(57)【要約】      （修正有）【課題】固定子バーコンポーネントに使用される絶縁体の絶縁体の熱伝導率を高める。【解決手段】固定子バー１００は、複数の導体１２０と、複数の導体の周囲に配置される絶縁層１３０とを含んでいる。絶縁層は複数の層を含み、複数の層は１つ又は複数の電気絶縁層と、１つ又は複数の熱伝導層とを有している。これにより、絶縁体の熱伝導率が高められる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子バーであって、
複数の導体と、
前記複数の導体の周囲に配置された絶縁層と、を備え、
前記絶縁層が、複数の層を備え、前記複数の層が１つ又は複数の電気絶縁層と、１つ又は複数の熱伝導層とを含む、固定子バー。
【請求項２】
前記１つ又は複数の電気絶縁層がマイカとガラス繊維の少なくとも１つを備え、前記１つ又は複数の熱伝導層が窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、シリカ（ＳｉＯ2）、又はダイアモンド（Ｃ）の少なくとも１つからなる、請求項１に記載の固定子バー。
【請求項３】
前記１つ又は複数の電気絶縁層がマイカからなり、前記１つ又は複数の熱伝導層が窒化ホウ素（ＢＮ）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の少なくとも１つからなる、請求項２に記載の固定子バー。
【請求項４】
前記１つ又は複数の熱伝導層が約１Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率を有する、請求項３に記載の固定子バー。
【請求項５】
前記絶縁層が複数の重複層からなる、請求項１に記載の固定子バー。
【請求項６】
前記１つ又は複数の電気絶縁層が１つ又は複数の重複層からなり、前記１つ又は複数の熱伝導層が１つ又は複数の重複層からなると共に、
前記１つ又は複数の電気絶縁層が、前記１つ又は複数の熱伝導層の実質的に近傍に配置される、請求項５に記載の固定子バー。
【請求項７】
前記１つ又は複数の電気絶縁層が１つ又は複数の重複層からなり、前記１つ又は複数の熱伝導層が１つ又は複数の重複層からなると共に、
前記１つ又は複数の電気絶縁層と前記１つ又は複数の熱伝導層とが互いに交互に配置される、請求項５に記載の固定子バー。
【請求項８】
前記絶縁層が、前記１つ又は複数の電気絶縁層の数と前記１つ又は複数の熱伝導層の数とによって構成される、電気絶縁と熱伝導との比率を有する、請求項１に記載の固定子バー。
【請求項９】
絶縁システムであって、
１つ又は複数の導体の周囲に配置される絶縁層を備え、
前記絶縁層が複数の層を含み、前記複数の層が１つ又は複数の電気絶縁層と１つ又は複数の熱伝導層とを含む、絶縁システム。
【請求項１０】
前記１つ又は複数の電気絶縁層がマイカとガラス繊維の少なくとも１つを備え、前記１つ又は複数の熱伝導層が窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、シリカ（ＳｉＯ2）、又はダイアモンド（Ｃ）の少なくとも１つからなる、請求項９に記載の絶縁システム。
【請求項１１】
前記１つ又は複数の電気絶縁層がマイカからなり、前記１つ又は複数の熱伝導層が窒化ホウ素（ＢＮ）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の少なくとも１つからなる、請求項１０に記載の絶縁システム。
【請求項１２】
前記１つ又は複数の熱伝導層が約１Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率を有する、請求項１１に記載の絶縁システム。
【請求項１３】
前記絶縁層が複数の重複層からなる、請求項９に記載の絶縁システム。
【請求項１４】
前記１つ又は複数の電気絶縁層が１つ又は複数の重複層からなり、前記１つ又は複数の熱伝導層が１つ又は複数の重複層からなると共に、
前記１つ又は複数の電気絶縁層が、前記１つ又は複数の熱伝導層の実質的に近傍に配置される、請求項１３に記載の絶縁システム。
【請求項１５】
前記１つ又は複数の電気絶縁層が１つ又は複数の重複層からなり、前記１つ又は複数の熱伝導層が１つ又は複数の重複層からなると共に、
