ИЗОЛИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОВОДНИК (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данная полезная модель в целом относится к анодированному проводнику. Конкретнее, данная полезная модель относится к составному проводнику с медной жилой и диэлектрическим слоем анодированного алюминия, покрытым сверху вторым слоем анодированного алюминия.
ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[0002] Изоляция токопроводящего провода, используемого для образования катушки или подобного проводящего изделия, в целом является общепризнанной и может предприниматься рядом способов, включая фундаментальные подходы с покрытием органическим полимеризованным материалом или анодированием. Что касается первого подхода, любое из некоторых органических покрытий провода, выбранных из группы, состоящей из пластмасс, резин и эластомеров, будет обеспечивать эффективную изоляцию на проводящем материале. Однако, хотя эти материалы демонстрируют хорошие диэлектрические свойства и обладают способностью выдерживать высокие электрические напряжения, они «компрометируются» своими плохими эксплуатационными характеристиками при температурах выше 220°C, а также своей неспособностью эффективно рассеивать омический или резистивный нагрев при применении в катушечных обмотках. (Неорганическая изоляция, такая как стекло, слюда или некоторые керамики, выдерживают температуры, большие чем 220°C, но страдают от излишней хрупкости для большинства применений).
[0003] В дополнение к покрытию проводящего материала органическим веществом, электропроводящие материалы, такие как медь и алюминий, могут анодироваться для обеспечения некоторой степени изоляции. В случае медной жилы известно, что анодирование этого материала дает неудовлетворительные результаты вследствие растрескивания. Можно гальванически покрывать медь алюминием, но этот подход в целом дает нежелательные результаты в показателях долговечности покрытия. В случае алюминиевой жилы медь может быть плакирована на жилу, но дает в результате неудовлетворительный электрический кпд.
[0004] В патенте США № 7572980 раскрыт электроизолированный проводник для передачи сигналов или тока, имеющий сплошную или витую медную жилу различных геометрий всего лишь с единственным электроизолирующим и теплопроводным слоем анодированного алюминия (оксида алюминия), являющийся ближайшим аналогом данной полезной модели. Как описано в этом патенте 7572980, устройство изготавливается посредством формования тонкого листа или фольги одинаковой толщины из алюминия с обертыванием проводящей жилы из медного сплава. Наружную поверхность алюминий частично анодируют до или после формирования жилы в электролитическом процессе с образованием единственного слоя оксида алюминия.
[0005] Этот и другие примеры известного уровня техники представляют усовершенствования покрытия провода и других форм электропередачи. Однако, как и в многочисленных областях технологии, в данной области техники покрытия проводов есть пространство для дальнейшего усовершенствования.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[0006] Данная полезная модель улучшает технологию электрических проводников и преодолевает несколько недостатков, известных в уровне техники. Более точно, данная полезная модель предусматривает изолированный электрический составной проводник с медной жилой, сформированным на медной жиле слоем алюминия и вторым слоем алюминия в форме алюминия высокой чистоты. Медная жила может быть сплошной жилой или может быть образована из множества медных проволок.
