Электроизоляционный материал для катушки
ELECTRICAL INSULATING MATERIAL FOR COIL

1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к электроизоляционному материалу для катушки, причем электроизоляционный материал размещен между сердечником статора и катушкой, и способен изолировать катушку от сердечника статора.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] Статор вращающейся электрической машины содержит сердечник статора и катушку, смонтированную на зубьях сердечника статора. Между сердечником статора и катушкой размещен электроизоляционный материал, чтобы предотвратить электропроводность между ними.
[0003] В публикации японской патентной заявки № 6-225489 (JP 6-225489 А) электроизоляционному материалу добавлена функция фиксации катушки. То есть электроизоляционный материал включает в себя изолирующую бумагу и расширяющийся дополнительный слой, сформированный на ней. Когда узел статора, сконфигурированный таким образом, что электроизоляционный материал и катушка, собранные в сердечник статора, нагреваются в нагревательной печи и т.п., пеноматериал, входящий в состав расширяющихся добавочных слоев, вспенивается и расширяется. Вследствие давления от расширения в это время, а также адгезива, входящего в состав расширяющегося дополнительного слоя, катушка фиксируется к сердечнику статора. Когда электроизоляционный материал обладает функцией фиксации катушки, как указано, может быть пропущен этап заполнения паза адгезивом, например, лаком, что дает то преимущество, что время изготовления может быть сокращено.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В то же время, когда расширяющийся добавочный слой размещают по обе стороны от электроизоляционной бумаги, то есть и со стороны катушки, и со стороны сердечника статора, сила фиксации (удерживающая способности) катушки не может быть обеспечена в достаточной степени, в зависимости от разности температур между катушкой и сердечником статора во время нагрева, как описано ниже.
[0005] Как правило, скорость вспенивания материала зависит от температуры. Например, как показано на фиг. 7, пеноматериал имеет такую характеристику вспенивания, что скорость вспенивания увеличивается вместе с повышением температуры от температуры T0 начала вспенивания, и затем скорость вспенивания уменьшается после пиковой температуры Тр.
[0006] Кроме того, в случае, когда узел статора, выполненный таким образом, что электроизоляционный материал и катушка собраны в сердечник статора, нагревается в нагревательной печи и т.п., возникает разность температур между катушкой и сердечником статора. То есть, сердечник статора имеет большую массу, чем катушка. Кроме того, в случае, когда катушка выполнена из медной проволоки, а сердечник статора изготовлен из стального листа, удельная теплоемкость является относительно большой в сердечнике статора (сердечник статора труднее нагреть). То есть, по сравнению с катушкой, сердечник статора имеет большую теплоемкость, которая выражается как произведение значений массы и удельной теплоемкости. В результате, в ходе нагрева узла статора в нагревательной печи до пиковой температуры Тр, повышение температуры сердечника статора отстает от повышения температуры катушки. Наряду с этим, как показано в верхней части на фиг. 8, возрастание температуры расширяющегося добавочного слоя со стороны сердечника статора отстает от возрастания температуры расширяющегося добавочного слоя со стороны катушки.
