DE102011052520A1

DE102011052520A1 - Vorrichtung zur Beschichtung von elektrisch leitenden Drähten

Info

Publication number: DE102011052520A1
Application number: DE102011052520A
Authority: DE
Inventors: Hubert Ludorf; Horst Neddermann
Original assignee: Aumann GmbH
Current assignee: Aumann GmbH
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-14
Also published as: CN103764300A; US20140203474A1; WO2013020977A1; EP2741865A1; JP2014529843A; KR20140054215A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung von elektrisch leitenden Drähten umfassend mehrere Einheiten in folgender Anordnung:
– Einheit (1) für die Zufuhr der Drähte,
– Einheit (2) zur Vorbehandlung der Drähte,
– Einheit (5) zum Aufbringen eines Beschichtungsmittels,
– Einheit (6) zur Nachbehandlung der beschichteten Drähte,
– Einheit (8) zum Aufwickeln des beschichteten Drahtes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen von einer oder mehreren Schichten eines Beschichtungsmittels auf elektrisch leitende Drähte.
Nach dem Stand der Technik werden insbesondere Wickeldrähte für elektrische Spulen mit isolierend wirkenden Beschichtungen versehen. Hierfür wird beispielsweise Drahtlack auf die Drähte aufgebracht und gehärtet. Dieser Schritt kann zwischen einem und mehr als 30 mal wiederholt werden, um eine fehlerfreie Isolierung sicherzustellen. Danach wird der fertiglackierte Draht auf eine Spule aufgewickelt.
Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind im Stand der Technik, z.B. in der DE 37 41 328 C2 , EP 196017 B1 , WO 2005/082548 A2 beschrieben.
Den bisher bekannten Lackierverfahren ist gemeinsam, dass der Draht vor der Lackierung in einer sog. Glühe weichgeglüht und von Ziehmittelresten befreit werden kann. Danach wird der Lack entweder durch eine Abstreifdüse, oder einen Filz aufgetragen. Im Anschluss daran wird der Lack in einem Ofen gehärtet. Um das Entweichen von Lösemitteldämpfen aus dem Ofen zu minimieren, kann der Ofen unter leichtem Unterdruck betrieben werden. Je nach Bauart beträgt die Temperatur in dem Ofen zwischen 400 und 700 °C. Die Verweilzeit des Drahtes im Ofen richtet sich nach dem Drahtdurchmesser und der gewünschten Auftragsdicke für das Beschichtungsmittel. Während der Behandlung im Ofen wird Lösemittel verdampft und das Drahtlackharz vernetzt. Es entsteht ein unlöslicher, gut haftender Film. Das abgedampfte Lösemittel kann mittels eines Katalysators weitgehend verbrannt werden. Die durch den exothermen Prozess entstandene Wärme kann wiederum benutzt werden, um den Ofen zu beheizen.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist in der WO 2005/082548 A2 eine Vorrichtung mit einer Transportstrecke zum kontinuierlichen Durchlauftransport des Drahtmaterials vorgesehen. Für die Mehrfachbeschichtung wird in Kombination mit einer beheizbaren Wärmehärtungsstation zur Wärmehärtung einer lösemittelhaltigen Lackschicht eine der Wärmehärtungsstation vor- bzw. nachgeordnete UV-Härtungsstation zur UV-Strahlenhärtung, der auf das Fahnenmaterial aufgebrachten Lackschicht vorgeschlagen.
Aus der WO 2007/051458 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche mit einem Isolierlackschacht ausgestattet ist, durch den ein elektrisch leitfähiger Draht mittels eines Fördermittels transportiert wird. Der Isolierlackschacht ist einlassseitig mit einer Lackauftragseinheit versehen, die mit einem Behälter für den Lack verbunden ist. Die notwendige thermische Energie zum Einbrennen des Isolierlacks wird durch eine zentrale Heizeinrichtung erzeugt, wobei die Heißluft mittels eines Gebläses entgegen der Förderrichtung des Drahtes durch den Isolierlackschacht geleitet und in einem Kreislauf geführt wird. Die beschriebene Vorrichtung ist weiterhin mit einem parallel zu dem Isolierlackschacht angeordneten Lackschacht ausgestattet, welchem bedarfsweise ein Teilstrom der Heißluftströmungsmittelsverteilers zugeführt werden kann.
Die betreffende Vorrichtung wird auch in der EP 1961017 B1 beschrieben.
Aus der DE 37 41 328 A1 ist außerdem eine Vorrichtung bekannt, bei welcher ein Rohrsystem für den Kreislauf von Heißluft vorgesehen ist. In das Rohrsystem sind ein Gebläse zur Aufrechterhaltung des Heißluftkreislaufes sowie Öffnungen im Rohrsystem für die Zufuhr von Frischluft und die abgasfreie Heißluft vorgesehen.
Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind aus energetischer Sicht verbesserungsbedürftig. Denn ca. 20% der Energie gehen über die Abstrahlung des Ofens verloren. Über die Abluft des Schornsteins gehen weitere ca. 20% verloren. Der Draht, der jedes Mal miterwärmt werden muss, verbraucht ca. 55% der Energie aus der Lackieranlage. Die verbleibenden ca. 5% werden zum Härten des Lackes benutzt. Diese Werte können je nach Anlagenkonstruktion variieren.
In Anbetracht dessen hat es Versuche gegeben, die Effizienz der Drahtlackierung zu erhöhen. Keine der bisherigen Entwicklungen hat es zur Marktreife gebracht.
Ein Beispiel für eine Effizienzsteigerung ist in der DE 4336385 A1 beschrieben. Das dort beschriebene Verfahren führt zu einem dickeren Schichtaufbau, so dass nur eine eingeschränkte Anwendung der Drähte im Transformatorenbau möglich ist. Der im Motorenbau geforderte hohe Füllfaktor der Nut ist durch dieses Verfahren nicht erreichbar.
Ein weiterer Nachteil des nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Drahtes besteht in der geringen Wärmebeständigkeit von normalerweise nur 120°C, bedingt durch den Einsatz von Thermoplasten. Damit sind derartige Drähte für modere Anwendungen im Spulen- und Motorenbau nicht einsetzbar. Denn hier werden Beständigkeit bei Temperaturen von mehr als 155°C verlangt. Die Anfangs- und Enddrähte von Spulen werden in den meisten Fällen gelötet oder geschweißt. Beide Verfahren führen beim Einsatz der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Drähte zu Problemen aufgrund des hohen Anteils an Isoliermaterial. Dieses verdampft nämlich beim Löten oder Schweißen, so dass die Qualität der Verbindung in der Regel unzureichend ist.
Die vorliegende Erfindung hat sich nunmehr die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Aufbringen einer isolierenden Beschichtung auf elektrisch leitende Drähte zu ermöglichen, die nicht mehr die beschriebenen Nachteile aufweist. Die entstehenden Drähte sollen in ihrem Eigenschaftsprofil zumindest den handelsüblichen Standarddrähten entsprechen, so dass eine Neuzertifizierung nicht erforderlich ist. Die Vorrichtung soll energieeffizient arbeiten. Entsorgungs- oder behandlungsbedürftige Abluft soll nicht entstehen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Beschichtung von elektrisch leitenden Drähten gelöst, welche mehrere Einheiten in z.B. folgender Anordnung umfasst:

– Einheit für die Zufuhr der Drähte,
– Einheit zur Vorbehandlung der Drähte,
– Einheit zum Aufbringen eines Beschichtungsmittels,
– Einheit zur Nachbehandlung von beschichteten Drähten,
– Einheit zum Aufwickeln des beschichteten Drahtes.

Die Einheit für die Zufuhr der Drähte ist in ihrer Ausgestaltung dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt, z.B. Draht-Ablaufsysteme, bei denen

– der Draht von einer Spule abgezogen wird, und zwar durch die Zugkraft eines nachfolgenden Aggregates, z. B. des Aufwicklers.
– die Spule vertikal oder in einem Winkel aufgestellt und über Umlenkrollen der Draht den Folgeaggregaten zugeführt wird. (Diesen Geräten kann ein mechanisches oder elektronisches Drahtzug-Regelsystem nachgeschaltet werden, so dass die Drahtzugspannung während des Abwickelns geregelt wird),
– die Spule für dickere Drähte motorisch angetrieben wird, um die Drahtzugspannung in Kombination mit einem Drahtzug-Regelsystem gering und konstant zu halten.

Draht-Ablaufsysteme gibt es im Stand der Technik in den verschiedensten Ausführungen für Drahtlackier- und Extrusions-Anlagen.
Die Einheit zur Vorbehandlung der Drähte ist ebenfalls aus konventionellen Lackiermaschinen bekannt. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine sog. Glühe handeln. Durch diese Glühe erfolgt ein Weichglühen des Drahtes und eine Befreiung von Ziehmittelresten.
Es kann sich auch um eine Vorheizstrecke handeln, in der der Draht z. B. induktiv erhitzt wird.
Die Einheit zum Aufbringen des Beschichtungsmittels kann in Abhängigkeit von dem einzusetzenden Beschichtungsmittel ausgestaltet werden. Die Beschichtungsmittel werden derart ausgewählt, dass sie zur Isolierung der Drähte geeignet sind. Vorzugsweise können Thermoplaste zum Einsatz kommen. Einsetzbare Thermoplaste sind z.B. in der EP 0030717 beschrieben.
Eine Möglichkeit für das Aufbringen der Thermoplaste besteht in dem Einsatz von Extrudern. D.h. über einen Vorratsbehälter wird das Beschichtungsmaterial in den Extruder gegeben. Aus dem Extruder wird das Material sodann auf den Draht aufgebracht. Der Extruder weist hierfür zweckmäßigerweise eine Kopfeinheit auf, welche der Vorbehandlungseinheit nachgeschaltet ist. Der Extruder ist vorzugsweise so konstruiert, dass er direkt mit der Kopfeinheit (im Folgenden als Querspritzkopf bezeichnet) derart verbunden ist, dass durch die Kopfeinheit der zu beschichtende Draht geführt werden kann. Der Extruder ist an den Drahtdurchmesser und die aufzubringende Isoliermaterialmenge (d.h. Beschichtungsmenge) angepasst.
In den Extruder wird aus einem Vorratsbehälter beispielsweise Kunststoffgranulat gegeben. Im Extruder wird das Material aufgeschmolzen und schließlich im Querspritzkopfkopf auf den vorbehandelten Draht aufgebracht.
Thermoplaste erfüllen nicht die Anforderungen an moderne Drahtlacke und Lackdrähte. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einheit zum Nachbehandeln der beschichteten Drähte ausgerüstet. Bei dieser Nachbehandlungseinheit handelt es sich vorzugsweise um eine Einheit, in welcher die Vernetzung des Thermoplasten stattfindet. D.h. der aufgebrachte Thermoplast wird nachvernetzt und so in einen Duroplasten umgewandelt. Dadurch wird ein Eigenschaftsprofil erreicht, das dem der konventionell hergestellten Lackdrähte vergleichbar ist.
Die Vorrichtung zur Nachvernetzung kann mit verschiedenen gängigen Verfahren arbeiten. Beispielsweise kann die Vernetzung mittels Wärme in einem Ofen erfolgen. Ebenso ist aber auch die Nachvernetzung durch Strahlung möglich. D.h. eine Härtung kann mittels IR-, NIR-, UV-, oder Elektronenstrahlung erfolgen. Ebenso sind auch andere gängige energiereiche Strahlungen oder auch Heizgeräte einsetzbar. Die Art der eingesetzten Vernetzungsmethode richtet sich nach dem jeweils verwendeteten Thermoplasten. Besonders bevorzugt sind UV- oder NIR-Strahlungen.
