EP0939963A1 - Verfahren zur tränkung von bauteilen - Google Patents

Verfahren zur tränkung von bauteilen

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EP0939963A1
EP0939963A1 EP97951185A EP97951185A EP0939963A1 EP 0939963 A1 EP0939963 A1 EP 0939963A1 EP 97951185 A EP97951185 A EP 97951185A EP 97951185 A EP97951185 A EP 97951185A EP 0939963 A1 EP0939963 A1 EP 0939963A1
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EP
European Patent Office
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impregnating
components
impregnating agent
impregnation
radiation
Prior art date
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EP97951185A
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English (en)
French (fr)
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EP0939963B1 (de
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Klaus-Wilhelm Lienert
Rainer Blum
Günter HEGEMANN
Manfred Eichhorst
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Altana Electrical Insulation GmbH
Original Assignee
Beck & Co AG Dr
Drbeck & Co AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP0939963B1 publication Critical patent/EP0939963B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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

Definitions

  • the invention relates to a method for impregnating components with polymerizable compositions which are liquid at room temperature or liquefiable by heating and which can be hardened by a combined application of heat and high-energy radiation.
  • EP-A-0 643 467 proposes to obtain a pre-gelling and fixing of the impregnating agent and a thermal hardening to improve the impregnating agent distribution in the component during the impregnation via coil heating. At the same time as the thermal hardening on the windings or after the thermal hardening on the windings, those parts of the components that were not reached by the winding heating should be hardened with high-energy, preferably UV radiation.
  • a disadvantage of this method is that with the heating over the windings, only a partial hardening is carried out thermally and that the hardening then takes place with blasting. Since all known components make up have that are not achieved with partial thermal curing and are in the shaded area during post-curing with rays, components that have been treated in accordance with EP-A-0 643 467 always have areas where the impregnating agent is only insufficiently cured. Undesirable emissions then occur from these areas and the impregnant can only insufficiently fulfill its functions there.
  • EP-A-0 643 467 does not contain any teaching on the use of the method in the generally claimed techniques for impregnation.
  • Pre-gelling by winding heating during the impregnation is not sensible because the cavities are filled indefinitely.
  • Preheating the windings to lower the viscosity and thus to accelerate the filling is known in the art, e.g. in the various immersion and flooding processes in which the components are heated in order to achieve a reduction in viscosity and thus better and faster filling. Heating to gelation during impregnation does the opposite, namely an undefined filling of the cavities due to gelation.
  • the polymeric components of known impregnating, casting and coating compositions for electrical components are preferably unsaturated polyesters which are dissolved in vinylically unsaturated compounds, such as styrene, vinyl toluene, allyl phthalate and monomeric or oligomeric acrylic or vinyl esters which are radically (co) polymerized.
  • Impregnating, casting and coating compositions are generally understood to be resin compositions which are used in electrical engineering for impregnating windings, the generally known processes, such as, for example, immersion impregnation, trickling technology, the
  • Dip rolling and flooding are used, these processes possibly being supported by the application of vacuum and / or pressure.
  • the method according to the invention solves the problems mentioned above by partial gelling or partial hardening of the soaked components already in the soaking agent, then allowing the non-gelled impregnating agent portions to run off, if necessary returning these expired soaking agents, if necessary after cooling them, into the soaking agent supply, detaching the component surfaces with high-energy radiation and then thermally curing.
  • the method according to the invention it is possible for the first time to set a largely uniform impregnating agent filling of any filling level practically at any point of the components.
  • the emission of volatile impregnant components is reduced in such a way that there is almost no loss of impregnant.
  • This method is particularly advantageous in immersion impregnation techniques in which virtually no monomers can escape from the immersion system during the partial hardening, which takes place in the immersed state.
  • a large part of volatile monomers are fixed in the resin mass in the immediate vicinity of the heated inner areas of the components.
  • a desired degree of filling of the component can be set by setting the heating rate, temperature and heating time. This method can preferably be used when diving at room temperature and coil heating with electricity shortly before, during or after immersion.
  • the temperature is increased in the impregnating agent. Gelling of the impregnant is initiated only in the immediate vicinity of the heated coils. The main masses of the component and the impregnating agent heat up only slightly, so that there are only a few evaporation losses when they are replaced.
  • the surfaces of the components are irradiated with high-energy radiation, preferably UV light.
  • Patent application P 195 425 64.2 are described, or in the case of epoxy resins, for problem-free, further handling of the impregnated components is necessary. Due to the limitation of the temperature effect to control the degree of filling, the impregnating agent in the interior of the components is generally not yet fully cured, so that thermal post-curing is usually required. As a result of the fact that the residual monomers are largely fixed in the components during this process step and the surfaces of the components are detached, there is only a small amount of evaporation emissions, even if a waiting period is activated before thermal post-curing. Larger components are expediently subsequently cured, for example by further power supply to the winding, while it is often advantageous in the case of smaller components to collect a number and cure them at a later point in time, for example in a heating chamber.
