专利名称：用于固化涂覆粉末的发生器转子线圈的焦耳加热设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发生器电磁转子的制造，并且特别是，本发明涉及通过焦耳加热(joule heating)固化涂覆粉末的发生器线圈。
背景技术：
环氧树脂粉末的静电沉积是用于发生器内绝缘转子线圈的现有缠带技术的一种选择。市场上的多种热固材料可用于粉末涂层，并且都需要在120C和200C范围内的高温下固化。这些材料表示出具有适当的机械和电性能，以便用于绝缘，并且已经提出了用于固化涂层的多种可选择的加热方法。
对流、感应、辐射以及焦耳加热在多种其它供应处理中得到应用，并且有时相互结合使用。但是，在针对特定应用来选择可以实现均匀和可重复固化特性的系统中必须考虑许多因素。
包括大致完全涂覆粉末树脂的多个绕组的电磁转子的场线圈在共同所有的美国专利NO.6686822中披露。作为例如经由手动缠绕带而手动施加绝缘材料的更加昂贵和传统技术的一种选择，粉末涂层通常通过介电绝缘材料静电沉积在发生器线圈上来施加。虽然粉末涂层有利地作为替换绝缘体，其缺陷在于沉积之后的固化过程。通常，涂覆的线圈被转移到可以有30英尺长的商用对流炉子中。如预料那样，这种炉子不容易运输，并且制造和维护成本高。
因此，对于例如铜合金发生器线圈的大型涂覆粉末的部件来说，需要一种简化、低成本而有效的固化装置。
发明内容
本发明涉及一种适用于通过焦耳(还公知为电阻)加热来固化涂覆粉末的金属棒的方法和设备。如上所述，金属棒可以是铜合金发生器线圈，并且涂层可以是静电施加的环氧树脂或混合粉末涂层。本发明这里可以通过避免对流炉子的高投资成本来实现粉末涂层绝缘材料的低成本固化。更特别是，该设备采用特殊构造的功率变换器，其中工件(例如，转子发生器线圈)构造成串联回路，以便形成功率变换器的单圈次级绕组。功率变换器的初级绕组通过AC电流(由于线电压供应装置的标准，最好是50或60hz)激励，并且变换器芯体内产生磁场。次级绕组形成为围绕芯体的至少一个绕组。两个或多个转子发生器线圈通过夹紧装置以串联回路电连接，夹紧装置的构造使得回路的所形成端部可接着电连接到功率变换器次级绕组的每个端部上。通过夹紧装置可以实现这种连接。磁场因此在次级绕组中形成电场，并且在通过转子发生器线圈形成的串联回路中形成所得电流。在功率变换器初级线圈受到激励并且用作反馈回路的一部分以便调节温度的同时，转子线圈的温度受到监测。
因此，在一个方面中，本发明涉及一种固化金属导体上的涂层的方法，包括(a)将金属导体连接到功率变换器的输出上；以及(b)将电流通过金属导体以便实现足以固化涂层的表面温度。
在另一方面，本发明涉及一种固化发生器转子的至少一对线圈上的粉末涂层的方法，包括(a)构造降压(step-down)变换器，以便包括具有围绕芯体的多个绕组的初级绕组以及具有围绕芯体的至少一个绕组但是少于初级绕组的次级绕组；(b)将两个或多个发生器线圈连接成串联回路，并且经由具有与发生器线圈相同的电阻和热损失的连接元件将回路的端部电连接到次级绕组上；(c)使用变换器，产生经过所述一个或多个线圈的电流，由此将一个或多个线圈加热到所需固化温度。
现在结合附图详细描述本发明。
图1表示线圈的一部分，线圈具有标示，这些表示指示代表焦耳加热过程中热增益和损失的基本等式中的变量的符号；以及图2是按照本发明示例性实施例的焦耳加热设备的示意图。
部件列表电压源10、功率变换器12、第一和第二涂覆粉末的线圈元件14、16、夹紧装置18、次级绕组20、接头22。
具体实施例方式
在DC或AC电流流过工件时，通过与内部电阻和相应电压降相关的耗散来实现焦耳或电阻加热。此现象是公知的，并且当然是多种类型电加热元件的基础。对于转子线圈的应用来说，必须考虑工件的材料和构造以及所得的极低电阻，以及可能需要的所得大电流。电流量将取决于工件的热容量以及由于工件的对流和辐射所造成的热损失，以及所需固化温度。对于所感兴趣的特定实施例，采用大约30英尺的总线圈长度以及大约1英尺×1/4英尺的截面，在稳定状态加热情况下，需要最初的估计是热负载为3000W的等级并且相应电流为880安的等级。这是设计适用于此应用的变换器所需的基本信息。该系统的关键在于在线圈和变换器之间形成良好的点接触。另外，变换器的次级绕组必须保持在可接受的温度极限内。
参考图1，下面给出在物体焦耳加热过程中用于热增益和损失的等式。加热源是焦耳加热Qj，并且热负载包括来自于表面的对流Qc和辐射Qr的损失以及与工件的热容量相关的热存储Qs。热容量可容易计算，但是对流和辐射负载非常取决于几何形状和材料性能。在这种情况下，在工件表面上采用活性发热热固材料，这对于通过试验来证实热损失很关键。下面的四个等式表示热损失或增益的每个部分的关系。电流表示为i，R表示电阻，h表示热传导系数，As是截面面积，vol是容积，T∞是环境温度，T是部件温度，pm是质量密度，cp是热容量，并且σ是玻尔兹曼常数。
焦耳加热Qj＝i2R对流Qc＝hAs(T∞)辐射Qr＝σAs(T4-T∞4)存储Qs＝vol.ρmcp(T-T∞)焦耳加热Qj＝i2R对流Qc＝hAs(T∞)辐射Qr＝σAs(T4-T∞4)存储Qs＝vol.ρmcp(T-T∞)电阻是计算焦耳加热中的关键因素。额定电阻R0取决于几何形状和材料性能，其中L是长度，As是截面面积并且ρR是额定温度T0的电阻率。
