(57)【要約】【課題】金属導体（１４）上の被覆を硬化する方法を提供すること。【解決手段】方法は、（ａ）金属導体を、電力変圧器（１２）と直列に接続するステップと、（ｂ）被覆を硬化するのに十分な温度を得るために、金属導体に電流を通過させるステップとを含む。【選択図】図２
2007330093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）金属導体（１４）を、電力変圧器（１２）と直列に接続するステップと、
（ｂ）被覆を硬化するのに十分な温度を得るために、前記金属導体（１４）に電流を通過させるステップと
を含む、前記金属導体（１４）上の前記被覆を硬化する方法。
【請求項２】
前記金属導体が、１つまたは複数の発電機コイル（１４、１６）を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
（ｃ）前記金属導体（１４）の実際の温度に基づいて前記変圧器（１２）への電圧入力を変化させることにより、前記金属導体の温度を調整するための帰還ループを確立するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電力変圧器（１２）が降圧変圧器である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ（ａ）において、前記金属導体（１４）が、前記電力変圧器の二次巻線（２０）と直列に接続される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記ステップ（ａ）において、１対のコイル（１４、１６）が直列に接続される、請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記導体（１４）および前記二次巻線（２０）が、前記金属導体と同じ単位長さ当たりの熱損失および抵抗を有する、請求項５記載の方法。
【請求項８】
発電機回転子の少なくとも１対のコイル（１４、１６）上の粉末被覆を硬化する方法であって、
（ａ）コアの周りの複数の巻線を有する一次巻線、およびコアの周りの少なくとも１つのただし前記一次巻線より少ない巻線を有する二次巻線（２０）を含むように、降圧変圧器（１２）を構成するステップと、
（ｂ）２つ以上の発電機コイル（１４、１６）を直列ループに接続し、発電機コイルと同じ抵抗および熱損失を有する接続素子（２２）を介して、前記ループの端部を前記二次巻線（２０）に電気的に接続するステップと、
（ｃ）前記１つまたは複数のコイルを通る電流を発生し、それによって前記１つまたは複数のコイルを所望の硬化温度に加熱するために前記変圧器（１２）を用いるステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記１つまたは複数のコイル（１４、１６）の温度を監視し、所望の硬化温度を得るのに必要に応じて電流を調整するために、前記電力変圧器（１２）への電圧入力を変化させるステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記電圧入力が最初に４４０Ｖである、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機電磁回転子の製造に関し、具体的には、粉末被覆された発電機コイルをジュール加熱によって硬化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
エポキシ粉末の静電塗装は、発電機内の回転子コイルを絶縁するために用いられる既存のテーピング技法の代替技法である。粉末被覆用には、様々な市販の熱硬化性材料があり、すべて、１２０℃〜２００℃の範囲の高い温度での硬化が必要である。これらの材料は、絶縁に用いるのに適した機械的および電気的特性を有することが示されており、被覆を硬化するための様々な代替加熱方法が提案されている。
【０００３】
対流、誘導、輻射、およびジュール加熱は、他の様々な工業プロセスでの用途を有し、互いに組み合わせて用いられることもある。しかし、特定の用途に対して、均一で再現性のある硬化プロファイルが得られるシステムの選定においては、多くの要因を考慮しなければならない。
【０００４】
粉末樹脂によってほぼ全体に被覆された複数の巻線を備える、電磁回転子用の界磁コイルは、本願の権利者が所有する米国特許第６，６８６，８２２号に開示されている。粉末被覆は通常、手作業でのテープ巻付けによる絶縁材料の手作業での貼り付けなどの、よりコスト高で従来型の技法に対する代替技法として、発電機コイル上への誘電絶縁材料の静電塗装によって付着される。粉末被覆は、置換えの絶縁として有利であるが、欠点は塗装後の硬化プロセスである。通常、被覆されたコイルは、３０フィートの長さになり得る商用対流式オーブンへ運ばれる。予想されるように、このようなオーブンは容易に移動できず、組み立ておよび保守が高くつく。