  • Another advantage of the method according to the invention is that it can be carried out on existing or only slightly modified plants, since it is carried out essentially by It is possible to change the control parameters and the sequence of procedures.
  • Impregnants with which the process according to the invention can be carried out are, in particular, the generally known impregnants based on unsaturated polyester resins, which can be radically copolymerized as reactive diluents by preparation with unsaturated monomers.
  • Appropriately selected polyesters are known to the person skilled in the art, as are iid- or amide-modified polyesters which have particularly favorable thermal and mechanical properties.
  • the appropriately selected reactive diluents are also known, styrene, ⁇ -methylstyrene, vinyl toluene, allyl esters, vinyl esters, vinyl ethers and / or (meth) acrylates being used in particular.
  • These polyester resin preparations can be cured thermally and / or with high-energy radiation, preferably UV light, using initiators or catalysts or catalyst mixtures which are likewise known to the person skilled in the art.
  • Further impregnating agents with which the process according to the invention can be carried out contain radically polymerizable monomeric, oligomeric and / or polymeric substances which are also radiation-curable, in particular with UV light.
  • Such substances and combinations of substances are also generally known to the person skilled in the art.
  • they are allylic, vinyl or (meth) acrylic unsaturated substances and / or mixtures of substances.
  • polyepoxy (meth) acrylates, polyurethane (meth) acrylates and / or polyester (meth) acrylates are particularly suitable.
  • Some of the impregnating agents can be thermally polymerized directly, but it is preferred to add free radical initiators for optimal thermal curing at the lowest possible temperatures.
  • free radical initiators are usually added to ensure rapid UV curing.
  • the impregnating agents used can furthermore contain stabilizers to improve the storage stability. Furthermore, the impregnating agents can also contain ionically polymerizable substances, in particular monomeric and / or oligomeric epoxides in conjunction with initiators which can be activated thermally and under UV light.
  • ionically polymerizable substances in particular monomeric and / or oligomeric epoxides in conjunction with initiators which can be activated thermally and under UV light.
  • the process according to the invention avoids the disadvantages of the processes of the known prior art by the specific combination of its process steps, that the distribution of the impregnant and the degree of filling are regulated by controlled heating of the components after the impregnation, still in the impregnation device, until the gelling and impregnation fixation, that the Drip losses are minimized by allowing the non-gelled impregnating agent components to run out after removal from the impregnating device, that these expired impregnating agents, if necessary after cooling, are returned to the soaking agent supply, that the evaporation losses on the component surface and surface stickiness are eliminated by using high-energy radiation and that a complete thermal post-curing then takes place until the impregnant functions optimally.
  • This sequence according to the invention is of great technical, ecological and economic use.
  • the coils are electrically heated until partial gelling.
  • the degree of filling can be regulated very precisely and reproducibly via the speed, amount and duration of this heating.
  • the components are removed from the impregnating agent and the non-gelled impregnating agent is drained off.
  • the draining impregnant can be returned to the impregnation bath, if necessary after cooling.
  • the adhering impregnating agent can also drain off on the outside of the components (laminated cores), on which generally no or only little impregnating agent is desired, this process being supported by the gradually escaping heat flow from the heated areas.
  • the surfaces of the components are sealed by the action of high-energy radiation, preferably UV radiation. Volatile constituents of the impregnating agent are largely fixed in the component by the pre-gelation and on the surface by the radiation. In the subsequent thermal curing, only minimal emissions occur.
  • high-energy radiation preferably UV radiation.
  • the component and impregnating agent have a room temperature of 26 ° C.
  • the component is immersed at 35 mm / minute, dipped again at the same speed after 1 minute, drained over the immersion bath for 20 minutes, then hardened in an oven at 140 ° C for 1 hour, weighed after cooling and then at 140 for 2 hours ° C post-hardened.
  • Comparative Example 4 (according to Example 2 in EP-A-0 643 467) (VB4)
  • the stator is electrically heated to a winding temperature of 60 ° C in 2 minutes, during which the laminated core becomes approx. 32 ° C and the plastic parts of the winding heads become approx. 28 ° C warm. According to the procedure, it is immersed in VB 1, kept immersed for 10 seconds, immersed and drained over the drinking bowl for 5 minutes. Then the winding is heated with electricity to 150 ° C. in 2 minutes and held there for 8 minutes. Already during heating and within the first 3 minutes at 150 ° C, a lot of partially gelled impregnating agent emerges from the stator, which can no longer be returned. After heating, the mixture is allowed to cool for 5 minutes and then exposed according to the procedure in VB 2. After that, the surface is largely tack-free; on the other hand are shaded, but still accessible to the touch,
  • the component and impregnating agent have a room temperature of 26 ° C.