前記１つ又は複数の電気絶縁層と前記１つ又は複数の熱伝導層とが互いに交互に配置される、請求項１３に記載の絶縁システム。
【請求項１６】
前記絶縁層が、前記１つ又は複数の電気絶縁層の数と前記１つ又は複数の熱伝導層の数とによって構成される、電気絶縁と熱伝導との比率を有する、請求項１３に記載の絶縁システム。
【請求項１７】
絶縁システムであって、
１つ又は複数の導体の周囲に配置された絶縁層を備え、
前記絶縁層が１つ又は複数の熱伝導層を備えると共に、前記絶縁層がターン絶縁体として構成され、前記絶縁層が個々のターンの間、又は個々のターンの周囲の少なくとも一方に位置する、絶縁システム。
【請求項１８】
前記１つ又は複数の熱伝導層が窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、シリカ（ＳｉＯ2）、又はダイアモンド（Ｃ）の少なくとも１つからなる、請求項１７に記載の絶縁システム。
【請求項１９】
前記１つ又は複数の熱伝導層が窒化ホウ素（ＢＮ）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の少なくとも１つからなる、請求項１８に記載の絶縁システム。
【請求項２０】
前記１つ又は複数の熱伝導層が約１Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率を有すると共に、前記絶縁層が複数の重複層からなる、請求項１７に記載の絶縁システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電気機械用の絶縁システムに関し、特に高熱伝導フィラーを追加することにより、固定子バーコンポーネントに使用される絶縁体の熱伝導率を高めることに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機、モ−タ、及び変圧器などの電気機械用の絶縁材には一般に、ガラスクロス及び／又はガラスクロスの組み合わせ、樹脂粘結剤、マイカ紙、及び同類の材料が含まれる。このような絶縁材は一般に、電気機械の様々な電気的厳しさに耐えることができ、しかも適切な絶縁をもたらす機械的特性及び物理的特性を有する必要がある。加えて、絶縁材は、極端な動作温度変化に耐え、長い設計寿命を有する必要がある。
【０００３】
近年、一般的な絶縁の熱伝導率は、高熱伝導フィラーを加えることによって約０．３Ｗ／ｍＫから約０．５Ｗ／ｍＫ（ワット／メーター／ケルビン温度）に上昇している。しかし、特に固定子バーに関しては、Ｅガラス（電気繊維ガラス）は一般に導体を絶縁するための垂直セパレータとして、及び絶縁テープ内のバッカーとして使用されている。このようなＥガラスは、約０．９９Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することができる。同様に、Ｄａｃｒｏｎ（登録商標）（Ｉｎｖｉｓｔａ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｓ．Ａ．Ｒ．Ｌコーポレーションの登録商標）ガラスを使用してもよい。Ｄａｃｒｏｎ（登録商標）ガラスは約０．４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することができる。
【０００４】
固定子バーコンポーネントの熱抵抗を低減することによって、固定子バーの導体と固定子コアとの間の向上した熱伝達が得られる。導体を効果的に冷却することによって、特に銅導体の電流密度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６５５８６８号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、既存の電気機械、又は経済的コストがより高くなるであろう小型の新規の製品において、より多くの電力及び／又はより高い効率を生じるために、熱伝導率を更に向上させることが望まれる。
【０００７】
本発明の一態様によれば、複数の導体と、複数の導体の周囲に位置する絶縁層とを含む固定子バーが提供される。絶縁層は複数の層を含み、複数の層は１つ又は複数の電気絶縁層と、１つ又は複数の熱伝導層とを含んでいる。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、１つ又は複数の導体の周囲に位置する絶縁層を有する絶縁システムが提供される。絶縁層は複数の層を含み、複数の層は１つ又は複数の電気絶縁層と、１つ又は複数の熱伝導層とを含んでいる。