【特許文献１】米国特許第６，６８６，８２２号公報
【特許文献２】米国特許第５，７５５，９１６号公報
【特許文献３】米国特許第５，６４７，９４０号公報
【特許文献４】米国特許第５，８０４，０１３号公報
【特許文献５】米国特許第６，３７１，７４６号公報
【特許文献６】米国特許第６，６３２，１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、銅合金発電機コイルなどの粉末被覆された大型構成部品用の、単純でかつ低コストであるが効果的な硬化手段が、依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ジュール加熱（抵抗加熱としても知られる）によって、粉末被覆された金属棒を硬化するのに適した方法および装置に関する。すでに述べられたように、金属棒は銅合金発電機コイルとすることができ、被覆は静電的に付着されたエポキシまたは混合粉末被覆とすることができる。ここで本発明は、対流式オーブンの高い資本費用を回避することによって、粉末被覆絶縁材料の低コストの硬化を可能にする。より具体的には、装置は、電力変圧器の単一ターンの二次巻線を形成するように、加工物（たとえば回転子発電機コイル）が直列ループに構成される特別な構成の電力変圧器を使用する。電力変圧器の一次巻線は、ＡＣ電流（好ましくは、ライン電圧源の標準により５０または６０Ｈｚ）によって付勢され、変圧器コア中に磁界を生成する。二次巻線は、コアの周りの少なくとも１つの巻線として形成される。２つ以上の回転子発電機コイルが締付け装置によって電気的に直列ループに接続され、次いでそれによって得られるループの端部を、電力変圧器二次巻線の各端部に電気的に接続することができるようになる。この接続は、締付け装置によって行うこともできる。それによって磁界は二次巻線中に電界を生じ、その結果、回転子発電機コイルによって形成される直列ループ中に電流が生じる。電力変圧器一次コイルを付勢すると共に、回転子コイルの温度が監視され、温度を調節するための帰還ループの一部として用いられる。
【０００７】
したがって、１つの態様では、本発明は、（ａ）金属導体を、電力変圧器の出力端に接続するステップと、（ｂ）被覆を硬化するのに十分な表面温度を得るために、金属導体に電流を通過させるステップとを含む、金属導体上の被覆を硬化する方法に関する。
【０００８】
別の態様では、本発明は、（ａ）コアの周りの複数の巻線を有する一次巻線、およびコアの周りの少なくとも１つのただし一次巻線より少ない巻線を有する二次巻線を含むように、降圧変圧器を構成するステップと、（ｂ）２つ以上の発電機コイルを直列ループに接続し、発電機コイルと同じ抵抗および熱損失を有する接続素子を介して、ループの端部を二次巻線に電気的に接続するステップと、（ｃ）前記１つまたは複数のコイルを通る電流を発生し、それによって１つまたは複数のコイルを所望の硬化温度に加熱するために変圧器を用いるステップとを含む、発電機回転子の少なくとも１対のコイル上の粉末被覆を硬化する方法に関する。
【０００９】
以下に示す図面に関連して、本発明について詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ジュール加熱または抵抗加熱は、内部抵抗と、ＤＣまたはＡＣ電流が加工物を通って流れるときの対応する電圧降下に関連する、散逸によって得られる。この現象は良く理解されており、もちろん多くのタイプの電気的加熱素子の基礎となっている。回転子コイルに適用するためには、材料、構成、およびその結果の加工物の非常に低い抵抗、ならびにその結果必要となり得る大電流について考慮しなければならない。電流の大きさは、加工物の熱容量、対流および加工物からの輻射による熱損失、ならびに必要な硬化温度に依存する。全体のコイル長さが約３０フィートで、断面が約１インチ×１／４インチである注目される特定の実施形態に対しては、初期評価により、定常状態の加熱条件で熱負荷はコイル当たり３０００Ｗ程度であり、対応する８００アンペア程度の電流が必要になることが示された。これは、この用途に適した変圧器を設計するのに必要な、基本的情報である。システムの決定的に重要な側面は、コイルと変圧器の間の良好な電気的接触を得ることである。さらに、変圧器の二次巻線は、許容温度限度内に保たれなければならない。
【００１１】
