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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
rotierenden elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung, sowie
ein Verfahren zum Imprägnieren
einer Wicklung mit Harz. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
eine Technik zum leichten und zuverlässigen Imprägnieren einer Wicklung mit
wärmeleitfähigen Partikeln, um
die Kühlwirkung
zu verbessern.
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Diese
Anmeldung beruht auf der Patentanmeldung Nr.
Hei 11-240587 in Japan, deren Inhalte hierin
unter Bezugnahme aufgenommen werden.
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PATENT
ABSTRACTS OF JAPAN, Ausgabe 1999, Nr. 10, 31. August 1999 (1999-08-31) &
JP 11 136911 A (SHINKO ELECTRIC
CO LTD), 21. Mai 1999 (1999-05-21) offenbart ein Verfahren zur Herstellung
einer rotierenden elektrischen Maschine, welches die Schritte umfasst:
- – Imprägnieren
einer Wicklung in einer flüchtigen alkoholischen
Lösung,
welche ein Füllmittel
enthält,
- – Trocknen
der Wicklung,
- – Imprägnieren
und Beschichten der getrockneten Wicklung mit einem wärmehärtenden
Harz und Wärmehärten des
Harzes, um eine die Wicklung verwendende Statorwicklung zu bilden.
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Dort
wird die flüchtige
Lösung
in eine Schale gegossen, in der eine zu vergießende elektromagnetische Wicklung
angeordnet ist, und die Schale wird auf 80 °C erhitzt, um die flüchtige Lösung zu
verdunsten, was ein Heizsystem erfordert.
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PATENT
ABSTRACTS OF JAPAN, Ausgabe 015, Nr. 299 (E-1095), 30. Juli 1991
(1991-07-30) &
JP 03 107354 A (YASKAWA
ELECTRIC MFG CO LTD), 7. Mai 1991 (1991-05-07) offenbart die Durchführung einer
solchen Imprägnierung,
indem die Wicklung in eine Lösung
eingetaucht wird und sie dann herausgezogen wird. Der Oberbegriff
von Anspruch 1 beruht auf dieser Druckschrift.
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WO 99 33156 (MINNESOTA MINING & MFG), 1. July
1999 (1999-07-01) offenbart die Verwendung von Bornitrid oder Aluminiumoxid
in rotierenden elektrischen Maschinen, um die Wärmeabfuhr zu begünstigen.
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JP 6-197502 A offenbart
ein Verfahren, das zum Imprägnieren
einer Wicklung einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem
Harz geeignet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
- – Eintauchen
einer Wicklung in eine flüchtige
alkoholische Lösung
(Methanol = Methylalkohol), welche Mikapartikel enthält, die
wärmeleitfähige Partikel
sind, da Mika ein relativ gut wärmeleitendes Material
ist, zumindest besser als anderes bekanntes Material wie etwa Epoxy,
- – Herausziehen
der Wicklung aus der Lösung,
- – Trocknen
der Wicklung und
- – Imprägnieren
der getrockneten Wicklung mit wärmehärtendem
Harz und Wärmehärten des Harzes,
um eine die Wicklung verwendende Statorwicklung zu bilden.
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GB 697275 A offenbart
das Eintauchen eines Objekts in ein flüssiges Lösungsmittel und dann das Entfernen
des Objekts, um das Objekt zu trocknen.
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Es
ist eine elektrische Hochdrehzahlmaschine bekannt, welche einen
Rotor enthält,
der innerhalb (der Innenumfangsseite) einer Statorwicklung vorgesehen
ist, und der Rotor mit hoher Drehzahl angetrieben wird (angenähert 100.000
Upm). Damit eine solche elektrische Hochdrehzahlmaschine eine höhere Leistung
ausgibt, ist es wichtig, (i) den Eisenverlust (oder Kernverlust)
des Eisenkerns des Stators zu reduzieren, (ii) die Wärmeerzeugung
effizient zu reduzieren und (iii) die Wärme aufgrund des Kupferverlusts
oder Wirbelstromverlusts der Statorwicklung zu beseitigen.