[0007] Наряду с задержкой повышения температуры расширяющегося добавочного слоя со стороны сердечника статора, возникает разность в моменте времени достижения температуры T0 начала вспенивания, как показано в нижней части на фиг. 8 и в верхней части на фиг. 9. Кроме того, после этого возникает разность между скоростью вспенивания (вероятной скоростью реакции пеноматериала) расширяющегося добавочного слоя со стороны катушки и скоростью вспенивания слоя расширяющегося добавочного слоя со стороны сердечника статора, так что скорость вспенивания расширяющегося добавочного слоя со стороны сердечника статора, которая является относительно холодной стороной, становится относительно низкой. Соответственно, как показано на фиг. 9, расширяющийся добавочный слой 102 со стороны катушки расширяется быстрее, чем расширяющийся добавочный слой 104 со стороны сердечника статора, так чтобы заполнять паз 106, так что соответствующие коэффициенты расширения (коэффициенты объемного расширения) становятся неравномерными. В частности, расширяющийся добавочный слой 102 со стороны катушки расширяется до пространства, которое конструктивно должно быть заполнено расширяющимся добавочным слоем 104 со стороны сердечника статора, как показано на нижней стороне на фиг. 9, что может привести к, так называемому, чрезмерному вспениванию (избыточному расширению). Когда пористость расширяющегося добавочного слоя 102 со стороны катушки увеличивается вместе с чрезмерным вспениванием, другими словами, когда плотность расширяющегося добавочного слоя 102 со стороны катушки уменьшается (становится пористой), удерживающая способность расширяющегося добавочного слоя 102 со стороны катушки уменьшается ровно настолько, чтобы нельзя было получить достаточную удерживающую способность для катушки 108.
[0008] С учетом этого, настоящим изобретением предлагается электроизоляционный материал для катушки, причем этот электроизоляционный материал способен уменьшать разность в скорости вспенивания между расширяющимся добавочным слоем со стороны катушки и расширяющимся добавочным слоем со стороны сердечника статора, вместе с разностью температур, по сравнению с предшествующим уровнем техники.
[0009] Электроизоляционный материал для катушки в настоящем изобретении помещен между сердечником статора и катушкой, и он выполнен с возможностью изоляции катушки от сердечника статора. Электроизоляционный материал включает в себя: электроизоляционный лист, выполненный из электроизоляционного материала; расширяющийся добавочный слой со стороны сердечника статора, сформированный на поверхности электроизоляционного листа, при этом данная поверхность расположена противоположно сердечнику статора, в положении, когда электроизоляционный лист помещен между сердечником статора и катушкой, причем этот расширяющийся добавочный слой со стороны сердечника статора включает в себя первый пеноматериал; а также расширяющийся добавочный слой со стороны катушки, сформированный на поверхности электроизоляционного листа, притом эта поверхность противоположна катушке, в положении, в котором электроизоляционный лист помещен между сердечником статора и катушкой, при этом этот расширяющийся добавочный слой со стороны катушки содержит второй пеноматериал, выполненный с возможностью вспенивания при нагревании. Первый пеноматериал имеет такую характеристику вспенивания, что характеристика возрастания скорости вспенивания от повышения температуры, смещается в сторону более низких температур относительно характеристики возрастания для второго пеноматериала.
[0010] В соответствии с настоящим изобретением, пеноматериал со стороны сердечника статора начинает вспениваться при меньшей температуре по сравнению с пеноматериалом со стороны катушки, и имеет такую характеристику вспенивания, что возрастание скорости вспенивания после начала вспенивания изменяется в положение смещения в сторону более низких температур. Таким образом, даже в случае, когда возрастание температуры сердечника статора относительно небольшое, можно уменьшить разность в скорости вспенивания между пеноматериалом со стороны катушки и пеноматериалом со стороны сердечника статора, по сравнению с предшествующим уровнем техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Признаки, преимущества, а также техническая и промышленная значимость примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы:
Фиг. 1 представляет собой перспективный вид с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий статор в соответствии с настоящим вариантом осуществления;
Фиг. 2 представляет собой вид, иллюстрирующий характеристику вспенивания пеноматериала в соответствии с настоящим вариантом осуществления;
Фиг. 3 представляет собой вид для описания этапа сборки (этапа ввода электроизоляционного материала) статора в соответствии с настоящим вариантом осуществления;
Фиг. 4 представляет собой вид для описания этапа сборки статора (этапа вставки катушки) в соответствии с настоящим вариантом осуществления;
Фиг. 5 представляет собой вид для описания этапа сборки (этапа нагревания) статора в соответствии с настоящим вариантом осуществления;
Фиг. 6 представляет собой вид для описания изменения скорости вспенивания пеноматериала на этапе нагревания в соответствии с настоящим вариантом осуществления;
Фиг. 7 представляет собой вид, иллюстрирующий характеристику вспенивания пеноматериала;
Фиг. 8 представляет собой вид для описания изменения скорости вспенивания пеноматериала на этапе нагрева в известном уровне техники; и
Фиг. 9 представляет собой вид, иллюстрирующий ход расширения расширяющегося добавочного слоя на этапе нагрева в известном уровне техники.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0012] На фиг. 1 проиллюстрирован статор в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Статор 10 представляет собой, например, статор для вращающейся электрической машины, служащей источником приведения в движение транспортного средства, содержащего крупный источник энергии (аккумулятор), такого как гибридное транспортное средство, электрическое транспортное средство и транспортное средство на топливных элементах. Статор 10 включает в себя сердечник 12 статора, катушку 14 и электроизоляционный материал 16.