  • the component is immersed at 35 mm / minute, the winding is heated to 160 ° C. in the immersion pool in 30 seconds and held for 1 minute, then it is immersed again at the same speed and allowed to drip over the pool for 20 minutes.
  • the refluxing material is apparently not gelled, almost nothing drips after 20 minutes, and there is evidently good filling in both winding heads.
  • the stator is exposed to UV light according to the procedure in VB 2, with only a few drops of losses occurring.
  • the winding is heated to 180 ° C. by means of electricity and held for 10 minutes. There are no more drip losses.
  • the laminated core becomes approx. 100 ° C and the plastic parts of the winding heads become approx. 85 ° C warm. Laminated core and winding heads are non-sticky, even in shaded areas of the component there is no longer any stickiness. After cooling overnight, the following day is cured for a further 2 hours at 140 °
  • Example 3 (B3) The procedure is as in Example 1 (B1), but is kept in the immersed state for 2 minutes.
  • Bl filling than with Bl
  • B2 filling
  • evaporation and post-curing losses due to the much higher resin absorption are also somewhat higher than with Bl and B2 are.
  • Example 3 The procedure is as in Example 3 (B3), but after the UV curing in the oven, it is first cured for 1 hour at 120 ° C. and then for a further 2 hours at 130 ° C. After cooling overnight, the following day is cured for a further 2 hours at 140 ° C.
  • the stators were sawn to assess the filling.
  • the components according to examples B3 and B4 show a perfect filling of slot and winding, ie approx. 150-160 g are the maximum possible resin absorption. Resin uptake of about 100% filling level cannot be achieved with any other state-of-the-art process. The dripping, evaporating and post-curing losses are low to an extent not previously achieved. It is also possible to adjust the resin absorption to any desired degree of filling, for example for cost reasons, with largely constant low losses.

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Abstract

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Tränkung von Bauteilen mit polymerisierbaren Tränkmitteln, die bei Raumtemperatur flüssig oder durch Erwärmen verflüssigbar sind und durch eine kombinierte Anwendung von Wärme und energiereicher Strahlung gehärtet werden, wobei die Bauteile bei Umgebungstemperatur oder in vorerwärmtem Zustand getränkt und nach dem Tränken im Tränkmittel bis zur Angelieren erwärmt werden, vor dem Aushärten mit energiereicher Strahlung behandelt und danach thermisch vollständig ausgehärtet werden.

Description

Verfahren zur Tränkung von Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tränkung von Bauteilen mit polymerisierbaren Massen, die bei Raum- temperatur flüssig oder durch Erwärmen verflüssigbar sind und die durch eine kombinierte Anwendung von Wärme und energiereicher Strahlung härtbar sind.
Verfahren zur Tränkung von Bauteilen mit polymerisier- baren Massen, die durch Wärme und/oder durch energiereiche Strahlung härtbar sind, sind bekannt.
In DE-A-40 22 235 und DD-A-295 056 wird vorgeschlagen, nach der Tränkung des Bauteils zunächst mit UV-Strahlen die Oberflächen zu härten und dann durch Wärmezufuhr das Innere der Bauteile zu härten. Solche Verfahren reduzieren zwar die Abdampfverluste, die aber durch die hohen Anteile flüchtiger, nicht polymerisierter Monomeren im Innern der Bauteile noch immer relativ hoch sind. Wege, die ungleichmäßige Tränkmittelverteilung im Bauteil zu beeinflussen, werden in diesen Schriften nicht erwähnt.
EP-A-0 643 467 schlägt vor, zur Verbesserung der Tränk- mittelverteilung im Bauteil schon während der Tränkung über Spulenheizung eine Vorgelierung und Fixierung des Tränkmittels und eine thermische Härtung zu erhalten. Gleichzeitig mit der thermischen Härtung auf den Wicklungen oder aber nach der thermischen Härtung auf den Wicklungen sollen solche Stellen der Bauteile, die durch die Wicklungsheizung nicht erreicht wurden, mit energiereicher, bevorzugt UV-Strahlung, gehärtet werden.
Ein Nachteil dieses Verfahren liegt darin, daß mit Hei- zung über die Wicklungen thermisch nur eine Teilhärtung durchgeführt wird und daß die Aushärtung danach mit Strahlen erfolgt. Da alle bekannten Bauteile Stellen aufweisen, die bei einer thermischen Teilhärtung nicht erreicht werden und bei einer Nachhärtung mit Strahlen im abgeschatteten Bereich liegen, weisen Bauteile, die nach EP-A-0 643 467 behandelt wurden, immer Bereiche auf, an denen das Tränkmittel nur unzureichend gehärtet ist. Aus diesen Bereichen kommt es dann zu unerwünschten Emissionen und das Tränkmittel kann dort seine Funktionen nur unzureichend erfüllen. Eine ebenfalls von EP-A-0 643 467 vorgeschlagene Vorge- hensweise, nach der thermischen Härtung mit energiereichen Strahlen zu härten, erscheint technisch wenig sinnvoll, da eine solche Härtung nach einer thermischen Durchhärtung der im ersten Schritt der Teilhärtung nicht erreichten Stellen des Bauteils, unabhängig davon ob sie durch eine ausreichens lange Stromheizung der Wicklung oder sonstige Aufbringung von Wärme erfolgte, keine erkennbaren Vorteile bringt.
