JP2009518836A - 電気巻線 - Google Patents

Abstract

本発明は、単位巻線を形成する金属巻線導体を備え、この金属巻線導体が金属導体とこの金属導体を取り囲む電気絶縁材料とを有する電気巻線に関する。また本発明は、金属電気導体の電気絶縁に関する。電気絶縁材料と金属巻線導体を取り囲む金属酸化物層との組合せによって、電気巻線の内部における最大必要絶縁破壊強さに関係して、電気巻線の内部における絶縁が的確に保証される。これによって、電気巻線が小形化され、これに伴って熱特性が向上する。

Description

本発明は、単位巻線を形成する金属巻線導体から成り、該巻線導体が金属導体とこの金属導体を取り囲む電気絶縁材料を有する電気巻線に関する。また本発明は、金属電気導体の電気絶縁並びに電気巻線用のアルマイト被覆アルミニウムテープの製造方法に関する。

特に変圧器の一次巻線ないし二次巻線として利用する電気巻線を製造する際、電気巻線導体を電気的に絶縁せねばならない。巻線導体は支持体上に連続して巻き付けられ、以下では、支持体の周りでの巻線導体の一巻きは単位巻線と呼ぶ。特に電気巻線導体の一巻き直後に位置する単位巻線は、単位巻線間ないし巻線の内部における絶縁破壊が防止されるような絶縁作用をする電気絶縁を有さねばならない。特に中高電圧範囲における用途に対し、金属導体、特にアルミニウムテープを一般にプラスチックから成る層間絶縁と関連して利用することが知られている（Geafol技術）。

しかしこの技術の場合、利用するプラスチックの劣った温度特性のため、そのように製造した巻線に追加の冷却系を設けるか、構造的に必要以上に大きく寸法付けねばならないという欠点がある。

即ち、例えば独国特許出願公開第４００６６９７号明細書に、鉄心の周りに一次巻線と二次巻線を、該両巻線が互いに被さり合い、少なくとも何れか一方の巻線が合成物質から成る被覆導体を有するように巻回した小形の変圧器が記載されている。絶縁は、例えば樹脂のような他の絶縁材料でも構成できる。即ち、例えば独国特許第６９６２９３１８号明細書に、乾式変圧器が記載され、その高電圧巻線は熱可塑性樹脂から成る絶縁ブッシュを有し、低電圧巻線は導電性樹脂によって包囲されている。

低電圧領域用の電気巻線を製造する際、低い絶縁破壊電圧で足りるので、薄い絶縁も利用できる。この場合、アルミニウム導体を利用し、その表面にアルマイト加工で酸化アルミニウム層を形成する。該酸化アルミニウム層はそのように製造した巻線導体の巻回後、十分な絶縁性能を有する。しかし、この形態の絶縁は、高電圧および／又は高電流の利用の際には十分ではない。

本発明の課題は、十分な絶縁を保証しつつ、良好な熱伝導特性を有する電気巻線を提供することにある。その場合、各要求に応じ、運転温度、伝導損、導体横断面積並びに熱損失を低減し、もって軽い重量と少ない補助絶縁とを有する小さな構造質量とする。

この課題は、本発明に基づき、金属巻線導体が、金属導体の表面を包囲する金属酸化物層を有することによる解決される。金属酸化物層は、電解酸化法（アルマイト加工）により発生させ、或いは金属導体上に金属酸化物層を例えば接着やろう付けで別個に設置するとよい。好適には、本発明に基づく電気巻線は、酸化アルミニウム層で被覆されたアルミニウム導体付き帯状材料から成っている。