Sofern bei der Nachvernetzung eine Wärmeentwicklung eintritt oder der beschichtete Draht heiß wird, kann eine Kühlstrecke vorgesehen werden. Diese kann beispielsweise mit Kühlluft oder anderen Medien betrieben werden.
Die beschriebene Anlage weist erhebliche Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik auf. So lassen sich mit dieser Anlage Thermoplaste auf elektrisch leitende Drähte (z.B. sog. Lack- oder Wickeldrähte) aufbringen, welche den modernen Anforderungen, insbesondere an die Wärmebeständigkeit, genügen. In seiner Gesamtheit ist die Herstellung der beschichteten Drähte einfacher als dies mit herkömmlichen Lackiervorrichtungen bzw. -verfahren, bei denen in der Regel nur mit einer Auftragsmethode gearbeitet wird, möglich ist. Es treten auch keine unverträglichen Emissionen auf. Hinzu kommt, dass der Energieverbrauch pro Kilogramm hergestellten beschichteten Draht wesentlich geringer ist als bisher. Die Anlage benötigt auch insgesamt weniger Platz als dies nach dem Stand der Technik bisher bekannt war. Es gelten für diese Drähte die bisher bekannten elektrischen und mechanischen Parameter, so dass eine Neuzertifizierung nicht erforderlich ist. Aufgrund der niedrigeren Anzahl von Verfahrensparametern im Vergleich zum Stand der Technik ist auch eine höhere Prozesssicherheit gewährleistet.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben:
Über eine Einheit 1 erfolgt die Zufuhr der zu beschichtenden Drähte. Der blanke Draht wird in die Einheit 2 überführt, wo der Draht vorbehandelt wird. Der vorbehandelte Draht wird sodann durch die Einheit 5 geführt. In dieser Einheit erfolgt das Aufbringen des isolierenden Beschichtungsmaterials.
Die Einheit 5 ist als sog. Querspritzkopf ausgestaltet. Dieser ist an den Extruder 4 angeschlossen. In dem Extruder 4 wird aus dem Vorratsbehälter 3 kommendes Kunststoffgranulat aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Kunststoffgranulat wird sodann über den Querspritzkopf gleichmäßig auf den Draht aufgebracht.
Der Querspritzkopf 5 besteht aus dem Anschlußteil zum Extruder-Ausgang, dem Drahtführungs-System, das mittig rechtwinklig oder winklig zu der Extruder-Schnecken-Achse angeordnet ist.
Um das Drahtführungs-System wird mittels Verteilungskanälen und einer Düsen-Führung das Material auf den Draht aufgebracht.
Die Verteilungskanäle sind so ausgelegt, dass das Material gleichmäßig rings um den zentralen Drahtdurchgang verteilt wird und die Beschichtung zentrisch erfolgt.
Dies setzt eine konstante Extrudat-Förderung voraus, die durch die vorgegebenen Extruder-Verfahrensparameter gewährleitet wird.
Diese Parameter sind durch die jeweiligen Drahtdurchmesser, Beschichtungsdicken, Produktionsgeschwindigkeiten und Materialien vorgegeben.
Die wesentlichen Parameter bestehen dabei aus dem Temperaturprofil über die Extruder-Zylinderlänge, die Scnecken-Drehzahl, die Temperatur des Querspritzkopfes und die Material-Type. Außerdem kann die Beschichtungsdicke auch durch die Draht-Geschwindigkeit geregelt werden.
Der beschichtete Draht wird der Einheit 6 zugeführt. In dieser Einheit erfolgt die Vernetzung der Beschichtung. Im Anschluss daran erfolgt eine Kühlung über die Einheit 7. In der Einheit 8 erfolgt die Herstellung des Endproduktes durch Aufwickeln des Drahtes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3741328 C2 [0003]
EP 196017 B1 [0003]
WO 2005/082548 A2 [0003, 0005]
WO 2007/051458 A1 [0006]
EP 1961017 B1 [0007]
DE 3741328 A1 [0008]
DE 4336385 A1 [0011]
EP 0030717 [0019]