Desweiteren enthält EP-A-0 643 467 keine Lehre zur Anwendung des Verfahrens bei den allgemein beanspruchten Techniken zur Tränkung. So ist eine Vorgelierung durch Wicklungsheizung während der Tränkung nicht sinnvoll, weil die Füllung der Hohlräume undefinierbar erfolgt. Eine Vorheizung der Wicklungen zur Erniedrigung der Viskosität und damit zur Beschleunigung der Befüllung ist bekannter Stand der Technik, z.B. bei den verschiedenen Tauch- und Flutverfahren, bei denen die Bauteile erwärmt werden, um eine Viskositätserniedrigung und somit bessere und schnellere Befüllung zu erreichen. Ein Erwärmen bis zur Gelierung während der Tränkung bewirkt das Gegenteil, nämlich eine gelierungsbedingte Undefinierter Füllung der Hohlräume.
Der Vorgang einer Gelierung während der Tränkung ist nur bei absoluter Konstanz der Tränkmitteleigenschaften und aller Verfahrensparameter vorstellbar, bleibt aber immer sehr störanfällig. Schon bei geringen Abweichungen können auch Innenbereiche der Wicklungen durch vor- geliertes Tränkmittel abgeschirmt werden und dadurch unbefüllt bleiben. Die in EP-A-0 643 467 vorgeschlagene Wicklungsvorheizung, beispielsweise auf 180°C, führt schon beim Eintauchen zu Undefinierten Gelierungen auf der heißen Wicklung und starker Ungleichverteilung der Tränkmittel im Bauteil. Eine geringere Vorwärmung reduziert zwar die Tränkmitteltemperatur in unmittelbarer Nähe der Wicklung und erleichtert dadurch den Tränkvorgang. Sobald jedoch die Vorwärmtemperatur soweit erhöht wird, daß beim Tränken Gelierung erreicht wird, kommt es auch wieder zur Ungleichverteilung.
Die polymeren Bestandteile bekannter Tränk-, Verguß- und Überzugsmassen für elektrotechnische Bauteile, wie beispielsweise Motorwicklungen oder Transformatorwicklungen, sind vorzugsweise ungesättigte Polyester, die in vinylisch ungesättigten Verbindungen, wie Styrol, Vinyltoluol, Allylphthalat und monomeren oder oligome- ren Acryl- oder Vinylestern gelöst sind, welche radika- lisch (co)polymerisiert werden.
Unter Tränk-, Verguß- und Überzugsmassen werden im allgemeinen Harzmassen verstanden, die in der Elektrotechnik zur Tränkung von Wicklungen angewendet werden, wobei die allgemein bekannten Verfahren, wie beispiels- weise die Tauchtränkung, die Träufeltechnik, das
Tauchrollieren und das Überfluten, zur Anwendung kommen, wobei diese Verfahren gegebenenfalls durch Anwendung von Vakuum und/oder Druck unterstützt werden.
Nachteile dieser Verfahren nach dem Stand der Technik ergeben sich aus den ungesättigten Monomeren, die für eine schnelle und vollständige Aushärtung der Massen zwingen notwendig sind. Solche Stoffe sind z.B. monome- re oder niedermolekular oligomerisierte Acrylate, Allylphthalat, Styrol, α-Methylstyrol und Vinyltoluol. Diese Stoffe sind gesundheitsschädlich und hautreizend. Bei bekannten Anwendungen von Tränkmitteln mit diesen Stoffen treten AbdampfVerlusten von 20 bis 30 Gew.-% auf. Solche erheblichen Mengen an verdunsteten Tränkmittelbestandteilen müssen von der Arbeitsstelle ent- fernt werden, um Gesundheitsgefahren für die Beschäftigten zu vermeiden. Die abgesaugten Verdunstungsmengen werden in der Regel in Abluftverbrennungen entsorgt, wobei unerwünschte Emissionen entstehen. Die verbrannten Tränkmittelbestandteile stellen auch unter wirt- schaftliehen Aspekten erhebliche Verluste dar.
Weitere Probleme ergeben sich bei der Einstellung des optimalen Grades der Ausfüllung der im Bauteil insgesamt vorhandenen Hohlräume. In der Regel ist aus physi- kaiischen Gründen ein möglichst hoher Füllgrad erwünscht, aus Kostengründen ist aber oft ein technisch gerade noch ausreichender Füllgrad erwünscht.
