特許 6096306 コイルのポッティング装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6096306

(24)【登録日】2017年2月24日

(45)【発行日】2017年3月15日

(54)【発明の名称】コイルのポッティング装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 41/12 20060101AFI20170306BHJP

   H01F 27/32 20060101ALI20170306BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20170306BHJP

【ＦＩ】

   H01F41/12 C

   H01F27/32 A

   H01F6/06 150

   H01F6/06 120

【請求項の数】15

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-536067(P2015-536067)

(86)(22)【出願日】2013年10月2日

(65)【公表番号】特表2015-534732(P2015-534732A)

(43)【公表日】2015年12月3日

(86)【国際出願番号】EP2013070506

(87)【国際公開番号】WO2014056770

(87)【国際公開日】20140417

【審査請求日】2015年6月16日

(31)【優先権主張番号】102012218456.2

(32)【優先日】2012年10月10日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390039413

【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(72)【発明者】

【氏名】グルントマン、イェルン

(72)【発明者】

【氏名】クムメート、ペーター

【審査官】 池田 安希子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１９２９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２１９６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２６８２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−１２５６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１９０１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０５０５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２４７６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６０２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 英国特許第０１１４５４５０（ＧＢ，Ｂ）

【文献】 米国特許第０５１０７３６６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭４８−００１７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２０７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２４０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１４４６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−１５１８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１９５９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１９２９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１５４６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１２４１５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ４１／１２

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｈ０１Ｆ ２７／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外側ポッティング容器（３）、ポッティングすべき少なくとも１つのコイル（９）を収容するためのポッティング室（５）およびポッティング樹脂の充填装置（１０）を備えるコイルのポッティング装置において、
前記外側ポッティング容器（３）が内側ポッティング容器（１１）により被覆され、
前記内側ポッティング容器の材料が、２００以下のビッカース硬度を有するとともに、摂氏４５度から摂氏１２０度の間の融点を有し、
前記内側ポッティング容器の材料を溶融するための加熱装置（２１）を備えることを特徴とするコイルのポッティング装置。

【請求項2】

前記内側ポッティング容器（１１）の材料が脂肪族炭化水素の固形混合物であることを特徴とする請求項１記載の装置。

【請求項3】

蓋（１５）を備え、前記外側ポッティング容器（３）と前記蓋（１５）とがパッキン（１７）を介して互いに接続される請求項１または２記載の装置。

【請求項4】

蓋（１５）が分離手段（１９）で被層されるかまたはそれから成ることを特徴とする請求項３記載の装置。

【請求項5】

温度センサ（２３）および前記温度センサ（２３）の測定値により温度を調節するための調整装置を備えた請求項１から４の１つに記載の装置。

【請求項6】

前記内側ポッティング容器（１１）の材料を排出するための排出装置（２５）を備えた請求項１から５の１つに記載の装置。

【請求項7】

前記ポッティング室の排気装置（３１）および換気装置（３５）のいずれか一方または両方を備えた請求項１から６の１つに記載の装置。

【請求項8】

前記ポッティング室（５）がループ形状を有し、内側ポッティング容器（１１）と外側ポッティング容器（３）がそれぞれ内壁（８）と外壁（７）を有することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の装置。

【請求項9】

前記内側ポッティング容器（１１）の成形が機械または熱加工により行われ、ポッティングすべき少なくとも１つのコイル（９）が前記ポッティング室（５）内で位置決めされ、ポッティング樹脂がポッティング室（５）内の残存空間に注入され、ポッティング樹脂が硬化され、ポッティングされたコイル（９）が装置から取り出されることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置によるコイル（９）のポッティング方法。

【請求項10】

前記内側ポッティング容器（１１）がポッティングされたコイル（９）の取り出しのため摂氏４５度から摂氏２２５度の間の温度に加熱されることにより液化または軟化されることを特徴とする請求項９記載の方法。

【請求項11】

前記内側ポッティング容器（１１）の液化または軟化された材料が排出装置（２５）を介して排出される請求項１０記載の方法。

【請求項12】

前記外側ポッティング容器（３）が内側ポッティング容器（１１）の材料で多重に被覆され、このようにして作られた内側ポッティング容器（１１）がそれぞれポッティングを実施するために使用される請求項９から１１の１つに記載の方法。

【請求項13】

ポッティングすべきコイル（９）が装置のポッティング室（５）内で少なくとも１つの第１スペーサ（３９）により位置決めされる請求項９から１２の１つに記載の方法。

【請求項14】

ポッティングすべき複数のコイル（９）が装置のポッティング室（５）内に位置決めされ、コイル（９）間の少なくとも１つの第２スペーサ（４１）により位置決めされる請求項９から１３の１つに記載の方法。

