Enovasense

01 — Einführung

Isolierbeschichtungen: wenige Mikrometer, die über den Wirkungsgrad von Motoren und Transformatoren entscheiden

Elektroband bildet den Magnetkern jedes Transformators, Elektromotors und Generators. Um Wirbelstromverluste zu begrenzen, wird der Kern aus dünnen Blechen – typischerweise 0,20 bis 0,65 mm dick – aufgebaut, die gestapelt oder gewickelt werden. Jedes Blech muss gegenüber seinen Nachbarn elektrisch isoliert sein. Diese Aufgabe übernimmt die Isolierbeschichtung, eine dünne Schicht, die am Ende des Herstellungsprozesses auf beide Seiten des Bandes aufgebracht wird.

Es werden zwei Familien von Elektroband hergestellt, jede mit eigenem Beschichtungsaufbau:

Kornorientiert (GO) Nicht kornorientiert (NO / NGO) Backlacke

Kornorientiertes Elektroband, das in Transformatoren eingesetzt wird, trägt einen Forsteritfilm, der beim Hochtemperaturglühen aus einem MgO-Glühseparator entsteht und von einer phosphatbasierten Spannungsisolation (Tension Coating) überdeckt wird. Nicht kornorientiertes Elektroband, das in Motoren und Generatoren – einschließlich Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge – verwendet wird, erhält eine einzige Isolierlackschicht. Je nach Anwendung sind diese Beschichtungen anorganisch, organisch oder hybrid (zum Beispiel die Klassen C3, C5 und C6 nach ASTM A976) und zunehmend chromfrei. Ein wachsender Anteil des NO-Bandes erhält zudem Backlacke, die das Schweißen oder Stanzpaketieren des Blechpakets ersetzen.

In allen Fällen wird die Beschichtung flüssig mit Walzenauftragsmaschinen (Roll Coater) aufgebracht und anschließend vor dem Aufhaspeln in einem Durchlaufofen getrocknet und eingebrannt.

Beschichtungsklassen und typische Produkte

Isolierbeschichtungen werden nach ASTM A976 klassifiziert (Klassen C-0 bis C-6), mit entsprechenden EC-Bezeichnungen in IEC 60404-1-1. Die auf Beschichtungslinien am häufigsten eingesetzten Klassen sind nachfolgend aufgeführt, zusammen mit Beispielen handelsüblicher Produkte, die mit Enovasense-Sensoren gemessen wurden oder für die eine Messung vorgesehen ist.

Beispiele handelsüblicher Beschichtungen in diesem Bereich (nicht abschließende Liste):

• Rembrandtin / Kansai Helios — REMISOL® Elektrobandbeschichtungen, z. B. REMISOL EB 5308, EB 5320 (chromfrei, kornorientiertes Elektroband), EB 5340, EB 5350S und EB 5002M.
• Axalta — Voltatex® Elektrobandbeschichtungen und Backlacke, z. B. Voltatex 1175W, 1230 und 1250V.
• ELANTAS (ALTANA) Isolierlacke für Elektroblech.
• Kluthe Isolierbeschichtungen für Elektroband.
• Phosphatbasierte Spannungsisolationen für kornorientiertes Elektroband, etwa Beschichtungen vom Typ CARLITE®, sowie Eigenformulierungen der Stahlhersteller.

Alle Marken sind Eigentum ihrer jeweiligen Inhaber. Ihre Nennung kennzeichnet lediglich die Art der betreffenden Beschichtung und impliziert weder eine Empfehlung noch eine Partnerschaft.

02 — Qualitätsanforderungen

Warum die Schichtdicke auf beiden Seiten und über das gesamte Band geprüft werden muss

Die Isolierbeschichtung bewegt sich in einem engen Prozessfenster. Typische Trockenschichtdicken reichen von einigen Zehntel Mikrometern bis etwa 10 µm pro Seite, und die Spezifikationen werden häufig als Schichtgewicht in g/m² angegeben. Abweichungen nach oben oder unten wirken sich unmittelbar auf die fertige elektrische Maschine aus.