Bei niedrigviskosen Stoffen besteht die Gefahr, daß die Tränkmittel zu einem Undefinierten Teil vor der Härtung aus den Bauteilen auslaufen oder sich sehr ungleichmäßige Tränkmittelverteilungen im Bauteil einstellen. Nach keinem der bekannten Verfahren war es bisher möglich, hohe Füllgrade, beispielsweise über 90%, zu verwirklichen.
Auch bei monomerenfreien Tränkharzen, wie sie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldungen P 195 42 564.2 beschrieben sind, und bei Epoxydharzen, bei welchen die Nachteile der flüchtigen Monomeren nicht auftreten, tritt das Problem einer unzureichenden Tränkmittelverteilung im Bauteil auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst die oben genannten Probleme durch eine Teilgelierung bzw. Teilhärtung der getränkten Bauteile schon im Tränkmittel, nachfolgendem Ablaufenlassen der nicht gelierten Tränkmittelanteile, gegebenenfalls Rückführung dieser abgelaufenen Tränkmittel, gegebenenfalls nach deren Kühlung, in den Tränkmittelvorrat, Entklebung der Bauteiloberflächen mit energiereicher Strahlung und abschließender thermischer Aushärtung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, praktisch an jeder Stelle der Bauteile eine weitgehend gleichmäßige Tränkmittelfüllung in beliebigem Füllgrad einzustellen. Die Emission flüchtiger Tränkmittelbestandteile wird solchermaßen vermindert, daß fast keine Tränkmittelverluste auftreten. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren bei Tauchimprägnier- techniken, bei denen während der Teilhärtung, die in eingetauchtem Zustand erfolgt, praktisch keine Monomeren aus der Tauchanlage entweichen können. Weiter wird ein großer Teil flüchtiger Monomerer in der Harzmasse in der unmittelbaren Umgebung der beheizten inneren Be- reiche der Bauteile fixiert. Durch Einstellung von Aufheizgeschwindigkeit, Temperatur und Heizzeit kann dabei ein erwünschter Füllgrad des Bauteils eingestellt werden. Bevorzugt kann dieses Verfahren beim Tauchen bei Raum- temperatur und Spulenheizung mit Stromwärme kurz vor, während oder nach dem Eintauchen, angewandt werden. Es wird zunächst nur wenig erwärmt, um eine schnelle Befüllung der inneren Bauteilbereiche zu erhalten, dann wird im Tränkmittel die Temperatur erhöht. Dabei wird nur in der unmittelbaren Umgebung der beheizten Spulen eine Gelierung des Tränkmittels eingeleitet. Die Hauptmassen von Bauteil und Tränkmittel erwärmen sich nur wenig, sodaß beim Austauchen auch nur wenig Abdampfverluste auftreten. Nach dem Austauchen, zweckmäßig nach einer Wartezeit, die von Form und Größe des Bauteils und der Viskosität des Tränkmittels abhängt und während der das ungelierte Tränkmittel ablaufen kann und bevorzugt nach Kühlung in den Tränkmittelvorrat rückgeführt wird, werden die Oberflächen der Bauteile mit energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Licht, bestrahlt. Da- durch kommt es zu einer starken Reduzierung der Weiterverdunstung noch nicht gebundener Monomerer und zu einer Entklebung der Oberfläche, die auch bei monome- renfreien Tränkmitteln, beispielsweise mit Dicyclopentadien-Bausteinen, wie sie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten deutschen
Patentanmeldung P 195 425 64.2 beschrieben werden, oder bei Epoxydharzen, für ein problemloses, weiteres Umgehen mit den getränkten Bauteilen notwendig ist. Durch die Beschränkung der Temperatureinwirkung zur Steuerung des Füllgrades, ist das Tränkmittel im Innern der Bauteile in der Regel noch nicht vollständig ausgehärtet, so daß meistens eine thermische Nachhärtung erforderlich ist. Dadurch bedingt, daß bei diesem Prozeßschritt in den Bauteilen die Restmonomeren schon weit- gehend fixiert und die Bauteiloberflächen entklebt sind, treten dabei nur noch geringe Verdunstungsemissionen auf, auch wenn vor der thermischen Nachhärtung eine Wartezeit eingeschaltet wird. Größere Bauteile werden zweckmäßig direkt anschließend beispielsweise durch weitere Stromzufuhr auf die Wicklung nachgehärtet, während es bei kleineren Bauteilen oft vorteilhaft ist, eine Anzahl zu sammeln und zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise in einer Wärme- kammer auszuhärten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäße Verfahrens besteht darin, daß es auf vorhandenen oder nur geringfügig modifizierten Anlagen durchgeführt werden kann, da seine Durchführung im wesentlichen durch Änderung der Steuerungsparameter und der Verfahrensreihenfolge möglich ist.
Tränkmittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, sind insbesondere die allgemein bekannten Tränkmittel auf Basis ungesättigter Polyesterharze, die durch Zubereitung mit ungesättigten Monomeren als Reaktivverdünner radikalisch copolymeri- sierbar werden. Zweckmäßig auszuwählende Polyester sind dem Fachmann bekannt, ebenso i id- oder amidmodi- fizierten Polyester, die besonders günstige thermische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Auch die zweckmäßig auszuwählenden Reaktiwerdünner sind bekannt, wobei insbesondere Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol, Allylester, Vinylester, Vinylether und/oder (Meth) acrylate verwendet werden. Diese Polyesterharzzubereitungen können mit dem Fachmann ebenfalls bekannten Initiatoren oder Katalysatoren oder Katalysatorengemischen thermisch und/oder mit energierei- eher Strahlung, bevorzugt UV-Licht, gehärtet werden.
Weitere Tränkmittel, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, enthalten radikalisch polymerisierbare monomere, oligomere und/oder poly- mere Stoffe, die auch strahlenhärtbar sind, insbesondere mit UV-Licht.
Auch solche Stoffe und Stoffkombinationen sind dem Fachmann allgemein bekannt. Es handelt sich insbesondere um allylisch, vinylisch oder (meth) acrylisch unge- sättigte Stoffe und/oder Stoffgemische. Gut geeignet sind z.B. Polyepoxy (meth) acrylate, Polyurethan (meth) acrylate und/oder Polyester (meth) acrylate. Die Tränkmittel sind teilweise direkt thermisch polyme- risierbar, indes ist es aber bevorzugt, für eine opti- male thermische Härtung bei möglicht niedrigen Temperaturen Radikalstarter zuzusetzen. Weiterhin werden in der Regel UV-Initiatoren zugesetzt, um eine schnelle UV-Härtung zu gewährleisten.
Weiterhin können die eingesetzten Tränkmittel Stabilisatoren zur Verbesserung der Lagerstabilität enthalten. Desweiteren können in den Tränkmitteln auch ionisch po- lymerisierbare Stoffe enthalten sein, insbesondere o- nomere und/oder oligomere Epoxyde in Verbindung mit thermisch und unter UV-Licht aktivierbaren Initiatoren. Die Auswahl der Stoffe zur Durchführung des erfindungs- gemäße Verfahrens obliegt dem Fachmann, der sie unter Aspekten der technischen Eignung, Verfügbarkeit und/oder Kosten zu treffen hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die Nachteile der Verfahren des bekannten Standes der Technik durch die spezifische Kombination seiner Verfahrensschritte, daß Tränkmittelverteilung und Füllgrad durch gesteuerte Heizung der Bauteile nach der Tränkung, noch in der Tränkvorrichtung, bis zur Gelierung und Tränk- mittelfixierung reguliert werden, daß die Abtropfverluste minimiert werden durch Ablaufenlassen der nicht gelierten Tränkmittelanteile nach Entnahme aus der Tränkvorrichtung, daß gegebenenfalls diese abgelaufenen Tränkmittel, gegebenenfalls nach Kühlung, in den Tränk- mittelvorrat rückgeführt werden, daß die AbdampfVerluste an der Bauteiloberfläche und eine Oberflächenkleb- rigkeit durch Anwendung energiereicher Strahlung beseitigt werden und daß dann eine vollständige thermische Nachhärtung bis zum Erreichen optimaler Funktionen des Tränkmittels erfolgt. Diese erfindungsgemäße Abfolge ist von großem technischem, ökologischem und ökonomischem Nutzen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird bei Tränktechniken, bei denen die Bauteile ganz oder teilweise in die Tränkmittel eingebracht werden, nach dem Einbringen und nachdem die Bauteile das Tränkmittel aufgenommen haben, eine elektrische Aufheizung der Spulen bis zur Teilgelierung durchgeführt. Über Schnelligkeit, Höhe und Dauer dieser Heizung kann, in Abhängig- keit von der Reaktivität der Tränkmittel der Füllgrad sehr genau und reproduzierbar reguliert werden. Nach dieser Teilhärtung im getauchten Zustand werden die Bauteile aus dem Tränkmittel entnommen und das nicht nicht angelierte Tränkmittel abfließen lassen. In den meisten Fällen kann das abfließende Tränkmittel, gegebenenfalls nach Kühlung, in das Tränkbad zurückgeführt werden. Auch auf den Außenseiten der Bauteile (Blechpakete) , auf denen in der Regel kein oder nur wenig Tränkmittel erwünscht ist, kann dabei das anhaften- de Tränkmittel abfließen, wobei dieser Vorgang durch den allmählich nach außen dringenden Wärmeabfluß der beheizten Bereiche unterstützt wird.