【請求項15】

装置のポッティング室（５）がポッティング樹脂の注入前またはその後に排気される請求項９から１４の１つに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気コイル、特に超電導コイルのポッティング装置、およびこの装置の作動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気機械、特に電動機および発電機における用途のため、１つまたは複数の巻きつけられたコイル導体を備えポッティング樹脂でポッティング（注型封止）された電気コイルが製造される。特に超電導コイルは、通常、超電導材料から成り巻きつけられたコイル導体の複数の層から作られ、エポキシ／アミンまたはエポキシ／酸無水物をベースとする硬化されたポッティング樹脂中に埋め込まれる。

【0003】

発電所の発電機における用途では、コイルは３６００ｒｐｍの範囲の高い回転数に耐えるとともに、１ｍｘ４ｍの範囲の大きな側面寸法を有することが必要である。発生する大きな遠心力によりコイルは機械的に極めて安定性のあるものでなければならない。さらにコイルは極めて高精度で寸法通りの外形を持たなければならず、その場合の要求許容誤差は１００μｍである。従来公知のポッティング法ではこのような許容誤差はポッティングされたコイルを後加工することによってのみ達成できる。勿論このような後加工は、超電導材料、特にセラミック製の高温超電導体が機械的負荷に極めて敏感であるために、超電導コイルの製造には適していない。別の難点はポッティングされたコイルをポッティング型から取り出すことである。なぜなら公知のポッティング法では同様にコイルに機械的負荷が発生し、超電導材料を損傷させ易いからである。超電導材料の価格が高いことを考慮するとこのような機械的損傷は絶対に避けねばならない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の課題は、上述の欠点を回避したコイル、特に超電導コイルのポッティング装置を提供することにある。本発明の別の課題はこの装置の作動方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この課題は請求項１に記載した装置および請求項９に記載した方法により解決される。

【0006】

本発明によるコイルのポッティング装置は外側ポッティング容器、ポッティングすべき少なくとも１つのコイルを収容するためのポッティング室およびポッティング樹脂の充填装置を備える。外側ポッティング容器は、その材料が５００以下のビッカース硬さを有するおよびその材料が摂氏４５度から摂氏２００度の間の融点を有する内側ポッティング容器で被覆される。

【0007】

この装置の外側ポッティング容器は従来装置におけるよりも簡単にかつ低価格で製造できる。なぜならポッティングされたコイルの表面の品質および精度は内側ポッティング容器の性質によってのみ規定されるからである。内側ポッティング容器の製造はたとえば内側ポッティング容器の溶融材料を充填し、続いてくり抜くことにより低価格で行うことができる。内側ポッティング容器の材料のビッカース硬さは２００以下が有利であり、特に有利なのは５０以下である。内側ポッティング容器の材料の融点は摂氏１２０度以下が有利である。

【0008】

本発明装置の本発明による作動方法では内側ポッティング容器の成形は機械または熱加工により達成される。さらにポッティングすべき少なくとも１つのコイルがポッティング室内に位置決めされ、ポッティング樹脂がポッティング室内の残存空間に注入され、ポッティング樹脂が硬化される。最後にポッティングされたコイルが装置から取り出される。本発明による作動方法は有利なことにコイル、特に超電導コイルの製造を公知の方法よりもより精密な製造許容誤差で可能にする。これは内側ポッティング容器の材料の簡単な加工により達成されるので、ポッティングされたコイルの後加工を回避することができる。内側ポッティング容器の材料の硬さが小さいことによりこの容器はたとえば切削またはフライス加工機によるフライスで簡単に加工することができる。ポッティングされたコイルの寸法精度のわずかな変更は、外側ポッティング容器を変更する必要なしに内側ポッティング容器の加工上の変更によって実施できるので有利である。さらに、内側ポッティング容器に軟性の容易に溶融する材料が使用されるので、ポッティングされたコイルを取り出す際の機械的負荷が公知のポッティング法に比して著しく減ぜられる。これにより数メートルの寸法を有するコイルの製造が精確な許容誤差と高い収率で可能となる。ポッティングされたコイルの形状に関しては、たとえばコイルの以後の用途において望ましくない傾斜壁を使用するなど機械的取り出しを容易にするための妥協をする必要はない。