本発明に基づく電気巻線の有利な実施態様では、電気絶縁材料は、電気巻線の内部における最大必要絶縁破壊強さに応じて変化した厚さを持つ。アルマイト層の厚さが絶縁にとって十分でないとき、本発明に基づいて、アルマイト層無しで導体材料を利用する場合のように薄い補助絶縁も設け得る。絶縁金属酸化物層とその上に存在する電気絶縁材料との組合せは、並置する単位巻線間の絶縁破壊を防止する。しかし、そのために必要な最大絶縁破壊強さは、電気巻線の内部において、特に構造的および物理的事情によって、例えば巻線の内部における非線形衝撃電圧分布又は熱的事情により変化する。電気巻線の内部におけるこの必要な種々の最大絶縁破壊強さに応じ、利用する電気絶縁材料の厚さも同様に適合させる。電気巻線の特定領域で必要な最大必要絶縁破壊強さが大きくなればなる程、絶縁の厚さ、例えば電気巻線の各セグメントにおける電気絶縁材料の厚さおよび／又は材料特性、特に絶縁物質等級が高まる。この結果電気巻線の構造的大きさが小さくなり、同時に目的に合った安価な電気絶縁材料が採用できる。或いは、金属導体上における金属酸化物層の厚さを、電気巻線の内部における最大必要絶縁破壊強さに関係して、絶縁特性を更に向上すべく変化させ得る。かくして、電気巻線の内部における構造的および特に物理的事情、特に熱的事情に応じて、電気絶縁材料の厚さの変化および／又は金属酸化物層の厚さの変化に基づき、各電気巻線に対し正確に適合した絶縁を用意できる。

本発明に基づく電気巻線の有利な実施態様では、金属導体上の金属酸化物層は一定厚さを有し、電気巻線の内部の最大必要絶縁破壊強さに応じて、電気絶縁材料の厚さが変化する。例えばアルミニウム導体上のアルマイト層等の金属酸化物層は、良好な温度特性を有し、電気巻線の熱負荷を低下する。電気巻線の内部の最大必要絶縁破壊強さに関係して、大きな絶縁が必要な場合、本発明に基づき、電気絶縁材料の厚さおよび／又は材料特性を変化させ得る。単位巻線間の絶縁に関し要求が高まった場合、電気絶縁材料を厚く形成し、大きな厚さおよび／又は例えば高級絶縁材料のような良好な材料特性を与える。逆に絶縁特性についての要件が緩い領域では、例えばプラスチックフィルム等の電気絶縁材料を、相応して薄くしおよび／又は低い特性の材料を採用する。基礎となる絶縁物質等級のようなプラスチックフィルムの材料特性は、場所に応じて必要な絶縁破壊強さに関係して変化させられる。電気巻線の内部での最大必要絶縁破壊強さに応じ、本発明に基づき、電気絶縁材料の厚さは殆ど零迄省き又は局所的に完全に省いて、相応した箇所における単位巻線間の絶縁作用は、電気巻線の金属酸化物層だけで与え得る。

電気巻線の内部で、電気絶縁に関し所定の最低要件が課せられた際、本発明に基づき、電気絶縁材料が一定厚さおよび／又は特にその絶縁物質等級についての一定材料特性を有し、電気巻線の内部での最大必要絶縁破壊強さに応じて、金属酸化物層が異なる厚さを有するようできる。電気絶縁材料の一定厚さおよび／又は一定材料特性の指定により、電気巻線に対し最小絶縁特性が与えられる。電気巻線の内部での最大必要絶縁破壊強さに関係し、金属酸化物層の厚さを適合させ得る。

電気巻線内部の最大必要絶縁破壊強さに応じ、金属酸化物層の性質を変化させ得る。

それに加えて又は代えて、巻回工程中に薄いフィルムを一緒に送り込める。最も負荷される箇所の絶縁破壊強さがなお不十分である際、ここでは第２フィルムや第３フィルムを（並行して）送り込める。こうすれば、巻回工程に対し２種類の材料、即ち、ａ）一定厚のアルマイト層を備えた巻線材料と、ｂ）一定厚のフィルムを利用するだけで足りる。これは、巻回工程中の設備変更過程を必要とせず、材料の効果的装入を可能とする。