[0013] Сердечник 12 статора является элементом, служащим в качестве канала (магнитного контура) для магнитных потоков, формируемых катушкой 14, и представляет собой, например, практически цилиндрический многослойный корпус, выполненным таким образом, что множество электромагнитных стальных листов, имеющих форму практически плоского кольца, уложены послойно вдоль своей центральной оси (направление оси Z на фиг. 1) Паз 18, прорезанный с прохождением через оба торца сердечника 12 статора в осевом направлении (ось Z) и с глубиной в радиальном направлении, выполнен на внутренней периферийной поверхности сердечника 12 статора. Например, как показано на фиг. 3, паз 18 выполнен таким образом, чтобы иметь поперечную квадратную U-образную форму, если смотреть с осевого направления (направление оси Z). Вдоль окружного направления статора 12 сердечника выполнено множество пазов 18.
[0014] Катушка 14 собрана для намотки вокруг зубьев 26 сердечника 12 статора, чтобы генерировать вращающееся магнитное поле переменным током, подаваемым от инвертора или т.п. (не показан). В примере, показанном на фиг. 1, катушка 14 сформирована таким образом, чтобы множество проводящих сегментов были соединены друг с другом. Например, в случае, когда статор представляет собой трехфазный статор переменного тока, проводящие сегменты соединены для каждой из фаз - U-фазы, V-фазы и W-фазы.
[0015] Как показано на фиг. 4, например, проводящий сегмент 20 включает в себя проводящую часть 20А и электроизоляционную покрывающую часть 20В, размещенную вокруг проводящей части 20А. Например, проводящая часть 20А содержит медь. Кроме того, проводящий сегмент может представлять собой, так называемую, плоскую проволоку и выполнен так, чтобы его сечение имело практически прямоугольную форму.
[0016] Обратившись опять же к фиг. 1, видно, что проводящий сегмент 20 имеет U-образную форму и включает в себя два линейных опорных участка 22А, 22В и соединительный участок 24, который соединяет их друг с другом. Во время сборки катушки 14 опорные участки 22А, 22В вставляют в пазы 18 сердечника 12 статора. Опорные участки 22А, 22В вставляют в различные пазы 18, 18. Другими словами, опорные участки 22А, 22В проводящего сегмента вставляют в соответствующие пазы 18,18 так, чтобы они проходили через зубья 26 между пазами 18, 18. После этого, среди множества проводящих сегментов 20, 20, …, опорные участки 22А, 22В одинаковой фазы соединяют сваркой и т.п.
[0017] Электроизоляционный материал 16 помещают между сердечником 12 статора и катушкой 14 (так, чтобы они были размещены в промежутке между ними), таким образом, чтобы изолировать катушку 14 от сердечника 12 статора. Электроизоляционный материал 16 может иметь такую же форму, что и форма углубления паза 18, например, и его вставляют в паз 18 так, чтобы покрыть всю поверхность внутренней стенки (как боковые поверхности 18А, так и нижнюю поверхность 18В с фиг. 3).