Claims

Vorrichtung zur Beschichtung von elektrisch leitenden Drähten umfassend mehrere Einheiten in folgender Anordnung: – Einheit (1) für die Zufuhr der Drähte, – Einheit (2) zur Vorbehandlung der Drähte, – Einheit (5) zum Aufbringen eines Beschichtungsmittels, – Einheit (6) zur Nachbehandlung der beschichteten Drähte, – Einheit (8) zum Aufwickeln des beschichteten Drahtes.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (2) zur Vorbehandlung der Drähte eine Vorrichtung zur Erhitzung der Drähte aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (2) für die Zufuhr der Drähte eine Vorheizstrecke ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (5) zum Aufbringen des Beschichtungsmittels einen Extruder (4) und einen Vorratsbehälter (5) zur Zufuhr von Beschichtungsmitteln sowie ein zwischen der Einheit (2) zur Vorbehandlung der Drähte und der Einheit (6) zur Nachbehandlung der beschichteten Drähte angeordnete Kopfeinheit (5) aufweist, durch welche der zu beschichtende Draht geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (6) zur Nachbehandlung der beschichteten Drähte eine Vernetzungseinheit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzungseinheit mittels Wärme oder energiereicher Strahlung eine Vernetzung durchzuführen vermag.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit (6) zur Nachbehandlung der beschichteten Drähte eine Kühlvorrichtung (7) nachgeschaltet ist.
Verfahren zur Beschichtung von elektrisch leitenden Drähten dadurch gekennzeichnet, dass der zu beschichtende Draht über eine Einheit (1) einer Einheit (2) zur Vorbehandlung der Drähte zugeführt wird, – in einer Einheit (5) Beschichtungsmaterial aus einem Extruder (4) aufgebracht wird – in einer Einheit (6), welche der Einheit (5) zum Aufbringen des Beschichtungsmittels nachgeschaltet ist, eine Nachbehandlung durchgeführt wird und – in einer Einheit (8) der beschichtete Draht aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass über einen Vorratsbehälter (3) Granulat einem Extruder (4) zugeführt wird, aus welchem das aufgeschmolzene Beschichtungsmittel in die Einheit (5´) zur Beschichtung des Drahtes gegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Nachvernetzung in der Einheit (6) in einer Einheit (7) gekühlt wird.