特にアルマイト加工され、又は被着された金属酸化物層の純度は、電気巻線の絶縁・熱特性に対し大きな影響を与える。特に金属酸化物層内の不純物が絶縁・熱特性に影響を与える。金属酸化物層を製造するための相応した母材製品と酸化製品の的確な利用と、相応した製造方式により、電気巻線内部の最大必要絶縁破壊強さに応じ絶縁特性が影響され、この結果最適化され、本発明に基づく電気巻線内の場所が節約できる。加えて、電気巻線内部の最大必要絶縁破壊強さに応じ、電気絶縁材料の特性を変化させ得る。

電気絶縁材料がワニス、プラスチック、特にプラスチックフィルムおよび／又は紙から成っているとよい。本発明に基づき、電気絶縁材料は同様に層状に構成できる。この層状構成により、或る層、例えばプラスチックフィルム層に（微視的な小さい）損傷が生じた場合でも、電気絶縁材料の並置する層で電気巻線の絶縁を保証できる。また、各プラスチックフィルム層の材料特性の変化は、特に絶縁破壊強さに関係して適合される。或る箇所で全ての電気絶縁材料が破壊したときだけ、電気絶縁材料の絶縁作用が失われる。追加的に、金属酸化物層を層状に構成してもよい。

電気巻線の有利な実施形態では、金属酸化物層および電気絶縁材料の表面を、金属酸化物層と電気絶縁材料の相対変位が生じないよう構成する。特に荒い表面の利用により、製造工程中および運転中の電気絶縁材料と導体との相対変位を防止し、もって、電気巻線の絶縁特性についての手間のかかる頻繁な再検査を不要とし得る。

この課題は、請求項１２に記載の構成によっても解決できる。金属電気導体の絶縁のため、金属電気導体の表面を金属酸化物層で被覆し、金属酸化物層を電気絶縁材料で少なくとも部分的に包囲する。金属酸化物層の絶縁特性と該酸化物層を包囲する電気絶縁材料の絶縁特性との結合又はフィルム形態の補助絶縁により、同様に金属電気導体に沿って変化する最良の電気絶縁が保証される。電気絶縁材料は、ワニス、プラスチック、特にプラスチックフィルムおよび／又は紙からなり、該電気絶縁材料は層状をなし、電気絶縁材料は少なくとも部分的に金属酸化物層を包囲しているとよい。

電気巻線の高い絶縁破壊防護の目的で、巻線電圧の値が層電圧の値と同じであるとき、絶縁材料付き電気巻線としてアルマイト被覆のアルミニウムテープを形成するとよい。

本発明に基づき、まず取外し可能な支持体上に、金属酸化物層付きの電気巻線導体としてアルマイト被覆のアルミニウムテープをコイルの形に巻回し、次いで複数のコイルを、タップ付き完成巻線のセグメントとして電気直列接続して配置し、完成巻線の入力端および出力端に位置するコイルを、補助フィルム層から成る絶縁材料の補助層で補充する。

その際、個々の点に対する補助絶縁をコイル又は完成巻線の始端／終端部のタップに設け、個々の点に関する補助絶縁は同様にフィルム、紙或いは絶縁ワニスで形成できる。

完成巻線のコイル間の軸方向絶縁破壊保護を高めるべく、コイル間に、例えば空気、注型材料或いは絶縁板のような補助絶縁を設けると有利である。

所定の用途に対応すべく、タップにアルマイト被覆なしのアルミニウムテープから成る接続端子を設けることもできる。

他の有利な実施態様を従属請求項に示す。以下、図を参照し本発明を詳細に説明する。

図１は本発明に基づく金属巻線導体４を概略的に示す。該巻線導体４は、金属アルミニウム導体１と、少なくとも１つの酸化アルミニウム層２と、プラスチック電気絶縁フィルム３から成っている。プラスチック電気絶縁フィルム３は金属酸化物層２を取り囲み、又は少なくとも互いに隣り合う２つの単位巻線間に位置している。セグメントを直列接続した際、両側の最終セグメントだけが補助絶縁を有し、両最終セグメント間に位置する他のセグメントは、タップ付き領域を除き、補助絶縁なしに形成している。電気巻線導体４は金属酸化物層２によって完全に包囲するか、金属酸化物層２が金属導体１の特定箇所だけに存在するようになし得る。図１に断面図で示す実施例では導体１上に金属酸化物層２を一定厚さの被膜として設け、該金属酸化物層２を厚さが変化する電気絶縁材料３で包囲している。電気絶縁材料３は補助被膜又は中間層として金属導体１の周りに巻き付けるか、金属導体１上又は該導体１の金属酸化物層２上の特定箇所だけに設け得る。