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Daher
ist die Statorwicklung ausgebildet worden, indem die Wicklung mit
einem Harz wie etwa Lack imprägniert
wird, um in die Wicklung BN (Bornitrid)-Partikel oder dergleichen
einzubauen, und dann das Harz wärmezuhärten (oder
zu härten).
Hier haben die BN- oder Al2O3-Partikel
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
und eine hohe elektrische Isolierleistung.
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Die
BN- oder Al2O3-Partikel
können
vorab in flüssigem
Harz enthalten sein. Jedoch hat das Harz wie etwa Lack ursprünglich eine
hohe Viskosität,
und im obigen Fall wird die Fließfähigkeit oder Fluidität bei der
Imprägnierung
verringert. Insbesondere ist es in diesem Fall schwierig, eine enggewickelte
Statorwicklung mit einem BN- oder Al2O3-Partikel enthaltenden Harz zu imprägnieren.
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Um
das obige Problem zu lösen,
schlägt
die japanische ungeprüfte
Patentanmeldung, Erstveröffentlichung,
Hei 9-215282 ein Verfahren
vor, worin eine rohrförmige
Wicklung hergestellt wird, indem ein Draht mehrere Windungen gewickelt
wird, wobei Partikel auf den Draht gespritzt werden, und dann die Wicklung
mit einem geeigneten Harz imprägniert wird.
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Jedoch
ist in diesem Verfahren der Formungsprozess der Wicklung kompliziert,
weil während
der Wicklung eines Drahts die Partikel aufgesprüht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im
Hinblick auf die obigen Umstände
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum leichten
und zuverlässigen
Imprägnieren
einer Statorwicklung (d.h. Wicklung) mit wärmeleitfähigen Partikeln bereitzustellen,
wobei die wärmeleitfähigen Partikel
tief ins Innere der Wicklung eingebaut werden, das heißt in die
Lücken
zwischen den Wicklungsdrähten,
aus denen die Wicklung besteht.
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Daher
sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Imprägnieren
einer Wicklung mit Harz vor, welches die Schritte umfasst:
Einsetzung
einer Wicklung in einen Eisenkern;
Imprägnieren der Wicklung mit wärmehärtendem Harz;
Einsetzen
eines aus thermisch ausdehnendem Material hergestellten Dorns in
die imprägnierte
Wicklung;
Wärmehärten des
Harzes, während
durch den sich thermisch ausdehnenden Dorn die Wicklung auf den Kern
gedrückt
wird, und
Herausziehen des Dorns aus der Wicklung,
gekennzeichnet
durch, bevor der Schritt des Einsetzens der Wicklung in den Eisenkern
ausgeführt
wird, Eintauchen der Wicklung in eine flüchtige Lösung, die Bornitridpartikel
oder Al2O3-Partikel
enthält;
und
Herausziehen der Wicklung aus der Lösung und Trocknen der Wicklung.
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In
dem Verfahren wird bevorzugt eine alkoholische Lösung, die Ethylalkohol oder
dergleichen verwendet, als die flüchtige Lösung benutzt. Um die Wicklung
mit dem Harz zu imprägnieren,
kann die Wicklung mit dem Harz beschichtet werden, oder das Harz
kann in die Wicklung eingespritzt werden oder die Wicklung kann
in flüssiges
Harz getaucht werden.
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In
der vorliegenden Erfindung ist die Prozedur zum Imprägnieren
einer Wicklung mit wärmehärtendem
Harz (um Bornitrid- oder Al2O3-Partikel
als wärmeleitfähige Partikel
einzubauen) und das Wärmehärten des
Harzes unterteilt in einen Prozess zum Imprägnieren der wärmeleitfähigen Bornitrid-
oder Al2O3-Partikel
in die Wicklung, und einen Prozess des Eintauchens der Wicklung
(die in dem obigen Prozess erhalten ist) in das Harz und Wärmehärten des Harzes.
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Dementsprechend
werden, während
die Wicklung in die flüchtige
Lösung
getaucht wird, die Bornitrid- oder Al2O3-Partikel vollständig in die Innenseite der
Wicklung eingebracht. Wenn die Wicklung dann getrocknet wird, verdunstet
nur die flüchtige
Lösung,
um hierdurch leicht eine Wicklung zu enthalten, in der die Bornitrid-
oder Al2O3-Partikel
von der Oberfläche
bis zur Innenseite davon vorhanden sind.