[0007] По первому варианту полезной модели предложен изолированный электрический проводник, содержащий: медную жилу; слой алюминия, расположенный на упомянутой медной жиле; диэлектрический слой оксида алюминия, сформированный поверх упомянутого слоя алюминия; и слой анодированного алюминия высокой чистоты, сформированный поверх упомянутого диэлектрического слоя оксида алюминия посредством процесса, выбранного из группы, состоящей из осаждения из паровой фазы, осаждения методом распыления и соэкструзии. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике медная жила содержит множество отдельных медных проволок. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике упомянутый слой анодированного алюминия высокой чистоты, сформированный посредством соэкструзии, анодирован вслед за экструзией. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике поверх упомянутой медной жилы сформированы более чем два слоя алюминия. По второму варианту полезной модели предложен изолированный электрический проводник, содержащий: медную жилу; слой алюминия, расположенный на упомянутой медной жиле; диэлектрический слой оксида алюминия, сформированный поверх упомянутого слоя алюминия; и слой анодированного алюминия высокой чистоты, сформированный поверх упомянутого диэлектрического слоя оксида алюминия. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике медная жила содержит множество отдельных медных проволок. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике диэлектрический слой оксида алюминия сформирован в электролитическом процессе. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике слой анодированного алюминия высокой чистоты сформирован осаждением из паровой фазы. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике слой анодированного алюминия высокой чистоты сформирован осаждением методом распыления. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике слой анодированного алюминия высокой чистоты соэкструдирован поверх упомянутого диэлектрического слоя оксида алюминия. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике упомянутый слой анодированного алюминия высокой чистоты анодирован вслед за формированием. Предпочтительно, в таком изолированном электрическом проводнике поверх упомянутой медной жилы сформированы более чем два слоя алюминия. Также описан способ формирования изолированного электрического проводника, содержащий этапы, на которых: формируют медную жилу; располагают слой алюминия на упомянутой медной жиле; окисляют по меньшей мере некоторую часть упомянутого слоя алюминия, чтобы формировать диэлектрический слой оксида алюминия; и формируют слой алюминия высокой чистоты поверх упомянутого диэлектрического слоя оксида алюминия. Предпочтительно, при таком способе упомянутый диэлектрический слой оксида алюминия содержит по существу однородный слой оксида алюминия. Предпочтительно, при таком способе упомянутый слой алюминия, расположенный на упомянутой медной жиле, является листом алюминия, который механически формуется на упомянутой медной жиле. Предпочтительно, при таком способе лист алюминия имеет наружную поверхность, и при этом упомянутую наружную поверхность упомянутого алюминия анодируют до формования упомянутого листа алюминия на упомянутой медной жиле. Предпочтительно, при таком способе упомянутый слой алюминия высокой чистоты формируют осаждением из паровой фазы. Предпочтительно, при таком способе упомянутый слой алюминия высокой чистоты формируют осаждением методом распыления. Предпочтительно, при таком способе упомянутый слой алюминия высокой чистоты формируют соэкструзией. Предпочтительно, при таком способе упомянутый слой алюминия высокой чистоты анодируют после формирования. Таким образом, слой алюминия, сформированный поверх медной жилы, по меньшей мере частично анодируют с образованием диэлектрического слоя оксида алюминия. Слой алюминия высокой чистоты может быть сформирован осаждением из паровой фазы (напылением), осаждением методом распыления или соэкструзией. После того как слой алюминия высокой чистоты сформирован, его анодируют. Поверх медной жилы могут быть сформированы более чем два слоя алюминия.
[0008] Электрический проводник по данной полезной модели может быть пригоден в широком многообразии применений, где требуется намотанный в катушку провод или подобный проводящий материал, например, для генераторов, генераторов переменного тока транспортных средств и для подсистем, связанных с генераторами, генераторами переменного тока и стабилизаторами. Соответственно, данная полезная модель может быть применима в производстве как транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, так и транспортных средств с гибридным приводом, и систем для транспортных средств с гибридным приводом. Более того, данная полезная модель может найти применение в любом электродвигателе, которому требуется очень высокое напряжение, эффективное рассеяние тепла и работа при высокой температуре. Соответственно, данная полезная модель может найти применение в локомотивной и авиакосмической промышленностях, а также в автомобильной промышленности при производстве транспортных средств.
[0009] Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки будут без труда очевидны из последующего подробного описания предпочтительных вариантов реализации при изучении в сочетании с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Для более полного понимания этой полезной модели далее следует обратиться к вариантам ее реализации, более подробно проиллюстрированным на прилагаемых чертежах и описанным ниже в качестве примеров полезной модели, причем:
[0011] фиг. 1A-1D - виды в разрезе проводов и соответствующих электрических проводников, проиллюстрированные до и после их покрытия тонким слоем алюминия высокой чистоты согласно данной полезной модели;
[0012] фиг. 2 - блок-схема, иллюстрирующая первый способ покрытия анодированного провода тонким слоем алюминия высокой чистоты согласно данной полезной модели;
[0013] фиг. 3 - графическое представление непрерывного процесса покрытия анодированного слоя посредством соэкструзии нового слоя алюминия поверх первого анодированного слоя и повторного анодирования нового слоя алюминия согласно второму варианту реализации данной полезной модели;
[0014] фиг. 4 - частичное графическое представление части непрерывного процесса покрытия анодированного провода тонким слоем алюминия высокой чистоты посредством вакуумного напыления согласно одному варианту первого способа согласно данной полезной модели; и
[0015] фиг. 5 - графическое представление части непрерывного процесса покрытия анодированного провода тонким слоем алюминия высокой чистоты посредством осаждения методом распыления согласно второму варианту способа согласно данной полезной модели.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
[0016] На следующих фигурах одинаковые ссылочные номера будут использоваться для указания на идентичные компоненты. В последующем описании различные рабочие параметры и компоненты описаны для разных конструктивных вариантов реализации. Эти специфичные параметры и компоненты включены сюда в качестве примеров и не подразумеваются ограничивающими.