实际电阻R0以作为热膨胀系数的比例α随着温度T变化。功率P如下取决于电阻R和电流iR0=ρRLAs]]>R＝R0(1+α(T-T0))P＝Vi＝i2R＝V2/R
电阻的温度系数值的近似值可以通过假设纯铜的值来使用，而实际上线圈有含有少量银的铜合金来制成。用于随后计算的其它相关常数如下给出α＝0.004C-1ρR＝0.67μΩ-cmcp＝0.39J/gm-Cρm＝8.9gm/cm3T∞＝T0＝20C使用如上所述的关系，人们可以确定具有给定尺寸和构造的绕组内的电阻，并且还可确定形成将绕组温度升高到足以固化粉末涂层的电流所需的电压。
现在参考图2，电压源10用来将功率供应给功率变换器12。源10可将例如440V或220V提供给变换器。发生器转子线圈的第一和第二涂覆粉末的线圈元件14、16经由夹紧装置18串联连接，经由接头22形成围绕变换器12的芯体的单圈次级绕组20的一部分。次级绕组的从接头22延伸并围绕芯体(未示出)的其它部分是功率变换器的永久部分。为了提供最佳温度均匀性，围绕变换器芯体卷绕的次级绕组可以设计成具有与转子线圈本身相同的热损失和每单位长度的电阻，使得沿着次级线圈的长度不出现温度差。功率变换器是高电流变换器，该变换器降低电压以便在涂覆粉末的元件14、16中产生高电流。如上所述，元件14、16是具有静电施加的环氧树脂或混合环氧树脂粉末涂层的铜合金发生器线圈。
变换器12的初级绕组(未示出)通过AC电流(最好是50或60Hz)激励，在变换器芯体(同样未示出)产生磁场。磁场在次级绕组20内形成电场，并且所得电流i在通过转子线圈形成的串联回路中形成。预定所需电流足以将线圈元件14、16加热到固化粉末涂层的所需温度，例如150C。
最好是，转子线圈元件14、16的温度在初级线圈激励的同时进行监测，并且用作其它传统比例积分衍生反馈控制回路的输入，以便连续调节温度。因此，温度可以直接测量，以及电压根据需要调节，从而改变电流，以便产生所需温度。作为选择，由于线圈元件内的电阻取决于温度，温度可从电压或电流性能中推导得出。
虽然接合认为是最为实用和优选的实施例描述了本发明，应该理解到本发明不局限于这里披露的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种变型和等同配置。
权利要求
1.一种固化金属导体(14)上的涂层的方法，包括(a)将金属导体与功率变换器(12)串联连接；以及(b)将电流通过金属导体(14)，以便实现足以固化涂层的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属导体包括一个或多个发生器线圈(14、16)。
3.如权利要求1所述的方法，还包括(c)形成反馈回路以便通过根据金属导体的实际温度改变变换器(12)的电压输入来调节金属导体(14)的温度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，功率变换器(12)是降压变换器。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，金属导体(14)与功率变换器的次级绕组(20)串联连接。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，一对线圈(14、16)串联连接。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导体(14)和所述次级绕组(20)具有与金属导体相同的每单位长度的热损失和电阻。
8.一种固化发生器转子的至少一对线圈(14、16)上的粉末涂层的方法，包括(a)构造降压变换器(12)，以便包括具有围绕芯体的多个绕组的初级绕组以及具有围绕芯体的至少一个绕组但少于所述初级绕组的次级绕组；(b)将两个或多个发生器线圈(14、16)连接成串联回路，并且经由具有与发生器线圈相同的电阻和热损失的连接元件(22)将回路的端部电连接到次级绕组(20)上；(c)使用变换器(12)以便产生经过所述一个或多个线圈的电流，由此将所述一个或多个线圈加热到所需固化温度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括(a)监测一个或多个线圈(14、16)的温度，并且改变功率变换器(12)的电压输入，以便调节实现所需固化温度所需的电流。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，电压输入开始时是440V。
全文摘要
一种固化金属导体(14)上的涂层的方法，包括(a)将金属导体与功率变换器(12)串联连接；以及(b)将电流经过金属导体以便实现足以固化涂层的表面温度。
文档编号H02K15/12GK101087091SQ200710110269
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月9日
发明者D·S·法库哈, P·J·富利, P·C·欧文, 王显邦 申请人:通用电气公司