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Wenn
daher die obige Wicklung, welche die Bornitrid- oder Al2O3-Partikel enthält, mit wärmehärtendem Harz wie etwa Lack
imprägniert
wird, verteilen sich die Bornitrid- oder Al2O3-Partikel in der Nähe der Oberfläche der
Wicklung in dem Harz, so dass die Wicklung mit Lack imprägniert wird,
der die Bornitrid- oder Al2O3-Partikel
enthält
und somit eine höhere Wärmeleitfähigkeit
hat. Dementsprechend hat die Statorwicklung, die durch das Wärmehärten dieser Wicklung
gebildet ist, eine sehr hohe Kühlwirkung.
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Demzufolge
kann eine rotierende elektrische Maschine, die eine Statorwicklung
(aufgrund der Verwendung der durch das obige Verfahren hergestellten
Wicklung) umfasst, eine sehr hohe Kühlwirkung der Statorwicklung
haben. Selbst wenn daher der Rotor mit einer sehr hohen Drehzahl
innerhalb der Statorwicklung angetrieben wird, kann die Wärme aufgrund
von Wärmeverlust
effizient beseitigt werden, um hierdurch eine höhere Last und eine höhere Leistungsausgabe
zu realisieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht in Längsrichtung,
die eine Ausführung
der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, auf welche die vorliegende
Erfindung angewendet wird.
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2 ist
eine Ansicht zur Erläuterung
des Verfahrens zum Imprägnieren
einer Wicklung der vorliegenden Erfindung, die den Prozess des Eintauchens
der Wicklung in eine alkoholische Lösung zeigt, welche BN-Partikel
enthält.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts der Wicklung nach dem Trocknungsprozess.
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4 ist
eine Ansicht, die den Prozess des Einsetzens der Wicklung in den
Statoreisenkern zeigt.
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5 ist
eine Ansicht, die den Prozess des Eintauchens des integrierten Körpers des
Statoreisenkerns und der Wicklung in ein Lackgefäß zeigt.
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6 ist
eine Ansicht, die den Prozess des Einsetzens eines Dorns in die
Wicklung zeigt, die in den Statoreisenkern eingesetzt ist.
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7 ist
eine Ansicht, die den Prozess des Wärmehärtens des Lacks des integrierten
Körpers aus
dem Statoreisenkern, der Wicklung und dem Dorn zeigt.
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8 ist
eine Ansicht, die den Prozess des Herausziehens des Dorns zeigt,
nachdem der Lack gehärtet
ist.
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9 zeigt
einen bandartigen Drahtkörper, der
aus einer Mehrzahl von Wicklungssegmenten besteht.
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10 ist
eine Perspektivansicht, die eine Statorwicklung zeigt, die durch
Aufrollen des bandartigen Drahtkörpers
gebildet ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGEN
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Nachfolgend
wird eine Ausführung
gemäß der vorliegenden
Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
eine rotierende elektrische Maschine (wie etwa einen Motor) 3,
der einen schlitzlosen Stator 1 aufweist. Die Leistung
der rotierenden elektrischen Maschine 3 beträgt zum Beispiel
einige kW bis einige zehn kW und ist für eine elektrische Hochdrehzahlmaschine
geeignet anwendbar, welche mit einigen zehntausend Upm oder mehr
betrieben wird.
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Die
Außenwand
der rotierenden elektrischen Maschine 3 ist durch ein Gehäuse 5 gebildet,
und der Rotor 7 ist in frei drehbarer Form über ein
Lager (nicht gezeigt) entlang der Mittelachse des Gehäuses 5 vorgesehen.
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In
dem Gehäuse 5 ist
ein Ölweg 6 ausgebildet,
der als Abschnitt eines Hydraulikkreislaufs 4 fungiert.
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In
der obigen Struktur wird Schmieröl
von einer Ölquelle 8 dem Ölweg 6 zugeführt, und
die Schmierung des Lagers und die Kühlung des schlitzlosen Stators 1 erfolgen
gleichzeitig mittels des Schmieröls.