[0017] Что касается фиг. 1A-1D, на них проиллюстрированы виды в разрезе проводов и соответствующих составных электрических проводников, проиллюстрированных до и после покрытия тонким слоем алюминия высокой чистоты согласно данной полезной модели. Провода и соответствующие проводники предпочтительно, хотя и не обязательно, формируются согласно способам и материалам, изложенным в патенте США № 7572980 и включенным сюда по ссылке во всей своей полноте. Патент 7572980 переуступлен тому же правопреемнику, которому переуступлена данная полезная модель.
[0018] С конкретной ссылкой на фиг. 1A показан вид в разрезе составного проводника, в целом проиллюстрированного как 10. Составной проводник 10 включает в себя жилу 12 из меди или медного сплава и алюминиевый слой 14. Как изложено в патенте 7572980, алюминиевый слой 14 сформирован оборачиванием медной жилы 12 тонким листом алюминия равномерной толщины и частичным анодированием наружной поверхности листа с образованием диэлектрического слоя 16 оксида алюминия. Диэлектрический слой 16 электрически изолирует медную жилу 12, будучи теплопроводным для рассеяния тепла, выделяющегося вследствие нормальной эксплуатации. Тонкий слой 18 электропроводящего алюминия окружает жилу 12 и содействует адгезии или прикреплению диэлектрического слоя 16 к жиле 12.
[0019] Согласно данной полезной модели составной проводник 10 может быть дополнительно изолирован для достижения высокого равномерного электрического пробоя и, таким образом, расширения полезности электропроводящего составного провода за пределы известного ранее диапазона. Это достигается введением слоя алюминия высокой чистоты. Алюминий высокой чистоты является результатом рафинирования алюминия для удаления примесей, дающего чистоту по меньшей мере 99,99%. Слой алюминия высокой чистоты, проиллюстрированный как 20 на фиг. 1A, может быть сформирован целым рядом способов, описанных ниже.
[0020] Обращаясь к фиг. 1B, там показан вид в разрезе альтернативного варианта реализации составного проводника согласно данной полезной модели, который в целом проиллюстрирован как 30. Составной проводник 30 включает в себя жилу 32 из меди или медного сплава, сформированную из множества независимых проволок из меди или медного сплава. Составной проводник 30 дополнительно включает в себя алюминиевый слой 34, наружная поверхность которого была анодирована согласно способу по патенту 7572980 с образованием диэлектрического слоя 36 оксида алюминия. Тонкий слой 38 электропроводящего алюминия окружает жилу 32. Составной проводник 30 имеет сформированный поверх него слой алюминия 40 высокой чистоты.
[0021] Фиг. 1C и 1D иллюстрируют варианты формы профиля составного проводника согласно данной полезной модели. Со ссылкой сначала на фиг. 1C, вид в разрезе составного проводника в целом проиллюстрирован как 50. Составной проводник 50 включает в себя в целом плоскую жилу 52 из меди или медного сплава. Составной проводник 50 дополнительно включает в себя алюминиевый слой 54, наружная поверхность которого была анодирована с образованием диэлектрического слоя 56 оксида алюминия. Тонкий слой 58 электропроводящего алюминия окружает жилу 52. Составной проводник 50 имеет сформированный поверх него слой алюминия 60 высокой чистоты.