図１に関連して、対象物をジュール加熱中の熱利得および熱損失に対する式は、以下に示される。加熱の供給源はジュール加熱Ｑｊであり、加熱負荷は対流Ｑｃおよび表面からの輻射Ｑｒおよび加工物の熱容量に関連する蓄熱Ｑｓによる損失を含む。熱容量は容易に計算することができるが、対流および輻射負荷は幾何形状および材料特性に大きく依存する。この場合、加工物の表面上に発熱反応性の熱硬化性材料を用い、熱損失を実験的に検証することが決定的に重要である。以下の４つの式は、熱損失または熱利得の各要素の依存性を示す。電流はｉとして表され、Ｒは抵抗を表し、ｈは熱伝達率を表し、Ａｓは断面積、ｖｏｌは体積、Ｔ∞は周囲温度、Ｔは部品温度、ρｍは質量密度、ｃｐは熱容量、ｓはボルツマン定数である。
ジュール熱：Ｑｊ＝ｉ２Ｒ
対流：Ｑｃ＝ｈＡｓ（Ｔ∞）
輻射：Ｑｒ＝σＡｓ（Ｔ４−Ｔ∞４）
蓄熱：Ｑｃ＝ｖｏｌ・ρｍｃｐ（Ｔ−Ｔ∞）
抵抗は、ジュール加熱を計算するのに決定的に重要な要因である。公称抵抗値Ｒ０は、幾何形状および材料特性に依存し、ここでＬは長さ、Ａｓは断面積、ρＲは公称温度Ｔ０における抵抗率である。
【００１２】
実際の抵抗Ｒ０は、熱膨張係数を比例係数αとして、温度Ｔと共に変化する。電力Ｐは、以下のように抵抗Ｒと電流ｉに依存する。
Ｒ０＝ρＲ（Ｌ／Ａｓ）
Ｒ＝Ｒ０（１＋α（Ｔ−Ｔ０））
Ｐ＝Ｖｉ＝ｉ２Ｒ＝Ｖ２／Ｒ
純銅に対する値を仮定することによって抵抗温度係数の近似値を用いることができ、事実、コイルは少量の銀を含む銅合金を用いて製造される。後の計算で用いられる、その他の関連する定数は、以下にまとめられる。
α＝０．００４Ｃ−１
ρＲ＝０．６７μΩ−ｃｍ
ｃｐ＝０．３９Ｊ／ｇｍ−Ｃ
ρｍ＝８．９ｇｍ／ｃｍ３
Ｔ∞＝Ｔ０＝２０Ｃ
上記で表された関係を用いて、所与の大きさおよび構成の巻線中の抵抗を決定することができ、また粉末被覆を硬化するのに十分に巻線の温度を上昇させる、電流を発生するために必要な電圧を決定することができる。
【００１３】
図２を参照すると、電圧源１０は、電力変圧器１２に電力を供給するのに用いられる。電圧源１０は、たとえば４４０Ｖまたは２２０Ｖを変圧器に供給することができる。発電機回転子コイルの第１および第２の粉末被覆されたコイル素子１４、１６は、結合部２２を介して変圧器１２のコアの周りの単一ターンの二次巻線２０の一部を形成する締付け装置１８を介して直列に接続される。結合部２２からコア（図示せず）の周りを延びる二次巻線の残りは、電力変圧器の常設部分である。最良の温度均一性を得るために、変圧器コアの周りを延びる二次巻線は、回転子コイル自体と同じ単位長さ当たりの熱損失および抵抗をもつように設計し、それにより、二次コイルの長さに沿って温度差を生じないようにすることができる。電力変圧器は、粉末被覆された素子１４、１６中に大電流を発生するために電圧を低くする大電流変圧器である。上記に示されたように、素子１４、１６は、静電的に付着されたエポキシまたは混合エポキシ粉末被覆を有する、銅合金発電機コイルである。
【００１４】
変圧器１２の一次巻線（図示せず）は、ＡＣ電流（好ましくは５０または６０Ｈｚ）によって付勢され、変圧器コア（これも図示せず）中に磁界を生成する。磁界は二次巻線２０中に電界を生じ、結果として、回転子コイルによって形成される直列ループ中に電流ｉが発生される。所定の必要電流は、粉末被覆を硬化するのに必要な温度たとえば１５０℃まで、コイル素子１４、１６を加熱するのに十分である。
【００１５】
好ましくは、一次コイルが付勢されると共に、回転子コイル素子１４、１６の温度が監視され、温度を絶えず調節するために、その他の点では従来型の比例−積分−微分帰還制御ループへの入力として用いられる。すなわち、温度が直接測定され、所望の温度を生じるために電流を変化させる必要に応じ、電圧を調整することができる。別法として、コイル素子中の抵抗は温度依存性があるので、電圧および電流特性から温度を推定することができる。
【００１６】
本発明について、現在最も実用的であり好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、これに反して、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる様々な変更形態および等価な構成を包含することを意図することが理解されるべきである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ジュール加熱中の熱利得および熱損失に対する基本式中の変数を表す記号を示すラベルが付された、コイルの一部を示す図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による、ジュール加熱装置の概略図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０  電圧源
１２  電力変圧器
１４、１６  第１および第２の粉末被覆されたコイル素子
１８  締付け装置
２０  二次巻線
２２  結合部
【図１】
2007330093.tif 000003
【図２】
2007330093.tif 000004