図２は本発明に基づく電気巻線６を示し、金属導体１と金属酸化物層２とプラスチックフィルムの形態の電気絶縁材料３を支持体５上に巻き付けている。金属酸化物層２は、少なくとも金属導体１の表面と裏面に配置している。支持体５は円胴体として形成され、電気巻線の製造工程中、電気絶縁材料３および金属酸化物層２付き金属導体１を、所定の帯板の形に重なり合って巻き付けることを保証する。そのように形成された巻線導体４は、製造工程中に支持体５上に連続して巻き付けられる。図２に示す実施例の場合、金属酸化物層２に関する絶縁作用は軸方向にしか存在しない。支持体５に対し半径方向に、補助絶縁として、各金属酸化物層２上にプラスチックフィルム３が電気絶縁材料として設けられる。これによって、電気巻線６の内部における最大必要絶縁破壊強さに関係して、電気巻線６の完全絶縁が保証され、その絶縁の部分的強化は、金属酸化物層２或いは絶縁層２を最大電圧負荷の箇所において厚肉に形成することで達成できる。

特に図３、図４、図５は、電気巻線６におけるターン６．１としてのアルミニウムテープを、変圧器（Trafo）に利用されるようなセグメントの形に形成された完成巻線に形成する方式を概略的に示している。

図３は、見易さのため、巻線６としてのアルミニウムテープを、セグメントの形に形成した完成巻線に形成する方式を概略図に示している。

アルミニウムテープは金属導体１並びに金属巻線導体４およびその被覆アルマイト層、即ち金属酸化物層２を形成する。該アルマイト被覆のアルミニウムテープは、取外し可能な支持体５（図２参照）上にコイル６の形で巻回されている。

図３から、複数のコイル６の完成巻線におけるタップ８付きセグメントとしての電気直列接続配置が解る。完成巻線の入力端に位置するコイル６が、始点７に補助的に巻回された絶縁材料３から成る層３．１だけで補充され、最終コイル６に金属酸化物層２を備えた金属導体１としてアルマイト被覆のアルミニウムテープの層しか存在せず、完成巻線の出力端に位置するコイル６もまた、その端部７に補助的に巻回された絶縁材料３の層３．１で補充されている。

それに応じて図４は、図３の完成巻線を断面図で示し、図５は同様に完成巻線のタップ８付きセグメントを断面図で示す。これら断面図から図３に関連して、完成巻線の始端／終端のタップ８における個々の点に関する補助絶縁９が理解できる。図５に中心軸線を引いたとすると、タップ（およびこれに伴って補助絶縁）は図の半部にしか見えない。

完成巻線の始端／終端のタップ８の、個々の点に関する補助絶縁９は、プラスチックフィルムや紙やワニスから成り、タップ８の図示しない接続端子と、巻線ないしコイルの入力端と、巻線ないしコイルの出力端とは、陽極処理なしのアルミニウムテープから成っている。

本発明に基づく電気巻線導体の構造の概略図。 本発明に基づく電気巻線の巻回工程中における単位巻線の概略図。 電気巻線（６）におけるコイル（６．１）としてのアルミニウムテープのセグメントの形に形成された完成巻線への形成の概略図。 図３における完成巻線の断面図。 図３における完成巻線のタップ（８）付きセグメントの断面図。

符号の説明

１ 金属導体、２ 金属酸化物層、３ 電気絶縁材料、４ 巻線導体、６ 電気巻線、７ 完成巻線、８ タップ

Claims (20)

