Backlack-/selbstklebende Beschichtungen auf Transformatorblechen: Vor- und Nachteile

Selbstklebende Beschichtungen im Backlack-Stil auf Trafolamellen Sie erhalten festere, leisere und stabilere Kerne, verlieren jedoch etwas an Flexibilität bei Reparaturen und müssen höhere Prozessdisziplin und Materialkosten in Kauf nehmen. Dieser Kompromiss ist nicht nur theoretischer Natur, sondern schlägt sich auch in Ihren Verlustzahlen, Geräuschmessungen, Investitionsplänen und letztendlich darin nieder, wie schmerzhaft Ihre nächste größere Reparatur sein wird.

Was Backlack tatsächlich in einem Transformatorenkern verändert

Der Stahl verändert sich nicht. Die Flusspfade entdecken nicht plötzlich neue physikalische Eigenschaften. Was sich verändert, ist die Art und Weise, wie jede Lamelle mit der nächsten kommuniziert.

Anstatt sich nur auf eine dünne anorganische Isolierung sowie Klemmen, Überlappungsgeometrie, Schweißnähte oder Verriegelungen zu verlassen, fügt Backlack einen organischen Bindungslack hinzu, der sowohl als Isolierung als auch als Klebstoff dient. Unter Hitze und Druck härtet die Beschichtung aus und die Laminierungen verbinden sich über ihre gesamte Oberfläche miteinander, wodurch aus einem losen Paket ein starrer, isolierter Block entsteht.

Lieferanten beschreiben dies als eine vollflächige Verbindung, die die meisten mechanischen Fügeverfahren ersetzen kann, insbesondere wenn dünne NGO/GO-Stähle verwendet werden und herkömmliche Verriegelungen oder Schweißnähte problematisch sind.

Das klingt einfach. Das ist es nicht, aber die Idee dahinter ist es.

Elektrisches Verhalten: Wo selbsthaftende Beschichtungen helfen und wo nicht

Die Kernverluste werden bereits durch die Materialqualität, die Laminierungsdicke und die Geometrie bestimmt. Die Wahl der Beschichtung kommt in der Regel erst später zur Sprache. Mit Backlack rückt sie einen Schritt nach vorne.

Ein herkömmlicher Transformatorkern verwendet eine anorganische Kernplattenbeschichtung, um Wirbelstrompfade zwischen den Lamellen zu unterbrechen. Jede Platte ist praktisch ein separater Leiter mit höherem Widerstand entlang der Dicke. Durch die Einführung einer vollflächigen Verklebung bleibt diese Isolierung erhalten, aber es werden auch viele winzige Luftspalte und durch Grate verursachte Kontakte entfernt, die um Verriegelungen, Schweißnähte, Nietlöcher und raue Schnittkanten auftreten. In der Marketing-Sprache wird in der Regel ein „geringerer Kernverlust” versprochen; die Realität sieht jedoch anders aus.

Studien und Lieferantentests zu geklebten Elektrostahlstapeln zeigen, dass:

• Durch eine vollflächige Verklebung kann ein hoher Stapelfaktor beibehalten werden, während gleichzeitig eine gute Isolierung und reduzierte Wirbelströme gewährleistet sind, obwohl Sie eine organische Schicht hinzugefügt haben.
• Klebende Siliziumstahlpakete, die in Motoren und Transformatoren verwendet werden, weisen im Vergleich zu geschweißten Paketen tendenziell eine messbare Verringerung der Gesamtverluste auf, hauptsächlich durch die Unterdrückung unerwünschter Wirbelströme an Kontaktpunkten und um Grate herum.

Für einen Verteilungstransformator bedeutet das keine Wunderzahlen. Stellen Sie sich das eher so vor, als würden Sie ein paar Prozent der bereits akzeptablen Kernverluste einsparen, insbesondere bei höheren Flussdichten, wo jeder zusätzliche lokale Hotspot schadet. Der Effekt ist am stärksten, wenn Sie sonst den Kern schweißen oder vernieten müssten und dadurch lokale Spannungen und metallische Brücken entstehen würden.

Andererseits fügt die Beschichtung selbst eine geringe nichtmagnetische Dicke hinzu. Wenn der Prozess nicht gut kontrolliert wird und die Schicht zu dick oder ungleichmäßig ist, sinkt der Stapelfaktor und ein Teil Ihres Gewinns geht verloren. Aus diesem Grund legen Backlack-Linien so viel Wert auf die Schichtdicke und den Anpressdruck. Die Beschichtung kann den Stapelfaktor verbessern, indem sie Mikrospalten ausfüllt, aber sie kann ihn auch beeinträchtigen, wenn die Schicht zu dick ist.