Durch Einwirken von energiereicher Strahlung, bevorzugt UV-Strahlung, werden die Oberflächen der Bauteile versiegelt. Flüchtige Bestandteile des Tränkmittels sind im Bauteil durch die Vorgelierung und an der Oberfläche durch die Bestrahlung weitgehend fixiert. Beim nachfolgenden thermischen Aushärten treten nur noch minimale Emissionen auf.
Folgende Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen.
Beispiele
Die Versuche wurden mit dem kommerziell verfügbaren Tränkmittel Dobeckan FT 2006/350 UV ® durchgeführt, das sowohl thermisch als auch mit UV-Licht härtbar ist. Bauteile waren Statoren von Großserienelektromotoren der Baugröße IEC 96, deren Wickelköpfe in einem Spritzgußteil aus Polyamidthermoplast fixiert sind.
Beurteilt werden
* Harzaufnahme, durch Wiegen des Bauteils vor Tränkung und nach Härtung,
* Abtropfverluste die wegen Angelierung nichtmehr rückführbar sind, durch Wiegen des bei der Härtung abtropfenden angelierten Tränkmittels,
* Abdampfverluste bei der Härtung, durch Wiegen des Bauteils vor und nach der Härtung, abzüglich der Ab- tropfverluste, * nach der Härtung durch Nachhärtung noch abdampfbares Reststyrol (bzw. weiterer nicht gebundener Tränkmittelbestandteile) durch Wiegen des Bauteils vor und nach der Nachhärtung (Nachhärtungsverluste) .
Vergleichsbeispiel 1 (VB 1)
Bauteil und Tränkmittel haben Raumtemperatur von 26°C. Das Bauteile wird mit 35 mm/Minute eingetaucht, nach 1 Minute mit der gleichen Geschwindigkeit wieder ausgetaucht, 20 Minuten über dem Tauchbad abtropfen lassen, dann in einem Ofen 1 Stunde bei 140°C gehärtet, nach dem Abkühlen gewogen und anschließend 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet.
Vergleichsbeispiel 2 (gemäß Beispiel 1 in EP-A-0 643 467) (VB 2)
Es wird gemäß der Durchführung in VBl getränkt, nach dem Abtropfen wird die Wicklung über Strom in 2 Minuten auf 150°C geheizt. Vor dem Aufheizen war das Abtropfen weitgehend zum Stillstand gekommen, beim Aufheizen tritt sofort wieder viel Tränkmittel aus, das zum Teil angeliert ist und nicht wieder zurückgeführt werden kann. Es wird 10 Minuten bei 150°C Wicklungstemperatur nachgeheizt, dabei wird das Blechpaket ca. 80°C und die Kunststoffteile der Wickelköpfe werden ca. 45°C warm. Blechpaket und Wickelköpfe sind noch klebrig. Danach wird die Wicklungsheizung abgeschaltet und der Stator in einer UV-Lichtkammer mit mehreren Quecksilbermitteldruckbrennern mit einem Energiemaximum bei ca. 365 nm Wellenlänge und einer Bestrahlungsenergie von ca. 8 m.J/cm.2 für 5 Minuten bestrahlt. Danach ist die Oberfläche weitgehend klebfrei, abgeschattete, aber der Berüh- rung noch zugängliche Bereiche des Bauteils sind noch leicht klebrig. Das Bauteil wird gewogen, abkühlen gelassen und am nächsten Tag weiter 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet, dabei verschwindet die Restklebrigkeit und durch Wiegen können die Nachhärtungsverluste be- stimmt werden.
Vergleichsbeispiel 3 (VB 3)
Es wird gemäß der Durchführung in VB2 verfahren, aber nach dem Austauchen nicht abtropfen lassen, sondern sofort mit Strom geheizt. Auch dabei ist das austretende Tränkmittel fast sofort angeliert und eine Rückführung nicht möglich. Die Gesamtverluste sind höher als in VB2, der Füllgrad ist besser, die Nachhärtungsverluste sind etwa gleich.
Vergleichsbeispiel 4 (gemäß Beispiel 2 in EP-A-0 643 467) (VB4) Der Stator wird elektrisch in 2 Minuten auf eine Wicklungstemperatur von 60°C erwärmt, dabei wird das Blechpaket ca. 32°C und die Kunststoffteile der Wickelköpfe werden ca. 28°C warm. Es wird gemäß der Durchführung in VB 1 getaucht, 10 Sekunden getaucht gehalten, ausgetaucht und über dem Tränkbecken 5 Minuten abtropfen gelassen. Dann wird die Wicklung mit Strom in 2 Minuten auf 150°C erwärmt und 8 Minuten dabei gehalten. Schon beim Heizen und innerhalb der ersten 3 Minuten bei 150°C tritt viel teilgeliertes Tränkmittel aus dem Stator aus, das nicht mehr rückgeführt werden kann. Nach dem Heizen wird 5 Minuten abkühlen gelassen und dann gemäß der Durchführung in VB 2 belichtet. Danach ist die Oberfläche weitgehend klebfrei; dagegen sind abgeschattete, aber der Berührung noch zugängliche,
Bereiche des Bauteils noch leicht klebrig. Das Bauteil wird gewogen, abkühlen lassen und am nächsten Tag weitere 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet, dabei verschwindet die Restklebrigkeit und durch Wiegen könne die Nachhärtungsverluste bestimmt werden.