【0009】

本発明装置の有利な実施形態および発展形態は請求項１に従属する請求項から明らかである。これによれば装置は付加的に以下の特徴を有する。
‐たとえば内側ポッティング容器の材料は脂肪族炭化水素の固形混合物とすることができ る。特に材料はパラフィンまたはマイクロワックスとすることができる。このような材 料を使用すれば内側ポッティング容器の特に低価格な製造が可能となる。さらにパラフ ィンまたはマイクロワックスは環境に中性であり何回も再使用可能である。パラフィン またはマイクロワックスの撥水および絶縁特性によりポッティングされたコイルの表面 上に残渣があっても悪影響を与えることはない。
‐ポッティング型は蓋を有することができる。たとえばポッティング型はポッティング室 内にコイルを据え付け後に蓋により閉鎖することができる。蓋はパッキンを介して外側 ポッティング容器に接続可能である。
‐蓋は特に材料がＰＴＦＥである分離層で被層できる。これによりポッティングされたコ イルからの蓋の引き離しとポッティング後の蓋の開放が容易になる。
‐装置は加熱装置、温度センサおよび前記温度センサの測定値に基づき温度を調整する調 節装置を備えることができる。
‐装置はポッティング室の排気および／または換気装置を備えることができる。これによ り真空下でのポッティングの実施およびポッティング材料の硬化並びに蓋の開放前のポ ッティング室の換気が可能となる。
‐装置は内側ポッティング容器の材料を放出するための排出装置を備えることができる。
‐装置のポッティング室はループ形、すなわち二重に繋がったトポロジーにすることがで きるので、ポッティング室は１つまたは複数のコイルの収容に特に適している。この場 合内側ポッティング容器および外側ポッティング容器はそれぞれ内壁および外壁を有す る。

【0010】

本発明による作動方法の有利な実施形態および発展形態は請求項９に従属する請求項から明らかである。これによれば方法は付加的に以下の特徴を有する。
‐ポッティング樹脂の硬化後に内側ポッティング容器はポッティングされたコイルの取り 出しのため摂氏４５度から摂氏２２５度の間の温度に加熱されることにより液化される か軟化される。これによりポッティングされたコイルの装置からの取り出しが十分な保 護のもとで行われるので、取り出し時のコイルの機械的負荷が大幅に回避される。
‐この場合液化または軟化されたポッティング樹脂は排出装置を介して放出することができる。
‐外側ポッティング容器は内側ポッティング容器の材料で何重にも被覆することができ、 このようにして作られた内側ポッティング容器をその都度ポッティングの実施に使用す ることができる。外側ポッティング容器のこのような基本的に任意な頻度にわたる再使 用により、外側ポッティング容器のコストが内側ポッティング容器のコストよりも通常 は著しく高いので、特に経費の掛らない方法の実施が可能になる。
‐ポッティングすべきコイルは装置のポッティング室内に少なくとも１つのスペーサ上に 位置決めできる。これによりコイルがポッティング材料で十分に被覆されるので、巻き 付けられたコイル導体は機械的、化学的および電気的外乱から大幅に保護される。
‐装置のポッティング室内に複数のコイルを個々に位置決めし一緒に１つのコイル体にポ ッティングすることができる。この場合コイル間に少なくとも１つのスペーサを位置決 めできる。
‐装置のポッティング室はポッティング樹脂の充填前またはその後に排気することができる。

【0011】

本発明を以下に添付の概略図を参照して有利な実施例に基づき説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は超電導コイルをポッティングするためのポッティング型の概略平面図である。

【図2】図２はポッティング型の構造を詳細に示す図１のII−II線に沿う断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は超電導矩形コイルをポッティングするためのポッティング型１の平面図を例示する。この平面図には図を見やすくするため最も目に付きやすい構成部分のみ、すなわち外側のポッティング容器３とポッティング室５のみを示し、ポッティング室の形状はポッティングすべきレーストラック形コイルに適合されている。この例では外側ポッティング容器３は外壁７と内壁８とを有するので、中央に自由な中空室が生じる。またポッティング型の他の例として、内壁が存在せず、ポッティング室５が単純な一体容積から成るようにすることも考えられる。矩形の角が丸められた図示の形状の代わりにポッティング室の形状はたとえば環状または長円形にすることもできる。有利な実施例では外側ポッティング容器３は、このような型の製造に堅牢で形状安定性の材料として適しているアルミニウムから成る。