Kurz gesagt: Selbstverbundende Beschichtungen helfen Ihnen, schlechten Kontakt zu vermeiden, nicht schlechten Stahl. Wenn Sie bereits hochwertiges GO mit sorgfältigem Schneiden und minimalem Schweißen verwenden, ist der elektrische Vorteil real, aber nicht unbegrenzt.

Mechanisches und akustisches Verhalten: das, was die Nutzer tatsächlich wahrnehmen

Mechanisch gesehen verhält sich ein geklebter Laminatstapel eher wie ein einzelner Verbundblock als wie ein Bündel loser Blätter. Das hat Konsequenzen.

Wenn Laminierungen über ihre gesamte Fläche miteinander verklebt werden, erhält man eine höhere Steifigkeit und eine bessere Formbeständigkeit. Es gibt kein Klappern an den Verbindungsstellen, weniger Probleme mit Laminierungen, die unter Vibrationen verrutschen, und ein geringeres Risiko lokaler Verschiebungen, wenn der Transformator während des Einschaltstroms oder bei Störungen elektrodynamischen Kräften ausgesetzt ist, sofern die externe Klemmung sinnvoll ausgelegt ist. Lieferantendaten und langjährige Erfahrungen mit Motoren zeigen, dass eine vollflächige Verklebung eine hohe mechanische Stabilität und Maßgenauigkeit bietet, da schweißbedingte Spannungen vermieden werden.

Nun zum Thema Geräusche. Durch Magnetostriktion „singen“ Transformatorenkern. Jeder kleine Spalt oder jede lose Kante wird zu einem Miniaturlautsprecher. Klassische Arbeiten zu Silizium-Eisen-Blechpaketen haben gezeigt, dass das Verkleben von Blechpaketen mit einem flexiblen Klebstoff die magnetostriktive Schwingung im Vergleich zu losen Stapeln deutlich reduziert. Moderne Klebelacke sind auf Dämpfung ausgelegt; Hersteller preisen die Geräuschreduzierung ausdrücklich als einen der Hauptvorteile von Backlack-Beschichtungen an.

Bei Verteilungstransformatoren in Wohn- oder Bürogebäuden ist die Reduzierung des hörbaren Brummens oft wichtiger als die letzte Wattzahl des Kernverlusts. Und es funktioniert sowohl bei Trockentransformatoren als auch bei Öltransformatoren, auch wenn sich die Details unterscheiden.

Es gibt jedoch auch eine Kehrseite. Wenn Sie sich emotional darauf verlassen, dass der Klebstoff Kurzschlusskräfte aufnimmt, machen Sie etwas falsch. In großen Leistungstransformatoren werden mechanische Kräfte bei Störungen weiterhin durch Rahmen, Abstandshalter und Klemmen aufgefangen. Der Klebstoff sollte verhindern, dass die Lamellen vibrieren und verrutschen, aber nicht die Stahlstützen ersetzen. Wenn die Verbindung aufgrund schlechter Aushärtung oder Übertemperatur unter Belastung lokal reißt, kann es zu sehr lokal begrenztem Lärm kommen, der sich ohne Demontage des Kerns nicht einfach beheben lässt.

Thermischer Pfad und Überlastverhalten

Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Klebelack ist nicht besonders gut, aber deutlich besser als Luft.

Backlack-Lieferanten betonen, dass die vollflächige Verklebung die axiale Wärmeübertragung verbessert, da die Wärmeleitfähigkeit des Lacks die der Lufttaschen übertrifft, die durch Verriegelung oder punktuelles Schweißen entstehen. Hersteller von selbstklebenden Laminaten berichten von Stapelkonstruktionen, bei denen die axiale Temperatur im Vergleich zu mechanisch verbundenen Laminaten bei gleicher Belastung um mehrere Grad Celsius sinken kann.

Auf einer Wärmekarte bedeutet dies einen gleichmäßigeren Gradienten entlang des Randes: weniger lokale Hotspots, an denen Laminierungen den Kontakt verlieren oder sich um mechanische Verbindungen herum leicht anheben. Bei ölgefüllten Transformatoren sorgt eine bessere Wärmeverteilung im Kern auch für weniger extreme Ölströmungsmuster, was sich positiv auf die Alterungsspielräume auswirkt.