Vergleichsbeispiel 5 (gemäß Beispiel 3 in EP-A-0 643 467) (VB 5)
Es wird gemäß der Durchführung in VB 4 verfahren, der Stator wird aber vor der Tränkung im Ofen auf 60°C erwärmt. Die Beobachtungen beim Härten und Nachhärten sind die gleichen wie in VB 4, mit dem Unterschied, daß die AbtropfVerluste etwas geringer sind, da aus dem gleichmäßiger erwärmten Bauteil schon beim Abtropfen etwas mehr ungeschädigtes Tränkmittel in das Tauchbad zurückgeflossen ist; die Harzaufnahme ist aus dem gleichen Grund etwas schlechter. Beispiel 1 (Bl)
Bauteil und Tränkmittel haben Raumtemperatur von 26°C. Das Bauteil wird mit 35 mm/Minute eingetaucht, die Wicklung wird im Tauchbecken in 30 Sekunden auf l60°C geheizt und 1 Minute gehalten, dann wird mit der gleichen Geschwindigkeit wieder ausgetaucht und über dem Becken 20 Minuten abtropfen gelassen. Das rückfließende Material ist augenscheinlich erkennbar ungeliert, nach 20 Minuten tropft fast nichts mehr ab, und in beiden Wickelköpfen ist augenscheinlich erkennbar eine gute Füllung vorhanden. Nun wird der Stator gemäß der Durchführung in VB 2 mit UV-Licht belichtet, dabei treten nur noch einige Tropfen Verluste auf. Nach der Belich- tung wird die Wicklung über Stromwärme auf 180°C erwärmt und 10 Minuten gehalten. Dabei treten keine Abtropfverluste mehr auf. Das Blechpaket wird ca. 100°C und die Kunststoffteile der Wickelköpfe werden ca. 85°C warm. Blechpaket und Wickelköpfe sind klebfrei, auch in abgeschatteten Bereichen des Bauteils ist manuell keine Klebrigkeit mehr bemerkbar. Nach Abkühlen über Nacht wird am nächsten Tag weitere 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet.
Beispiel 2 (B2)
Es wird gemäß Beispiel 1 (Bl) verfahren, aber im eingetauchten Zustand nur 30 Sek. gehalten. Auch hier ist in beiden Wickelköpfen augenscheinlich erkennbar eine gute, aber geringere Füllung als bei Bl vorhanden, die weiteren Beobachtungen decken sich mit Bl.
Beispiel 3 (B3) Es wird gemäß Beispiel 1 (Bl) verfahren, aber im eingetauchten Zustand 2 Minuten gehalten. Hier ist in beiden Wickelköpfen augenscheinlich erkennbar eine sehr gute, und deutlich höhere Füllung als bei Bl vorhanden, die weiteren Beobachtungen decken sich mit Bl und B2, wobei Abdampf- und Nachhärtungsverluste auf Grund der sehr viel höheren Harzaufnahme auch etwas höher als bei Bl und B2 sind.
Beispiel 4 (B4)
Es wird gemäß Beispiel 3 (B3) verfahren, aber nach der UV-Härtung im Ofen zunächst 1 Stunde bei 120°C und dann weitere 2 Stunden bei 130°C gehärtet. Nach Abkühlen über Nacht wird am nächsten Tag weitere 2 Stunden bei 140°C nachgehärtet.
Die Statoren wurden zersägt um die Füllung beurteilen zu können. Die Bauteile gemäß den Beispielen B3 und B4 zeigen dabei eine perfekte Füllung von Nut und Wicklung, d.h. ca. 150-160 g sind die maximal mögliche Harzaufnahme. Harzaufnahmen von ca 100% Füllgrad sind mit keinem anderen Verfahren nach dem Stand der Technik erreichbar. Die Abtropf-, Abdampf- und Nachhärtungsverluste sind dabei in einem ebenfalls bisher nicht erreichten Maße gering. Weiter ist es möglich, bei weit- gehend gleichbleibenden geringen Verlusten die Harzaufnahme beispielsweise aus Kostengründen, auf jeden gewünschten Füllgrad einzustellen.

Claims

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