[0018] Как показано на фиг. 3, электроизоляционный материал 16А включает в себя электроизоляционный лист 16А (электроизоляционный базовый материал), расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора.
Электроизоляционный лист 16А представляет собой, например, плоский лист, выполненный из электроизоляционного материала, такого как целлюлозная бумага.
[0019] Когда электроизоляционный материал размещают между сердечником 12 статора и катушкой 14, расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки формируют на поверхности электроизоляционного листа 16А, причем эта поверхность расположена противоположно катушке 14 (проводящему сегменту 20). Кроме того, когда электроизоляционный материал размещают между сердечником 12 статора и катушкой 14, расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора формируют на поверхности электроизоляционного листа 16А, причем эта поверхность противоположна сердечнику 12 статора (внутренней периферийной поверхности паза 18).
[0020] Как расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки, так и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора сформированы базовым слоем 30 и пеноматериалом 32, включенным в базовый слой 30. Следует отметить, что как расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки, так и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора сформированы так, чтобы иметь, например, одинаковую толщину.
[0021] Базовый слой 30 содержит, например, термопластичную смолу, которая обусловливает адгезивность при нагревании. Например, в расширяющемся добавочном слое 16В со стороны катушки и расширяющемся добавочном слое 16С со стороны сердечника статора, базовый слой включает в себя либо акриловую смолу, либо эпоксидную смолу, либо виниловый эфир или их смеси.
[0022] Пеноматериал 32 диспергируют в базовом слое 30 и вспенивают путем нагревания. Например, пеноматериал 32 может представлять собой пеноматериал с термическим разложением. В этом случае, чтобы избежать реакции термического разложения (вспенивания), возникающей от рабочего тепла вращающейся электрической машины, предпочтительно, чтобы температура начала вспенивания (температура начала разложения) пеноматериала 32 была выше, чем верхняя предельная температура для вращающейся электрической машины.
[0023] Более конкретно, пеноматериал может представлять собой пеноматериал, включающий в себя, в качестве компонента, либо динитрозопентаметилентетрамин (DPT), либо азодикарбонамид (ADCA), либо р, р'-оксибисбензолсульфонилгидразид (OBSH), либо гидрокарбонат натрия.
[0024] Кроме того, пеноматериал 32С (далее соответственно именуемый пеноматериалом 32С со стороны сердечника статора), включенный в расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора, имеет такую характеристику вспенивания, что характеристика возрастания скорости вспенивания вместе с возрастанием температуры смещается в сторону более низких температур относительно пеноматериала 32В (далее соответственно именуемом пеноматериалом 32В со стороны катушки), содержащегося в расширяющемся добавочном слое 16В со стороны катушки.
[0025] На фиг. 2 проиллюстрированы характеристики вспенивания (кривые вспенивания) пеноматериала 32С со стороны сердечника статора и пеноматериала 32В со стороны катушки. Горизонтальная ось обозначает температуру, а вертикальная ось обозначает скорость вспенивания. Как показано на характеристиках вспенивания (кривых вспенивания), пеноматериал 32С со стороны сердечника статора и пеноматериал 32В со стороны катушки имеют такие характеристики, что их соответствующие скорости вспенивания возрастают от соответствующих начальных температур T0_s, Т0_с вспенивания до соответствующих пиковых температур Tp_s, Тр_с вместе с повышением температуры, а после пиковых температур скорости вспенивания снижаются. При этом характеристика (кривая возрастания), с которой скорость вспенивания увеличивается с возрастанием температуры к пиковой температуре, является характеристикой возрастания, а характеристика (кривая снижения), с которой скорость вспенивания снижается вместе с повышением температуры после пиковой температуры, является характеристикой снижения. Следует заметить, что в случае, когда можно для этих характеристик выполнить линейную аппроксимацию, прямая линия возрастания и прямая линия снижения включены в характеристику возрастания и характеристику снижения.