Die Reihenfolge der Kühlung
des schlitzlosen Stators 1 erfolgt von der Innenumfangsseite
zur Außenumfangsseite,
wie in 1 mit den Pfeilen angegeben.
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Der
Rotor 7 enthält
einen Permanentmagneten zum Erzeugen eines Magnetfelds. Der Permanentmagnet
hat p Magnetpole (p ist eine gerade Zahl von zwei oder mehr), um
einen Magnetfluss von der Oberfläche
des Rotors in der radialen Richtung des Rotors zu erzeugen. Ein
Seltene-Erde-Magnet wie etwa ein gesinterter Sm-Co- oder ein Nd-Fe-B-Magnet ist als
der obige Permanentmagnet bevorzugt.
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Der
schlitzlose Stator 1 ist über einen Spalt 11 und
ein Innenrohr (nicht gezeigt) um den Rotor 1 herum angeordnet.
Das Innenrohr ist vorgesehen, um das Schmieröl abzuhalten, das durch die
Innenumfangsseite des schlitzlosen Stators 1 hindurch fließt (siehe
Pfeile in 1). Das Innenrohr ist zum Beispiel
aus Zirconiumoxid-Keramik hergestellt. Es können auch andere Keramikarten
verwendet werden, wie etwa Aluminiumoxid-Keramik.
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Der
schlitzlose Stator 1 hat einen Schlitz zum Befestigen der
Statorwicklung (d.h. der Wicklung) 15 und umfasst eine
Statorwicklung 15, die seitens des Rotors 7 angeordnet
ist, und einen Statoreisenkern 17, der seitens des Gehäuses 5 angeordnet
ist.
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Der
Statoreisenkern 17 hat eine hohe zylindrische Gestalt und
die Außenumfangsoberfläche davon
steht mit der Innenumfangsoberfläche
des Gehäuses 5 in
Kontakt. Der Statoreisenkern 17 ist durch Stapeln ringförmiger elektromagnetischer
Stahlplatten hergestellt (in der Dickenrichtung der Platten); jedoch
kann auch eine unterteilte Form angewendet werden. Zusätzlich hat
der Statoreisenkern 17 eine zylindrische Innenumfangsoberfläche ohne
Schlitz.
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Die
Statorwicklung 15 hat eine hohe zylindrische Form, wie
die Form des Statoreisenkerns 17, und ist unter Verwendung
von Harz wie etwa Lack derart angebracht, dass die Außenumfangsoberfläche der
Statorwicklung 15 zur Innenumfangsoberfläche des
Statoreisenkerns 17 über
eine Isolierschicht 19 weist.
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Nachfolgend
wird eine Ausführung
des Verfahrens zum Imprägnieren
einer Wicklung mit Harz gemäß der vorliegenden
Erfindung in Bezug auf die 2 bis 10 erläutert. Dieses
Verfahren wird bei der Prozedur der Herstellung einer Statorwicklung
in Bezug auf die vorliegende Erfindung durchgeführt.
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Zuerst
wird eine Statorwicklung (d.h. Spule) 15 mit einer hohlzylindrischen
Form unter Verwendung miteinander kombinierter Wicklungssegmente 23a, 23b und 23c gebildet,
deren jedes eine rombenartige Form hat.
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Jedes
Wicklungssegment wird hergestellt, indem ein aus Wicklungsdrähten (d.h.
Leitern) 24 bestehendes Drahtbündel 25 so gewickelt
wird, dass eine rombenartige Form hergestellt wird. Das heißt, das
Drahtbündel 25 wird
mehrere Windungen gewickelt, wobei die zwei aufeinander folgenden
Windungen entsprechenden Linien Seite an Seite angeordnet werden,
indem die Windungsposition in diagonaler Richtung A1 des "Rhomboid" für jede Windung verschoben
wird (siehe 9).
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Nach
Bildung des bandartigen Drahtkörpers 27 durch
Kombinieren der Wicklungssegmente 23a, 23b und 23c,
indem jedes Segment in der diagonalen Richtung A1 in der Windung
verschoben wird, wird der bandartige Drahtkörper 27 aufgerollt,
um eine hohlzylindrische Form zu bilden, so dass eine hohlzylindrische
Statorwicklung 15 gebildet wird (siehe 10).