【０００９】
本発明の更に別の態様によれば、１つ又は複数の導体の周囲に位置する絶縁層を有する絶縁システムが提供される。絶縁層は、１つ又は複数の熱伝導層を有している。絶縁層は、ターン絶縁として形成され、個々のターンの間、及び／又は個々のターンの周囲に位置している。
【００１０】
本発明の上記及びその他の特徴は、幾つかの図面及び下記の特許請求の範囲を参照して以下の詳細な説明を検討することによって、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のある態様による固定子バーの斜視図である。
【図２】本発明のある態様による固定子コイルの側面断面図である。
【図３】本発明のある態様による絶縁層の断面図である。
【図４】本発明のある態様による絶縁層の断面図である。
【図５】本発明のある態様による絶縁層の断面図である。
【図６】本発明のある態様によるレーベル型固定子バーの側面断面図である。
【図７】本発明のある態様による２ターンのレーベル型固定子バーの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、幾つかの図面を通して同一の番号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１及び図２は本明細書に記載されている固定子コイル、又はバー１００を示している。前述のように、固定子コイル、又はバー１００は、当技術分野で知られている電気機械に使用できる。電気機械は一般に、複数の固定子コイル、又はバー１００を有している。複数の固定子コイル、又はバー１００は同一のものでよく、互いの上、又は互いの周囲に配置されてもよい。
【００１３】
概略的に記載すると、各々の固定子コイル、又はバー１００は幾つかの導体１２０を含んでもよい。導体１２０は銅、銅合金、アルミニウム、又はこれに類する材料からなるものでよい。導体絶縁体１３０の層は、個々の導体１２０を分離してもよい。この実施例では、導体絶縁体１３０は一般的なＥガラス、Ｄａｇｌａｓｓ、又は同タイプのガラス材を含んでもよい。Ｅガラスは、電気機械的特性に優れ、耐化学性に優れた低アルカリホウケイ酸ガラス繊維でよい。Ｅガラス又は電気グレードガラスは卓越した繊維形成能力を有し、ガラス繊維の強化相として使用される。Ｅガラスは約０．９９Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することができる。Ｄａｇｌａｓｓはポリエステルとガラス繊維とを混合した繊維糸でよい。Ｄａｇｌａｓｓは約０．４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することができる。Ｅガラス、Ｄａｇｌａｓｓ、又は同タイプの材料製のガラスクロスは任意の所望の織り密度、重さ、厚さ、強度、及びその他の特性を有するものでよい。
【００１４】
図２を参照すると、固定子コイル、又はバー１００は２層（スタック）１４０の導体１２０を含んでいる。任意の数の層１４０又はスタックを使用してもよい。層１４０は、垂直のセパレータ１５０で分離されてもよい。一般的な垂直セパレータ１５０は、硬化すると流れて層／スタック１４０を接合する樹脂で処理される紙、フェルト、又はガラス織物を含んでもよい。セパレータ１５０は更に、層１４０間に更なる電気絶縁をもたらす。層１４０は更に、接地壁絶縁体１５５の層で囲まれてもよい。前述のように、接地壁絶縁体１５５は通常は、複数層のマイカ紙、ガラスクロス、又は一方向ガラス繊維、及び樹脂粘結剤から構成されてもよい。接地壁絶縁体１５５は一般に、層／スタック１４０の周囲に巻回された複数層のマイカ複合テープの形態である。
【００１５】
電気機械の電機子巻線１００の性能を高めるために、幾つかのアプローチを講じることができる。１つのオプションは、絶縁の耐電圧性能を高め、同じ電圧定格でより薄い絶縁構造にすることである。このオプションには、導体から固定子コアへの熱流を高めることができ、それによって熱電対測定値が変化しないまま導体を流れる電流量を増加させ、効率又は出力を高めることができるという、より薄い接地壁絶縁体の利点がある。接地壁絶縁体をより薄くすることの別の利点は、より薄い接地壁絶縁体を介する熱伝達の向上と合わせて導体容積の追加が可能になり、それによって電流搬送性能が高まり、同サイズのバー又はコイルで効率又は出力を高めることができることである。接地壁絶縁体をより薄くすることの別の利点は、同じ導体容積でバー又はコイルのサイズを縮小しつつ、電位が追加されて電気機械のサイズを縮小できることである。