[0022] Со ссылкой на фиг. 1D, вид в разрезе дополнительного варианта составного проводника по данной полезной модели в целом проиллюстрирован как 70. Составной проводник 70 включает в себя в целом прямоугольную жилу 72 из меди или медного сплава. Составной проводник 70 включает в себя алюминиевый слой 74, наружная поверхность которого была анодирована с образованием диэлектрического слоя 76 оксида алюминия. Тонкий слой 78 электропроводящего алюминия окружает жилу 72. Составной проводник 70 имеет сформированный поверх него слой алюминия 80 высокой чистоты.
[0023] Независимо от конструкции медной жилы или жилы из медного сплава или формы ее профиля, покрытие из алюминия высокой чистоты составного проводника по данной полезной модели может быть сформировано посредством альтернативных методов. Фиг. 2 излагает блок-схему последовательности операций согласно одному из предпочтительных способов формирования покрытия высокой чистоты на составном проводнике согласно данной полезной модели.
[0024] Обращаясь к фиг. 2, на первом этапе 100 формируют медную жилу. Как изложено выше со ссылкой на фиг. 1A-1D, медная жила может быть сплошной или может состоять из множественных проволок. Кроме того, медная жила может быть медной или из медного сплава. После того как медная жила сформирована, эту медную жилу оборачивают тонким листом или фольгой из алюминия на этапе 102. В частности, и как изложено в патенте 7572980, на этапе 102 медную жилу (12, 32, 52, 72) заворачивают в тонкий лист алюминия (14, 34, 54, 74). Могут использоваться один или более тонких листов в зависимости от требуемой геометрии жилы или других параметров. Алюминиевый лист может накладываться любым методом, в том числе, но не ограничиваясь ими, методами механической холодной формовки, методами соэкструзии, вакуумной сваркой или радиочастотной (РЧ) сваркой или любым их сочетанием.
[0025] После того как алюминиевый слой обертывает медную жилу на этапе 102, наружную поверхность алюминия частично анодируют на этапе 104. Это делается с использованием электролитического процесса для формирования единого однородного диэлектрического слоя. Предпочтительно, хотя это и не требуется, чтобы наружный слой анодировался лишь частично, таким образом оставляя тонкий слой алюминия в контакте с медной жилой. В дополнение, этап анодирования алюминия может быть предпринят до наложения на медную жилу.
[0026] На этапе 106 анодированный алюминий может быть промыт согласно необязательному этапу раскрытого варианта реализации. Промывание анодированного алюминия прекращает процесс анодирования, удаляя раствор электролита.
[0027] Дополнительный необязательный этап возникает на этапе 108, на котором проводник, теперь уже составной (композит), отжигают. Процесс отжига уменьшает или устраняет механические напряжения, которые могут присутствовать в жиле, алюминиевом слое, диэлектрическом слое оксида алюминия или между слоями.
[0028] После того как алюминиевый слой анодирован и необязательно промыт и отожжен, на этапе 110 производят покрытие алюминием высокой чистоты. Как будет изложено ниже, покрытие алюминием высокой чистоты может выполнятся любым из нескольких способов, в том числе, но не ограничиваясь ими, соэкструзией, вакуумным напылением и осаждением методом распыления.
[0029] Слой алюминия высокой чистоты, после того как он нанесен любым способом, анодируют на этапе 112. На этапе 114 анодированный составной проводник вновь необязательно промывают для удаления любой остаточной электролитической жидкости и, таким образом, для полной остановки процесса анодирования. На этапе 116 промытый проводник необязательно вновь отжигают.
[0030] Как уже отмечено, на этапе 110 составной проводник покрывается слоем алюминия высокой чистоты. Такой этап покрытия может быть осуществлен посредством нескольких способов, хотя три способа - соэкструзия, вакуумное напыление и осаждение методом распыления - являются предпочтительными. Фигуры 3, 4 и 5 иллюстрируют соответственно каждый из этих способов.
[0031] Обращаясь к фиг. 3, там проиллюстрировано графическое представление непрерывного процесса покрытия анодированного слоя соэкструзией нового алюминиевого слоя поверх первого анодированного слоя и повторным анодированием нового алюминиевого слоя. Предусмотрены подающий или питающий ролик 120 с непрерывным отрезком провода 122. Провод 122 имеет жилу (12, 32, 52, 72) из меди или медного сплава, обернутую листом (14, 34, 54, 74) алюминия равномерной толщины. Источник 124 питания имеет отрицательную клемму 126, присоединенную к ролику 120 или проводу 122. Положительная клемма 128 источника 124 питания присоединена к раствору 130 электролита. Раствор 130 электролита обеспечивает ванну для провода 122.