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Diese
Statorwicklung 15 wird in eine alkoholische Lösung (d.h.
flüchtige
Lösung) 16 eingetaucht, die
BN-Partikel 18 (siehe 2) enthält. Auf
diese Weise gelangen die in der alkoholischen Lösung 16 dispergierten
BN-Partikel 18 in Lücken
zwischen den Wicklungsdrähten 24.
Dementsprechend werden die BN-Partikel in großem Volumen von der Oberfläche zur
Innenseite der Statorwicklung 15 eingebaut.
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Im
nächsten
Schritt wird die Statorwicklung 15 aus der alkoholischen
Lösung 16 herausgezogen und
wird auf natürliche
Weise luftgetrocknet, um den flüchtigen
Alkohol zu verdunsten. Dementsprechend kann die Statorwicklung 15 erhalten
werden (siehe 3), in die BN-Partikel 18 von
der Außenoberflächenseite
zur Innenseite hin eingebaut werden (das heißt, die Oberfläche und
die Lücken
zwischen den Wicklungsdrähten
werden mit den BN-Partikeln gefüllt).
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Im
folgenden Schritt wird ein Silikonblatt zur Bildung der Isolierschicht 19 (in 4 nicht
gezeigt) um die Außenumfangsseite
der Statorwicklung 15 herumgewickelt, und diese Statorwicklung 15 wird dann
in den Statorwicklungseisenkern 17 eingesetzt.
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Danach
wird dieser integrierte Körper,
der aus dem Statorwicklungseisenkern 17 und der Statorwicklung 15 besteht,
in ein Lackimprägniergefäß 31 (siehe 5)
eingetaucht, und dieses Gefäß wird dann
in eine Vakuumkammer (nicht gezeigt) gebracht, um eine Vakuumimprägnierung
durchzuführen.
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Während die
Statorwicklung 15 mit Lack imprägniert wird, verteilen sich
die BN-Partikel 18, die sich in der Nähe der Oberfläche der
Statorwicklung 15 befinden, in dem Lack; daher wird die
Statorwicklung 15 mit dem BN-Partikel 18 enthaltenden
Lack imprägniert.
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Im
nächsten
Schritt wird der imprägnierte Körper aus
Statorwicklungseisenkern 17 und Statorwicklung 15 aus
dem Lackimprägniergefäß 31 herausgezogen.
Danach wird ein aus Fluorharz hergestellter Dorn 33 in
die Innenumfangsseite der Statorwicklung 15 eingeführt (siehe 6).
Der integrierte Körper,
der aus Statorwicklungseisenkern 17, Statorwicklung 15 und
Dorn 33 besteht, wird dann erhitzt, um den Lack wärmezuhärten (oder
um ihn heißzuhärten) (siehe 7).
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In
dem Wärmehärtungsprozess
dehnt sich der Dorn 33 thermisch aus, und auch sein Durchmesser
dehnt sich aus; daher berührt
die Außenumfangsseite
des Dorns 33 die Innenumfangsseite der Statorwicklung 15,
und der Dorn 33 drückt
die Statorwicklung 15 zur Seite des Statorwicklungeisenkerns 17.
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Dementsprechend
werden die Innen- und Außenumfangsformen
der Statorwicklung 15 angeordnet, und die Statorwicklung 15 wird
an der Innenumfangsseite des Statorwicklungseisenkerns 17 über den
Lack und das Silikonblatt befestigt.
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Nachdem
der Lack gehärtet
ist, wird der Dorn 33 herausgezogen, um hierbei den schlitzlosen Stator 1 bereitzustellen,
der den Statorwicklungseisenkern 17 und die Statorwicklung 15 aufweist
(siehe 8).