[0026] В настоящем варианте осуществления характеристика вспенивания пеноматериала 32С со стороны сердечника статора сдвигается в сторону более низких температур относительно характеристики вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки. Например, применительно ко всей характеристике вспенивания, включающей в себя характеристику возрастания, пиковую температуру и характеристику снижения, пеноматериал 32С со стороны сердечника статора имеет характеристику вспенивания, смещенную в сторону более низких температур относительно распределения скорости вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки. Когда характеристика возрастания смещается в сторону более низких температур, например, температура T0_s начала вспенивания пеноматериала 32С со стороны сердечника статора становится меньше, чем температура Т0_с вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки.
[0027] Ширина сдвига в это время, например, устанавливается на основе разности температур между катушкой 14 и сердечником 12 статора во время нагрева, так что максимальная разность температур между ними равна, например, ширине сдвига. В качестве альтернативного варианта, ширина сдвига устанавливается таким образом, что среднее значение разности температур между катушкой 14 и сердечником 12 статора от начала нагрева до момента достижения целевой температуры Tp_t равно ширине сдвига. Если коротко, разность температур между катушкой 14 и сердечником 12 статора во время нагрева компенсируется за счет характеристик вспенивания пеноматериалов 32В, 32С.
[0028] Чтобы получить такую разность характеристик вспенивания между пеноматериалом 32С со стороны сердечника статора и пеноматериалом 32В со стороны катушки, пеноматериалы при необходимости должны содержать, например, различные основные компоненты. Кроме того, даже если основные компоненты пеноматериалов одинаковы, характеристики вспенивания изменяются путем изменения вида и комбинации добавок, что является обычным и хорошо известным. Пеноматериал 32С со стороны сердечника статора и пеноматериал 32В со стороны катушки могут иметь различные характеристики вспенивания путем изменения добавок как таковых.
[0029] Следует отметить, что в целом известно, что пиковая температура вспенивания пеноматериала не является одной точкой, а представляет собой температурную зону с диапазоном. Ввиду этого, характеристики вспенивания этих пеноматериалов могут быть установлены таким образом, чтобы зона пиковой температуры вспенивания пеноматериала 32С со стороны сердечника статора и зона пиковой температуры вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки частично перекрывались друг с другом. Как будет описано ниже, когда целевая температура нагрева устанавливается на температуру Tp_t, при которой их пиковые температурные зоны скорости вспенивания перекрываются друг с другом, и их скорости вспенивания равны друг другу, время, необходимое для расширения, может быть сокращено.
[0030] На фиг. 3-5 проиллюстрированы этапы сборки статора в соответствии с настоящим вариантом осуществления. На фиг. 3-5 проиллюстрированы увеличенные виды одного паза 18 сердечника 12 статора. Следует отметить, что фиг. 3-5 представляют собой виды в плане сердечника статора, если смотреть с линии взгляда, параллельной оси Z с фиг. 1.
[0031] Сначала электроизоляционный материал 16 вставляют в паз 18 сердечника 12 статора. Затем, как показано на фиг. 4, проводящий сегмент 20 (более конкретно, опорный участок 22А, 22В) вставляют в поперечное квадратное U-образное пространство, окруженное электроизоляционным материалом. Следует отметить, что для ясного изображения хода его последующего расширения на фиг. 4, зазоры показаны в пазу 18 намеренно.
[0032] После того, как заданное количество проводящих сегментов 20 вставлено во все пазы 18 сердечника 12 статора, проводящие сегменты 20 той же фазы соединяются друг с другом посредством сварки и тому подобного, так чтобы сформировать катушку 14. Смежные участки изолированы. После этого узел статора, в котором катушка 14 и электроизоляционный материал 16 сформированы в сердечник 12 статора, помещают в термическую печь для нагрева, как показано на фиг. 5. Вместо термической печи можно использовать индукционный нагрев или электрический нагрев катушки 14. Целевая температура нагревания может представлять собой, например, температуру Tp_t, при которой пиковая температурная зона пеноматериала 32С со стороны сердечника статора и пиковая температурная зона пеноматериала 32В со стороны катушки перекрываются друг с другом и их скорости вспенивания одинаковы.
