,5 bar und 8 bar, insbesondere zwischen 4 bar und 6 bar, erfolgt und/oder dass wenigstens eine Einrichtung zur Erhitzung der Gasatmosphäre im Werkzeug (1) nach erfolgtem Druckaufbau vorgesehen ist und/oder dass dem Werkzeug (1) erhitzter Stickstoff zuführbar ist.
5. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität (9) und den mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die maximale Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, bei der Aushärtung unter Druck weniger als 500 g/m3, vorzugsweise weniger als 400 g/m3, weiter vorzugsweise weniger als 350 g/m3, insbesondere weniger als 250 g/m3, weiter insbesondere weniger als 200 g/m3, besonders bevorzugt weniger als 150 g/m3oder wenigstens 30 g/m3 beträgt.
6. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aushärtung ein Druckabbau im Werkzeug (1) bzw. im Gessamtsystemvolumen vorzugsweise auf Umgebungsdruck vorgesehen ist, wobei für einen Druckabbau ein imprägnier- und stickstoffhaltiger Gasstrom mit einem Druck von weniger als 10 bar, vorzugsweise von weniger als 8 bar, besonders bevorzugt von weniger als 6 bar, aus der Werkzeugkavität (9) und mit der Werkzeugkavität verbundenen Rohrleitungen einer Gasreinigungseinrichtung (18) zuführbar ist.
7. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasreinigungseirichtung (18) wenigstens einen, vorzugsweise mehrere in Reihe geschaltete Filter, insbesondere Aktivkohlefilter, aufweist, wobei vorzugsweise, die Aktivkohlefilter ausgelegt sind auf eine Standzeit von wenigstens 150 Zyklen, vorzugsweise von wenigstens 200 Zyklen, besonders bevorzugt zwischen 200 und 300 Zyklen.
8. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität (9) und den mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die maximale Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, nach dem Druckabbau weniger als 150 g/m3, insbesondere weniger als 100 g/m3, weiter insbesondere weniger als 70 g/m3, beträgt.
9. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Druckabbau eine erste Werkzeugspülung vorgesehen ist, wobei die erste Werkzeugspülung unter Zufuhr von Stickstoff zur Werkzeugkavität (9) und/oder unter Zufuhr eines stickstoffhaltigen Spülgasstroms mit einem Stickstoffgehalt von wenigstens 50 Vol.-%, vorzugsweise von wenigstens 70 Vol.-%, weiter vorzugsweise von wenigstens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt von wenigstens 95 Vol.-%, und/oder unter lediglich unter Stickstoffzufuhr erfolgt.
10. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasreinigungseinrichtung (18) bei der ersten Werkzeugspülung ein imprägnier- und stickstoffhaltiger Spülgasstrom aus der Werkzeugkavität (9) zuführbar ist.
11. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des der Werkzeugkavität (9) zugeführten Spülgases bei der ersten Werkzeugspülung im Bereich von 0,1 m3/min bis 10 m3/min, vorzugsweise im Bereich von 0,2 m3/min bis 5 m3/min, weiter vorzugsweise im Bereich von 0,5 m3/min bis 3 m3/min, liegt.
12. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität (9) und den mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, nach der ersten Werkzeugspülung weniger als 40 g/m3, vorzugsweise weniger als 30 g/m3, weiter vorzugsweise weniger als 20 g/m3, insbesondere weniger als 10 g/m3, beträgt.
13. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Werkzeugspülung eine zweite Werkzeugspülung vorgesehen ist, wobei die zweite Werkzeugspülung unter Zufuhr von Luft zur Werkzeugkavität (9) und/oder unter Zufuhr eines Reinigungsgases mit einem Luftgehalt von wenigstens 50 Vol.-%, vorzugsweise von wenigstens 70 Vol.- %, weiter vorzugsweise von wenigstens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt von wenigstens 95 Vol.-%, und/oder unter lediglich unter Luftzufuhr erfolgt.
14. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Werkzeugspülung ein imprägnier-, stickstoff- und lufthaltiger Spülgasstrom über eine Abgasleitung, insbesondere über einen Kamin bzw. Schornstein, aus der Werkzeugkavität (9) an die Umgebung ableitbar ist.
15. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des der Werkzeugkavität (9) zugeführten Spülgases bei der zweiten Werkzeugspülung im Bereich von 10 m3/min bis 60 m3/min, vorzugsweise im Bereich von 20 m3/min bis 50 m3/min, weiter vorzugsweise im Bereich von 30 m3/min bis 40 m3/min, liegt.
16. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniermittelbelastung in der Gasphase der Werkzeugkavität (9) und den mit der Werkzeugkavität (9) verbundenen Rohrleitungen, insbesondere die Belastung mit Stryol und/oder Styrolverbindungen in der Gasphase, nach der zweiten Werkzeugspülung weniger als 1 g/m3, vorzugsweise weniger als 0,5 g/m3, weiter vorzugsweise weniger als 0,1 g/m3, insbesondere weniger als 0,01 g/m3, weiter insbesondere weniger als 0,001 g/m3, beträgt.
17. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhr und/oder die Gasabfuhr in bzw. aus der Werkzeugkavität (9) über ein Werkzeugoberteil (3) oder ein Werkzeugunterteil (4) erfolgt und/oder dass in der Werkzeugkavität (9) wenigstens eine Leiteinrichtung (20) für die Gaszirkulation und eine gleichmäßige Erwärmung des Bauteils (2) angeordnet ist.
18. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine lösbar mit dem Werkzeug (1) verbindbare Imprägnierwanne (5) zur Aufnahme des Bauteils (2) vorgesehen ist, wobei die Imprägnierwanne zur nicht-formangepassten Aufnahme des Bauteils (2) ausgestaltet ist und/oder wobei die Imprägnierwanne (5) und/oder ein Einsetzbereich (6) des Werkzeugs (1) auf der Innenseite eine Schutzbeschichtung, insbesondere eine Teflonbeschichtung, aufweist bzw. aufweisen.
19. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ströungsrichtung zwischen dem Werkzeug (1) und der
Gasreinigungseinrichtung (18) wenigstens eine Rückschlagarmatur vorgesehen ist.
20. Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine gekühlte Imprägniermittelleitung (10) zum Einleiten von gekühltem Imprägniermittel in die Werkzeugkavität (9) vorgesehen ist, wobei, vorzugsweise, die Imprägniermittelleitung (10) wenigstens eine gekühlte Einspritzdüse für Imprägniermittel aufweist.
21. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Füllstandssensor, vorzugsweise ein
Radarsensor, an der Werkzeugkavität (9) zur Ermittlung des Füllstandes von Imprägniermittel in der Werkzeugkavität (9) vorgesehen ist.
22. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Vorratsbehälter (12) für Imprägniermittel vorgesehen ist, wobei ein Gewichtssensor zur Ermittlung des Behältergewichts vorgesehen ist.
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