Zu dünn: Versagen der Isolation

Eine örtlich zu dünne Beschichtung gewährleistet den Interlaminarwiderstand nicht mehr. Elektrischer Kontakt zwischen den Blechen erzeugt Kurzschlusspfade im Kern, die die Wirbelstromverluste und die örtliche Erwärmung erhöhen. Bei Backlacken schwächt eine unzureichende Schicht zudem die Verbundfestigkeit des Pakets.

Zu dick: geringerer Stapelfaktor und Verarbeitungsprobleme

Jeder zusätzliche Mikrometer Beschichtung ist nichtmagnetisches Material im Kern. Eine zu dicke Beschichtung verringert den Stapelfaktor – den Stahlanteil am Kernvolumen – und damit den Wirkungsgrad des Motors oder Transformators. Sie kann außerdem Stanzbarkeit, Schweißbarkeit und Haftung verschlechtern und erhöht den Beschichtungsverbrauch.

Drift der Walzenauftragsmaschine und chromfreie Neuformulierung

Walzenverschleiß, Viskositätsänderungen, Schwankungen von Walzenspalt oder Geschwindigkeit sowie Randeffekte verändern die aufgetragene Schichtdicke über die Breite und entlang des Coils. Gleichzeitig zwingt der branchenweite Umstieg auf chromfreie Formulierungen die Hersteller, ihre Schichtgewichte neu zu qualifizieren. Nur eine dichte Messung über die Bandbreite und auf beiden Seiten macht diese Abweichungen sichtbar, bevor das Coil ausgeliefert wird.

03 — Messtechnische Herausforderungen

Warum herkömmliche Verfahren die Beschichtungslinie im Blindflug lassen

Isolierbeschichtungen sind dünn, von geringer Dichte, oft transparent und werden auf ein ferromagnetisches Substrat aufgebracht, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die meisten Stahlhersteller stützen sich weiterhin auf Laborverfahren an Proben, die am Coilende entnommen werden.

Gravimetrische Bestimmung (Ablösen und Wiegen): genau, aber zerstörend und langsam

Das Schichtgewicht wird bestimmt, indem eine Probe vor und nach dem chemischen Ablösen der Beschichtung gewogen wird. Das Verfahren ist die übliche Referenz, ist aber zerstörend, zeitaufwendig und liefert nur einen Wert pro Probe – typischerweise am Anfang oder Ende des Coils. Eine Drift in der Mitte des Coils bleibt unbemerkt.

Isolationswiderstandsprüfungen: eine Funktionsprüfung, keine Dickenmessung

Prüfungen des Oberflächenisolationswiderstands (etwa der Franklin-Test) bestätigen, dass die Beschichtung isoliert, liefern aber nicht ihre Dicke. Sie werden offline durchgeführt und zeigen dem Bediener nicht, wie die Walzenauftragsmaschine nachzustellen ist.

Taktile und Inline-Messgeräte: durch die Beschichtung selbst begrenzt

Handgeräte mit magnetinduktiven oder Wirbelstromsonden liefern eine Dicke, erfordern aber Kontakt und bleiben Stichproben an geschnittenen Proben. Inline-Messgeräte auf Basis von Röntgenabsorption oder Fluoreszenz stoßen an andere Grenzen: bei der ersten Methode die geringe Dichte und wechselnde Zusammensetzung der Beschichtungen, bei der zweiten die Notwendigkeit einer fluoreszierenden oder pigmentierten Komponente – was viele anorganische und transparente Beschichtungen ausschließt.

Argumente für eine berührungslose Schichtdickenkartierung

• Jedes Coil wird gemessen, nicht nur die Probe von Anfang oder Ende.
• Beide Seiten werden geprüft, sodass eine Abweichung an einer Walzenauftragsmaschine sofort erkannt wird.
• Organische, anorganische und hybride Beschichtungen werden nach demselben Prinzip gemessen, ob transparent oder pigmentiert.
• Eine Regelung im geschlossenen Kreis der Walzenauftragsmaschine wird möglich, was Beschichtungsverbrauch und Ausschuss verringert.