Bei hohen Temperaturen ist Vorsicht geboten. Einige für NGO-Stähle entwickelte Klebelacke behalten nach kurzer Einwirkung von 250 °C eine ausreichende Schälfestigkeit. Das macht die Beschichtung jedoch nicht zu einem Hochtemperatur-Konstruktionsklebstoff, sondern bedeutet lediglich, dass die Verbindung in der Regel normale Montagezyklen und einige Überlastungsszenarien ohne sofortige Ablösung übersteht.

Langfristig altert die organische Schicht dennoch. Wenn Ihr Transformator regelmäßig mit einem Hotspot nahe dem oberen Ende seiner Klasse läuft und häufig überlastet wird, wird der Klebstoff zu einer weiteren Komponente, die in Ihrem Lebensdauer-Modell berücksichtigt werden muss. Er überlebt in der Regel, ist aber nicht unsterblich.

Fertigungsrealität: Prozessfenster, Ausbeute und Kosten

Auf dem Papier vereinfacht Backlack die Dinge: weniger Schweißnähte, keine Verriegelungen, kein separater Klebstoff, nur Pressen und Erhitzen. In der Produktion sorgt es jedoch für eine neue Art von Komplexität.

Eine selbstklebende Beschichtung basiert in der Regel auf einem Epoxidharzsystem, das unter einer definierten Kombination aus Temperatur, Druck und Zeit aushärtet und eine hochfeste Verbindung über den gesamten Laminierungsbereich bildet. Die Lieferanten geben Verarbeitungsfenster vor, die die Stapeltemperatur und die Haltezeit definieren, oft mit Schnellklebeoptionen, bei denen die Verbindungstemperatur durch induktive Erwärmung innerhalb von Minuten erreicht wird.

Dies hat für ein Transformatorenwerk einige Konsequenzen:

Sie sind nun auf eine gute Temperaturgleichmäßigkeit über den gesamten Stapel hinweg angewiesen. Dünne Motorkerne lassen sich relativ leicht erwärmen, dicke Transformatorflügel und Joche hingegen nicht. Wenn der Kernmittelpunkt hinter der Oberfläche zurückbleibt, kann es zu einer unvollständigen Aushärtung der Verbindung kommen: stark in der Nähe der äußeren Lamellen, schwach in der Mitte. Dies äußert sich später in Form von Geräuschen, lokalen Bewegungen oder ungewöhnlichen Fehlern bei Verbindungstests.

Außerdem müssen Sie mehr Prozessparameter kontrollieren: Schichtdicke, Lagerbedingungen, Aushärtungsplan, Sauberkeit der Laminierung. Ausschuss aufgrund von Unter- oder Überbindung ist optisch nicht so offensichtlich wie eine schlechte Schweißnaht. Er tritt oft erst bei akustischen Tests oder mechanischen Prüfungen zutage, was bedeuten kann, dass Sie Probleme erst spät entdecken.

Was die Kosten angeht, ist der beschichtete Stahl teurer als eine herkömmliche Kernplattenbeschichtung allein. Sie sparen jedoch Schweiß- und Verriegelungsarbeiten und möglicherweise auch Montagezeit, wenn Ihre Klebepressen für das jeweilige Volumen richtig dimensioniert sind. Klebelack wird als Möglichkeit vermarktet, die Gesamtkosten für die Verbindung dünner Stähle zu senken, bei denen das Schweißen schwierig ist. Ob dies für Ihre Transformatorenlinie zutrifft, hängt vom Volumen, den vorhandenen Werkzeugen und den bereits abgeschriebenen Kosten ab.

Man tauscht also Schweißvorrichtungen und erfahrene Schweißer gegen Pressen, Öfen (oder Induktionssysteme) und Verfahrenstechniker ein. Es handelt sich immer noch um Metallverarbeitung, nur mit etwas mehr Chemie.

Wartung, Reparatur und Ausfallmodi

Transformatoren führen ein langes, langweiliges Leben, bis sie es nicht mehr tun. Die Reparatur des Kerns ist ein wichtiges Kapitel in dieser Geschichte, und Backlack ändert das Drehbuch.