[0032] В раствор 130 электролита по меньшей мере частично погружен направляющий ролик 132. Направляющий ролик 132 направляет провод 122 в раствор 130 и из раствора 130. Напряжение на клеммах 126 и 128 вынуждает электрический ток течь через раствор 130, тем самым осуществляя химическую реакцию раствора 130 с наружной поверхностью алюминия. Эта реакция приводит к формированию диэлектрического слоя оксида алюминия.
[0033] Предусмотрен еще один направляющий ролик 134 для направления анодированного провода 122 из раствора 130. В этот момент провод 122 может необязательно проходить через промывку (не показана), сопровождаемую этапом необязательного отжига (также не показан).
[0034] Предусмотрена установка 136 нанесения покрытия для нанесения слоя алюминия высокой чистоты на анодированный провод 122. Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 3, установка 136 нанесения покрытия является соэкструдером, который соэкструдирует регулируемое количество алюминия высокой чистоты на анодированный провод 122. Алюминий высокой чистоты подается в установку 136 нанесения покрытия из резервуара 138. Расход алюминия высокой чистоты может регулироваться для управления толщиной наслаивания, как известно в данной области техники.
[0035] После того как нанесено покрытие из алюминия высокой чистоты, покрытый и анодированный провод 122 направляется во второй раствор 140 электролита. Направляющий ролик 142 направляет провод 62 в раствор 140 электролита и из него. Источник 144 питания имеет отрицательную клемму 146, присоединенную к проводу 122, и положительную клемму, присоединенную к раствору 140 электролита. Раствор 140 электролита обеспечивает ванну для провода 122. Напряжение на клеммах 146 и 148 вынуждает электрический ток течь через раствор 140, тем самым осуществляя химическую реакцию раствора 140 с наружной поверхностью алюминия высокой чистоты. Эта реакция приводит к формированию второго диэлектрического слоя оксида алюминия.
[0036] Покрытый провод 122 направляется из раствора 140 направляющим роликом 150. Необязательно, провод 122 может промываться в ванне 152 для удаления какого бы то ни было остаточного раствора электролита после его направления в и из ванны 152 направляющим роликом 154. Промытый провод 122 сматывается на барабан 156.
[0037] Как уже отмечено, согласно данной полезной модели покрытие из алюминия высокой чистоты может быть нанесено на провод 122 другими способами. Без конкретного порядка, второй из этих способов проиллюстрирован на фиг. 4, которая иллюстрирует только этап покрытия алюминием высокой чистоты способа, показанного на фиг. 3, и обсуждается в его отношении. Другие этапы, проиллюстрированные на фиг. 3 и обсужденные в связи с такой фигурой до и после этапа покрытия, как необязательные, так и обязательные, равным образом применимы к способу нанесения покрытия по фиг. 4, которая иллюстрирует провод 122, проходящий через камеру 160 вакуумного напыления. Алюминий 162 высокой чистоты, в испаренном виде, как известно в данной области техники, испускается испарителем 164 и осаждается на проводе 122 до того, как он покидает камеру 160. Слой алюминия высокой чистоты после этого анодируется, как изложено выше в отношении фиг. 3.
[0038] Фиг. 5 иллюстрирует дополнительный способ покрытия провода 122 алюминием высокой чистоты посредством осаждения методом распыления, разновидностью физического осаждения из паровой или газовой фазы, который сам по себе известен в данной области техники. Провод 122 проходит через камеру 166 осаждения методом распыления, где источник или мишень из алюминия 168 высокой чистоты осаждает тонкую пленку распыленных ионов 170 высокочистого алюминия на провод 122, который действует в качестве подложки. Покрытый провод 122 затем выходит из камеры 166.
[0039] Вышеизложенное обсуждение раскрывает и описывает примерные варианты реализации настоящей полезной модели. Специалист в данной области техники без труда распознает из такого всестороннего обсуждения и из прилагаемых чертежей и формулы, что в них могут быть произведены различные изменения, модификации и вариации без отступления от действительной сущности и фактического объема полезной модели, определяемых нижеследующей формулой.