04 — Technologievergleich

Warum die laserphotothermische Radiometrie für Isolierbeschichtungen geeignet ist

Die patentierte laserphotothermische Radiometrie von Enovasense misst die Beschichtung über ihre thermischen Eigenschaften. Ein modulierter Laserstrahl erzeugt an der Oberfläche eine thermische Welle; ein Infrarotdetektor erfasst die zurückdiffundierende Wärme; die Schichtdicke wird aus der Phase der thermischen Antwort ermittelt. Da sich Isolierbeschichtungen und Stahl in ihren thermischen Eigenschaften stark unterscheiden, ist der Kontrast selbst bei Schichten unter einem Mikrometer hoch. Das Verfahren ist vollständig berührungslos, zerstörungsfrei und unabhängig von Farbe oder Transparenz der Beschichtung.

05 — Messtechnische Leistung

Fallstudie: Isolierbeschichtungen eines integrierten Stahlherstellers

Ein integrierter Stahlhersteller stellte beschichtete Bandproben aus seinen Elektrobandlinien zur Verfügung, die die Klassen C3, C5 und C6 mit mehreren Schichtgewichten abdeckten. Die Proben wurden mit einem Enovasense-Sensor in einer Labor-Prüfstation berührungslos in folgender Konfiguration gemessen:

Die nachfolgend angegebenen Werte beziehen sich auf die in dieser Studie verwendete Messkonfiguration. Die tatsächliche Leistung in einer konkreten Anwendung hängt vom gewählten optischen System, von der Beschichtungsformulierung und von ihrem Dickenbereich ab.

Richtigkeit: Korrelation mit einem taktilen Referenzmessgerät

Die Ergebnisse von Enovasense wurden mit Dickenwerten verglichen, die an denselben Proben mit einem taktilen Magnetinduktions-/Wirbelstrom-Messgerät ermittelt wurden. Beide Verfahren zeigen eine lineare Korrelation mit R² = 0,96 über den von den Referenzmessungen abgedeckten Bereich von 2–8 µm, mit einer einzigen Regressionsgeraden für alle drei Beschichtungsklassen.

Wiederholpräzision

An exakt demselben Punkt einer C5-Probe wurden zehn aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt. Die mittlere Dicke beträgt 5,41 µm bei einer Standardabweichung von 0,09 µm, d. h. einer relativen Standardabweichung von 1,7 % – deutlich unter der üblichen Toleranz einer Schichtgewichtsspezifikation.

Toleranz gegenüber dem Arbeitsabstand

Bandplanheit, Bandflattern und Schwankungen der Passlinie verändern den Abstand zwischen Sensor und Oberfläche. Die Probe wurde bei variiertem Abstand um den Nennwert gemessen: Die Messabweichung bleibt innerhalb eines Fensters von ±5 mm vernachlässigbar; dies ist die empfohlene Arbeitstoleranz für diese optische Konfiguration.

06 — Industrielle Integration

Von der Laborkartierung zur Inline-Prüfung

Enovasense begleitet Stahlhersteller und Coil-Verarbeiter in jeder Phase, von der Qualifizierung einer neuen Formulierung bis zur kontinuierlichen Prüfung einer Produktionslinie.

Laborprüfung an der Linie

Proben vom Coilende werden in eine Enovasense-Prüfstation gelegt, die die Schichtdicke auf beiden Seiten automatisch kartiert. Das Ergebnis ersetzt oder ergänzt gravimetrische Prüfungen in Minuten statt Stunden und ist der schnellste Weg, chromfreie Formulierungen oder neue Schichtgewichte zu qualifizieren.

Inline-Messung

In der Linie werden Enovasense-Messköpfe nach dem Einbrennofen auf einer oder beiden Seiten des Bandes installiert, an festen Positionen oder auf einer Traversiereinheit. Auf das Austrittsfenster wird Luft geblasen, um die Optik zu schützen. Der Arbeitsabstand von mehreren Zentimetern hält den Messkopf vom Band fern, und die Abstandstoleranz von ±5 mm gleicht Schwankungen der Passlinie aus. Die Ergebnisse werden in Echtzeit über Ethernet (TCP/IP) an die Linienautomatisierung, L2- oder MES-Systeme übertragen, zur Coil-Dokumentation und zur Rückführung an die Walzenauftragsmaschine.

Schritte der Einführung