Herkömmliche gestapelte Kerne, die mit Klammern, Keilen und einer geringen Menge Lack zusammengehalten werden, können zerlegt werden. Reparaturwerkstätten stapeln die Laminate routinemäßig neu, ersetzen beschädigte Platten und bauen den Kern nach Isolationsausfällen oder mechanischen Unfällen wieder auf. Der Vorgang ist zwar aufwendig, aber machbar.

Ein vollständig verklebter Kern ist anders. Sobald die Lamellen über ihre gesamte Fläche verklebt sind, ist es fast unmöglich, sie in großem Maßstab zu trennen, ohne sie zu zerstören. Kleine Reparaturen an den Außenkanten sind vielleicht noch möglich, aber alles, was tiefer liegt, wird in der Regel zu Schrott.

Das hat zwei Konsequenzen.

Erstens benötigen Sie ein höheres Vertrauen in Ihre ursprünglichen Auslegungsspielräume, insbesondere bei Einheiten, bei denen die Reparaturfähigkeit vor Ort Teil des Geschäftsmodells ist. Zweitens tendiert man bei einem katastrophalen Ereignis in einem Transformator mit geklebtem Kern aus wirtschaftlichen Gründen eher zu einem vollständigen Austausch als zu einer umfassenden Reparatur. Bei kleinen und mittleren Verteilungseinheiten mag dies akzeptabel sein. Bei sehr großen Leistungstransformatoren mit komplexer Logistik ist dies jedoch möglicherweise nicht der Fall.

Das Versagen der Verklebung selbst ist ein weiterer Modus. Es äußert sich in der Regel in Form von lokalem Rauschen oder Vibrationen, nicht in einem unmittelbaren elektrischen Ausfall. Wenn ein Bereich des Kerns aufgrund unsachgemäßer Aushärtung oder thermischer Alterung seine Verklebung verliert, können die Laminierungen anfangen, gegeneinander zu schwirren, was zu erhöhten lokalen Verlusten und einer erhöhten Schallabgabe führt. Manchmal lässt sich dies durch sorgfältige Schall- und Vibrationsmessungen feststellen, aber um das Problem zu beheben, muss oft viel zerlegt werden, um einen kleinen Bereich zu erreichen.

Mit Backlack gehen Sie eine Verpflichtung ein. Und später zahlen Sie für diese Verpflichtung, auf die eine oder andere Weise.

Vor- und Nachteile auf einen Blick

Die folgende Tabelle vergleicht Backlack-/Selbstklebebeschichtungen auf Transformatorblechen mit herkömmlichen anorganischen Beschichtungen sowie mechanischer Klemmung oder Schweißung. Sie wurde aus der Sicht einer Person verfasst, die sich für ein neues Design entscheiden muss, und nicht zu Marketingzwecken.

Wie man über Backlack für Transformatorbleche denkt

Wenn man Transformatoren hauptsächlich als mechanische Objekte aus Kupfer und Stahl betrachtet, ist Backlack eine Wahl für die Fertigung, die zufällig auch die Leistung beeinflusst.

Bei kleinen und mittleren Verteilungstransformatoren, insbesondere bei Trockentransformatoren oder geräuscharmen Ausführungen, sind selbstverbundende Beschichtungen sinnvoll, wenn Sie bereit sind, in die Prozesssteuerung zu investieren. Sie erhalten leisere Kerne, geringfügig geringere Verluste, eine bessere Wärmeverteilung und Teile, die die Handhabung ohne größere Probleme überstehen. Außerdem verpflichten Sie sich zu einer anderen Reparaturphilosophie und verlassen sich über Jahrzehnte hinweg stärker auf die Stabilität einer einzigen organischen Schicht.

Bei sehr großen Leistungstransformatoren ist die Lage weniger eindeutig. Mechanische Versteifungen, Transportbeschränkungen und etablierte Reparaturpraktiken dominieren die Entscheidung. Verbundlamellen können zwar bei bestimmten Baugruppen oder in experimentellen Konstruktionen weiterhin eine Rolle spielen, aber geklemmte, wiederverwendbare Kerne bleiben die konservative Lösung.

Die Frage lautet also nicht „Ist Backlack gut?“, sondern „Wo passt ein starrer, leiser, schwer zu reparierender Kern in Ihr Produktsortiment, Ihre Fabrik und Ihr Servicemodell?“

Sobald Sie diese Frage beantwortet haben, ergibt sich die Wahl der Beschichtung meist von selbst.