【0014】

図２は図１のII−II線に沿うポッティング型１の断面図で、ポッティング型１の構造を詳細に示すものであり、ポッティング室５はコイル９が配置されていることにより満たされている。この横断面図から明らかなように、ポッティング型１は外側のポッティング容器３と蓋１５とを有し、これらはパッキン１７を介して互いに接続されている。特にパッキン１７はポッティング時におけるガスの侵入・侵出および樹脂の浸出を防ぐ。この例ではパッキン１７はゴム製のＯリングである。外側ポッティング容器３は内側ポッティング容器１１により被覆されており、その材料はこの実施例では摂氏５５度の融点を有する硬質パラフィンである。内側ポッティング容器１１はたとえば外側ポッティング容器３を溶融硬質パラフィンで完全に充填し続いて内室をくり抜くことにより作ることができる。内側ポッティング室１１の平均層厚はこの例では２ｍｍであり、この場合１００μｍの範囲の精確な製造許容誤差の遵守は平均層厚の局部的偏差により達成される。要求された幾何学的形状および表面品質を達成するための内側ポッティング容器１１の後加工はたとえば冷却されたフライスヘッドを有するフライス加工機により行うことができる。

【0015】

ポッティング室５には図示の例では３つのコイル９が装填されており、これらのコイル９は複数の第１スペーサ３９により内側ポッティング容器１１から離れて保持され、コイル９同士は複数の第２スペーサ４１により互いに分離されている。これにより下側のコイルも大部分がポッティング樹脂で囲まれ、コイル間の中間室はポッティング樹脂で充填されることが達成される。ここに示した第２スペーサ４１に付加してコイル９間になおもたとえば銅製の冷却板をコイルの冷却を良くするために設置することもできる。図示の例ではポッティング樹脂の充填装置１０が設けられ、これによりポッティング室５は図示しないポッティング樹脂貯蔵槽とポッティング樹脂弁２９を介して接続されている。ポッティング樹脂はたとえばエポキシ樹脂とアミンとの混合物とすることができ、この混合物はその製造後数時間内に室温で硬化する。付加的に図示の装置は真空口３１を有しており、これによりポッティング室５は真空弁３３を介して排気することができる。コイル９のポッティング後にポッティング室は空気口３５により換気弁３７を介して再び空気を充填するかまたはポッティング樹脂の硬化中に過圧状態にすることができる。その代わりに他のガスまたはガス混合物を充填することも可能である。

【0016】

図示の実施例の装置はさらに加熱装置２１、温度センサ２３および温度センサ２３の測定値に基づき外側ポッティング容器３の温度を調整するここには図示しない調整装置を装備することができる。加熱装置２１はこの例では電気加熱コイルを有するヒータとして実現され、温度センサ２３は熱電対またはＰｔ１００温度センサである。これによりコイル９のポッティング後に外側ポッティング容器３の温度を高めて、内側ポッティング容器１１の硬質パラフィンを溶融し、ポッティングされたコイルをポッティング型から蓋１５の開放後に取り出すことができる。蓋１５にはこの例ではＰＴＦＥ製の分離層１９が施されている。この分離層１９はポッティングされたコイル９から蓋１５の剥離を容易にし、したがってポッティング後の蓋１５の開放を容易にする。その代わりに蓋１５は内側ポッティング容器１１の材料、すなわちたとえば硬質パラフィンで被層することもできるし、または完全に非付着性表面特性を有する材料、したがってたとえば完全にパラフィンまたはＰＴＦＥから成るようにすることもできる。

【0017】

この実施例ではポッティング型にはさらに排出装置２５が設けられ、これにより内側ポッティング容器１１の溶融材料は排出弁２７を介して放出される。続いてポッティングされたコイル９は大きな機械的負荷なしにポッティング室５から取り出すことができる。このようなポッティングコイルの十分に保護された取り出し方法は、ポッティング型の壁部を円錐形にせずに取り出しをそもそも可能にするという利点をもたらす。したがってこの場合ポッティングされたコイルの幾何学的形状に対するポッティングによる悪影響が生じないことになる。最終的に所期のポッティング型により多くのポッティングプロセスを実施することができる。各製造プロセスでは単に、内側ポッティング容器１１を新たに作り、場合によって必要な後加工により場合により各時点で必要とされる幾何学的要求に適合させることだけが必要とされる。

【符号の説明】

【0018】

１ ポッティング型
３ 外側ポッティング容器
５ ポッティング室
７ 外壁
８ 内壁
９ コイル
１０ 充填装置
１１ 内側ポッティング容器
１５ 蓋
１７ パッキン
１９ 分離層
２１ 加熱装置
２３ 温度センサ
２５ 排出装置
２７ 弁
２９ 弁
３１ 真空口
３３ 弁
３５ 空気口
３７ 換気弁
３９ 第１スペーサ
４１ 第２スペーサ

【図1】

【図2】