【００１６】
本発明のある態様は、主接地壁絶縁テープを被覆するプロセス中に、高熱伝導フィラーを含む樹脂で処理されて繊維材を被覆することによって電機子バー接地壁絶縁体の熱伝導率を高める。コーティングされた繊維基材は複数の絶縁システムに使用し、固定子バー又はコイルの処理方法に関わりなく被覆することができる。その目的は、静水圧硬化、プレス硬化、又は真空加圧含浸（ＶＰＩ）された接地壁絶縁システムにこの新規のコーティングされた材料を使用することである。接地壁絶縁体は、複数の又は特定の硬化化合物及びマイカテープ構造に適合する配合組成の窒化ホウ素などの高熱伝導フィラーを含む樹脂を有するコーティング及び含浸された繊維を含むことができる。この材料と残りの接地壁絶縁体との比率は、誘電特性との兼ね合いで約１０％から約５０％である。特定の用途で必要ならば、この範囲以上又は未満の量を使用してもよい。
【００１７】
図３は、本発明のある態様による、図２に示す接地壁絶縁体１５５の構造の一部として使用できる絶縁層３５５（２層のテープ層）の断面図を示す。絶縁層３５５は複数の層からなり、これらの層は様々な特性を有している。例えば、電気絶縁層３１０はマイカ紙又はマイカ複合テープからなるものでよい。電気絶縁層３１０は、マイカ、又は被覆中にマイカを支えるため、フィルム、糸、マット又は繊維織物、又はそれらの組み合わせと組み合わせた繊維ガラスを含んでもよい。電気絶縁層３１０の個々の層を接合し、層内のスペースを埋めるために樹脂粘結剤を使用してもよい。電気絶縁層３１０の主な目的は電気絶縁であり、この層の熱伝導率は高くない。電気絶縁層３１０は、１つ又は複数の電気絶縁層から形成されてもよい。
【００１８】
熱伝導層３２０は、高熱伝導フィラーを含む樹脂で処理された繊維コンポーネントでよい。高熱伝導フィラーは、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、シリカ（ＳｉＯ2）、又はダイアモンド（Ｃ）、又はそれらの組み合わせの少なくとも１つでよい。２つの例のみを挙げると、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）は約２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、窒化ホウ素（ＢＮ）は約６００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。熱伝導層３２０は、高熱伝導フィラーを含む樹脂でコーティングされたガラス繊維からなるものでよい。添加されるフィラーの量は、特定の用途で所望の熱伝導率を得るために変更してもよい（例えば、１つ又は複数の熱伝導層は、約１Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率を有してもよい。
【００１９】
電気絶縁層３１０によって得られる電気絶縁の量、及び熱伝導層３２０によって得られる熱伝導の量は、特定の機械の用途での必要性に応じて調整されてもよい。この例では、電気絶縁と熱伝導との均衡を保つために厚さが同じ２つの層がある。層３１０は層３２０の上に配置しても下に配置してもよいことを理解されたい。しかし、絶縁層全体は、各々の部分の層の数を変更することによって、電気絶縁と熱伝導との均衡がより大きく、又はより小さくなるように構成することができる。例えば、電気絶縁と熱伝導との比率をより大きくする必要がある場合は、電気絶縁層の数を増加させることができる（例えば、４層の電気絶縁層３１０と２層の熱伝導層３２０）。逆に、電気絶縁と熱伝導との比率をより小さくする必要がある場合は、熱伝導層の数を増加させることができる（例えば、２層の電気絶縁層３１０と３層の熱伝導層３２０）。
【００２０】