1. 単位巻線を形成する金属巻線導体（４）から成り、該巻線導体（４）が金属導体（１）と該金属導体（１）を取り囲む電気絶縁材料（３）を有する電気巻線（６）において、
   金属巻線導体（４）が、金属導体（１）の表面を少なくとも部分的に包囲する金属酸化物層（２）を有することを特徴とする電気巻線。
2. 電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さに応じ、電気絶縁材料（３）の厚さと材料特性の少なくとも一方を変化させたことを特徴とする請求項１記載の電気巻線。
3. 電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さに応じ、金属酸化物層（２）の厚さを変化させたことを特徴とする請求項１又は２記載の電気巻線。
4. 金属酸化物層（２）が一定厚さを有し、電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さ応じて、電気絶縁材料（３）の厚さと材料特性の少なくとも一方を変化させたことを特徴とする請求項１記載の電気巻線。
5. 電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さに応じて、部分的に電気絶縁材料（３）が配置されていることを特徴とする請求項４記載の電気巻線。
6. 電気絶縁材料（３）が一定厚さを有し、電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さに関係して、金属酸化物層（２）が種々の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の電気巻線。
7. 電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さに応じて、金属酸化物層（２）の性質が変化していることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の電気巻線。
8. 電気絶縁材料（３）がワニス、プラスチックおよび紙の少なくとも１つから成っていることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の電気巻線。
9. 電気絶縁材料（３）と金属酸化物層（２）の少なくとも１つが層状に構成されていることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の電気巻線。
10. 電気巻線（６）の内部における最大必要絶縁破壊強さに応じ、電気絶縁材料（３）の性質が変化していることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の電気巻線。
11. 金属酸化物層（２）および電気絶縁材料（３）の表面が、金属酸化物層（２）と電気絶縁材料（３）との相対変位が生じないような状態にされていることを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の電気巻線。
12. 金属電気導体（１）の表面が金属酸化物層（２）で被覆され、金属酸化物層（２）が電気絶縁材料（３）で少なくとも部分的に包囲されていることを特徴とする金属電気導体の電気絶縁。
13. 電気絶縁材料（３）がワニス、プラスチックおよび紙の少なくとも１つから成っていることを特徴とする請求項１２記載の電気絶縁。
14. 電気絶縁材料（３）が層状に構成されていることを特徴とする請求項１２又は１３記載の電気絶縁。
15. 請求項１から１４の１つに記載に応じた絶縁材料（３）付き電気巻線（６）としてのアルマイト被覆のアルミニウムテープの製造方法において、
    取外し可能な支持体（１５）上にコイル（６）の形に巻回されたアルマイト被覆のアルミニウムテープが、金属酸化物層（２）付き金属巻線導体（４）として存在し、
    複数のコイル（６）の配置とそれらの電気直列接続を、タップ（８）付き完成巻線のセグメントとして形成し、
    完成巻線における入力端および出力端に位置するコイル（６）を、絶縁材料（３）の補助層（３．１）で補充する
    ことを特徴とするアルマイト被覆アルミニウムテープの製造方法。
16. 個々の点に関する補助絶縁（８．１）を、コイル（６）の完成巻線（７）と、完成巻線の始端／終端におけるタップ（８）との少なくとも一方に設けたことを特徴とする請求項１５記載のアルマイト被覆のアルミニウムテープ製造方法。
17. 完成巻線におけるコイル（６）とコイル（６）との間のアキシャル絶縁破壊保護体として、コイル（６）間に補助絶縁をフィルムの補助バリヤとして設けることを特徴とする請求項１５又は１６記載のアルマイト被覆アルミニウムテープの製造方法。
18. 補助層（３．１）がフィルムから成っていることを特徴とする請求項１５から１７の１つに記載のアルマイト被覆アルミニウムテープの製造方法。
19. 個々の点に関する補助絶縁（９）がフィルムから成っていることを特徴とする請求項１５から１８の１つに記載のアルマイト被覆アルミニウムテープの製造方法。
20. タップ（８）にアルマイト被覆なしのアルミニウムテープから成る接続端子を設けることを特徴とする請求項１５から１９の１つに記載のアルマイト被覆アルミニウムテープの製造方法。

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