[0033] Как описано выше, повышение температуры сердечника 12 статора отстает от температуры катушки 14 из-за разницы в теплоемкости между сердечником 12 статора и катушкой 14, так что между ними возникает разность температур. Наряду с этим возникает разность температур между расширяющимся добавочным слоем 16В со стороны катушки и расширяющимся добавочным слоем 16С со стороны сердечника статора, как показано на верхнем графике на фиг. 6.
[0034] Однако, пеноматериал 32С со стороны сердечника статора в соответствии с настоящим изобретением имеет характеристику вспенивания, смещенную в сторону более низких температур относительно пеноматериала 32В со стороны катушки, и, кроме того, его ширина сдвига предпочтительно определяется в зависимости от разности температур между сердечником 12 статора и катушкой 14. Соответственно, даже если разность температур возникает между сердечником 12 статора и катушкой 14, соответствующие скорости вспенивания пеноматериалов возрастают практически одинаково, как показано на нижнем графике на фиг. 6.
[0035] Более конкретно, в момент времени t0 расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки достигает начальной температуры Т0_с вспенивания, и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора, также достигает начальной температуры T0_s вспенивания. Таким образом, расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора начинают вспениваться одновременно. После этого скорости вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки и пеноматериала 32С со стороны сердечника статора 32С возрастают равномерно, при этом расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора расширяются с одинаковой скоростью, таким образом, заполняя зазоры в пазу 18. Кроме того, базовые слои 30 расширяющихся добавочных слоев 16В, 16С обусловливают адгезивность за счет тепла таким образом, чтобы приклеиваться к внутренней поверхности (внутренней стенке) паза 18 и поверхности катушки 14 (более конкретно, к покрывающей части 20В катушки 14).
[0036] Когда зазоры в пазу 18 заполнены, и внутреннее давление расширения увеличивается до заранее заданного давления, даже если возникает реакция вспенивания, отсутствует место, где объем мог бы далее расширяться, поэтому коэффициент расширения достигает своего предела. То есть уменьшение плотности расширяющегося добавочного слоя 16В, 16С из-за вспенивания ограничивается.
[0037] Как описано выше, когда либо расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки, либо расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора чрезмерно расширяется, его плотность уменьшается, что может привести к снижению удерживающей способности. Однако в настоящем варианте осуществления разность температур, основанная на разности возрастания температуры между катушкой 14 и сердечником 12 статора, компенсируется за счет характеристик вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки и пеноматериала 32С со стороны сердечника статора. Таким образом, можно равным образом повысить скорости вспенивания пеноматериала 32В со стороны катушки и пеноматериала 32С со стороны сердечника статора во время нагревания узла статора, так что расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора могут иметь одинаковое расширение объема. Таким образом, расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора конструктивно могут иметь коэффициент расширения (увеличения), при котором избыточное расширение может быть ограничено, и уменьшение удерживающей способности может быть ограничено.
[0038] Следует отметить, что в вышеприведенном варианте осуществления расширяющийся добавочный слой 16В со стороны катушки и расширяющийся добавочный слой 16С со стороны сердечника статора содержат различные пеноматериалы 32В, 32С. Однако в дополнение к этому в состав расширяющегося добавочного слоя 16С со стороны сердечника статора может быть включена (диспергирована) примесь пеноматериала 32В со стороны катушки и пеноматериала 32С со стороны сердечника статора. При такой конфигурации, даже если целевая температура нагрева установлена на пиковую температуру Тр_с пеноматериала 32В со стороны катушки, например, можно уравнять соответствующие коэффициенты расширения расширяющегося добавочного слоя 16В со стороны катушки и расширяющегося добавочного слоя 16С со стороны сердечника статора.