図４は、本発明のある態様による、１つ又は複数の電気絶縁層４１０と１つ又は複数の熱伝導層４２０との交互配置構成を有する絶縁層４５５の断面図を示している。この絶縁層４５５は又、ターン又は接地壁絶縁層として使用されてもよい。この例では、各々の電気絶縁層４１０は各々の熱伝導層４２０と交互に配置され、両方のタイプの層は絶縁層の厚さ全体に延在している。この構成によって、熱伝導層が絶縁層の厚さ全体に延在しているため、（図２に示す絶縁層と比較して）熱伝導率が高まる。この例では、同数の電気絶縁層４１０と熱伝導層４２０とが示されている。特定の用途での必要性に応じて、交互配置される各層の量を（図４に示す量とは異なるように）変更できることを理解されたい。
【００２１】
図５は、本発明のある態様による、１つ又は複数の電気絶縁層５１０と１つ又は複数の熱伝導層５２０との交互配置構成を有する絶縁層５５５の断面図を示している。この絶縁層５５５もターン又は接地壁絶縁層として使用されてもよい。しかし、この例では、異なる数の電気絶縁層５１０が熱伝導層５２０と交互配置されている。両方のタイプの層が絶縁層の厚さ全体に延在している。この構成は、層の数を変更することによって、電気絶縁と熱伝導との均衡がより大きく、又は小さくなるように、絶縁層５５５を構成できる態様を示している。例えば、図示の通り、電気絶縁と熱伝導との比率を大きくする必要がある場合は、電気絶縁層５１０の数を増加することができる（例えば、熱伝導層５２０の１層毎に２層の電気絶縁層５１０）。逆に、電気絶縁と熱伝導との比率を小さくする必要がある場合は、熱伝導層の数を増加することができる（例えば、１層の電気絶縁層３１０と３層の熱伝導層３２０）。いくつかの例しか示されていないが、電気絶縁層５１０と熱伝導層５２０内の各々の層の数を調整することによって、所望の電気絶縁と熱伝導との特定の比率を調節する高度の制御性があることが分かる。特定の用途での必要性に応じて、層ごとの相互配置の量を（図５に示した以上に）変更できることを理解されたい。
【００２２】
図６及び図７は、転置された構成の導体バー６１０、７２０の断面図を示している。このタイプの構成は、通常、レーベル型バー又は構成と呼ばれている。図６は、副導体６１２、接地壁絶縁体６１４、及びスロットコロナ防止外装６１６を有するレーベル型固定子バーを示している。図７は、スロット部内に転置された副導体７２２（ストランド又は個々の副導体）を有する２ターンのレーベル型固定子バー７２０を示している。幾つかはストランドをスロットの外側の端アーム内にも転置する。副導体のスタックにターン絶縁体７２４が巻回され、次いでターン絶縁体７２４に接地壁絶縁体７２６が巻回される。この例では、絶縁システムは、１つ又は複数の導体７２２の周囲に配置されている絶縁層７２４を含む。前述のように、絶縁層は、１つ又は複数の電気絶縁層と、１つ又は複数の熱伝導層とを含む複数の層からなる。この例では、絶縁層はターン絶縁体として構成され、絶縁層は、個々のターン７２８の間、及び個々のターン７２８の周囲に位置している。しかし、ターン絶縁体は、特定の用途での必要性に応じて、個々のターンの間、又は個々のターンの周囲のいずれかに位置することもできることを理解されたい。高熱伝導層（又は１つ又は複数の熱伝導層）のみをターン絶縁体として使用することもできよう。
【００２３】
本明細書に記載の絶縁層は、任意の電気機械の任意の導体に応用してもよいことを理解されたい。例えば、絶縁層はモータや発電機の接地壁絶縁体、導体絶縁体、固定子バー絶縁体、或いは、熱伝導率の上昇や電気絶縁と熱伝導の比率の高度の制御が望まれるその他の導体として使用できる。
【００２４】
本明細書は、最良の態様を含めて本発明を開示し、いずれかのデバイス又はシステムを製造し、使用し、組み込まれたいずれかの方法を実施することを含めて、どの当業者も本発明を実施できるように実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含み得る。そのようなその他の実施例は、特許請求の範囲の文字言語と相違しない構造要素を有し、又は特許請求の範囲の文字言語とは非実質的な相違しか有していない等価の構造要素を含む場合は、特許請求の範囲に含まれるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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