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Wie
oben erläutert,
ist in dem vorliegenden Verfahren zum Imprägnieren einer Wicklung mit Harz,
die Prozedur zum Imprägnieren
der Statorwicklung 15 mit Lack (um die BN-Partikel 18 einzubauen) und
Wärmehärten des
Lacks unterteilt in den ersten Prozess des Einbaus von BN-Partikeln 18 in
die Statorwicklung 15, und den zweiten Prozess des Eintauchens
der Statorwicklung (im ersten Prozess erhalten) in den Lack und
Wärmehärten des
Lacks. Daher wird es möglich,
das Problem zu verhindern, dass die Fließfähigkeit oder Fluidität des Lacks
reduziert wird, und die Innenseite der Statorwicklung 15 nicht
vollständig
imprägniert
wird. Ein solches Problem tritt im herkömmlichen Verfahren zum Imprägnieren
der Statorwicklung mit Lack auf, worin die BN-Partikel vorab enthalten
sind.
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Zusätzlich verteilen
sich, während
der Imprägnierung
mittels des Lacks in der obigen Ausführung, die BN-Partikel 18 in
der Nähe
der Oberfläche
der Statorwicklung 15 in den Lack hinein; daher wird die Statorwicklung
mit BN-Partikel 18 enthaltendem Lack imprägniert,
um hierdurch die Wärmeleitfähigkeit
des Lacks zu verbessern.
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Indem
auch in der obigen Ausführung
die zylindrisch geformte Statorwicklung
15 lediglich in
die alkoholische Lösung
16 getaucht
wird und dann die Wicklung getrocknet wird, erhält man eine zylindrische Statorwicklung
15,
in die BN-Partikel
18 eingebettet sind. Daher ist die Prozedur
einfacher im Vergleich zu dem Verfahren, das in der japanischen
ungeprüften
Patentanmeldung, Erstveröffentlichung,
Hei 9-215282 offenbart ist,
das einen komplizierten Schritt enthält, BN-Partikel zu sprühen, während ein Wicklungsdraht
gewickelt wird. Daher kann gemäß der vorliegenden
Ausführung
auch die Produktivität verbessert
werden.
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Ferner
wird in der vorliegenden Ausführung das
Schmieröl
durch die Innenumfangsseite der Statorwicklung 15 fließen gelassen,
um hierdurch die Kühlleistung
zu verbessern.
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Selbst
wenn daher die rotierende elektrische Maschine 3 gemäß der vorliegenden
Ausführung auch
auf eine elektrische Hochdrehzahlmaschine angewendet wird, deren
Rotor (7) mit hoher Drehzahl wie etwa 100.000 Upm innerhalb
der Statorwicklung (15) rotiert, kann Wärme aufgrund des Wärmeverlusts
effizient beseitigt werden. Daher ist es möglich, eine elektrische Hochdrehzahlmaschine
zu realisieren, die mit einer höheren
Last verbunden werden kann und die eine höhere Leistung ausgeben kann.
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In
der obigen Ausführung
wird die Statorwicklung 15 in das Lackimprägniergefäß 31 getaucht, um
die Statorwicklung mit Lack zu imprägnieren. Jedoch kann in einem anderen
Beispiel die Oberfläche der
Statorwicklung 15 auch mit Lack beschichtet werden, oder
der Lack kann von einer Endfläche
der Statorwicklung 15 her eingespritzt werden.
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Auch
wird in der obigen Ausführung
die zylindrische Statorwicklung 15 gebildet, indem die
Wicklungssegmente 23a, 23b und 23c, die
eine rombenartige Form haben, kombiniert werden. Jedoch kann auch
ein anderes Verfahren angewendet werden, um die zylindrische Statorwicklung 15 zu
bilden.
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Es
werden ein Verfahren zur Herstellung einer rotierenden elektrischen
Maschine mit einer Statorwicklung und ein Verfahren zum Imprägnieren
einer Wicklung mit einem Harz offenbart, worin die Wicklung leicht
und zuverlässig
mit wärmeleitfähigen Partikeln
imprägniert
werden kann. Das Verfahren umfasst die Schritte des Eintauchens
einer Wicklung (15) in eine flüchtige Lösung (16), welche
wärmeleitfähige Partikel
(18) enthält;
Herausziehen der Wicklung aus der Lösung und Trocknen der Lösung; und Imprägnieren
der getrockneten Lösung
mit wärmehärtendem
Harz und Wärmehärten des
Harzes.