JP2005341728A

JP2005341728A - 回転電機の固定子巻線

Info

Publication number: JP2005341728A
Application number: JP2004157862A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yoshida; 勝彦吉田; Hiroshi Hatano; 浩幡野; Hiroyoshi Tsuchiya; 寛芳土屋; Toshimitsu Yamada; 利光山田; Makoto Kawahara; 誠河原; Susumu Nagano; 進長野; Hideyuki Nakamura; 英之中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】製造作業を簡単にして、平角絶縁素線の厚さが薄い導体であっても、角部の電界集中を低減することにある。
【解決手段】複数の平角素線を束ねてレーベル転位させながらコイル状に集積し、その外周にマイカペーパと補強材、及び接着樹脂で構成されるマイカテープを複数層巻回して絶縁層５を形成した回転電機の固定子巻線において、絶縁層５の厚さ方向の最内層と最外層の中間に半導電性の中間シールド層８を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の平角素線を束ねてコイル状に集積し、その外周に絶縁層を形成して固定子鉄心に収納される回転電機の固定子巻線に関する。

発電機や電動機等の高電圧回転電機の固定子は、図４に示すように固定子鉄心１の内周側に形成された複数のスロット１ａ内に固定子コイル２が収納される。

この固定子コイル２は、上側コイルと下側コイルとからなり、これら上側コイル及び下側コイルをスロット内に収納するに際しては、スロット底部、上側及び下側コイル間並びにスロット開口部側に絶縁スペーサ３がそれぞれ挿入される。

また、スロット１ａの開口部端には、固定子コイル２を固定するためのスロット楔４が挿入され、回転電機の運転時に固定子コイル２から発生する電磁振動を抑制するようにしている。

このような高電圧回転電機の回転子において、固定子鉄心１のスロット１ａ内に収納される固定子コイル２は、次のような構成の導体により成形されている。

まず、複数の平角絶縁素線２１を束ねてレーベル転位させた後、図示左側列の素線束２０ａと図示右側列の素線束２０ｂ間に熱硬化性樹脂のプリプレグ・セパレータ１１が配置され、またレーベル転位部には熱硬化性樹脂のプリプレグ・フィラー１２が配置される。

次いで熱プレスにより素線束２０ａ，２０ｂを一体成形しつつプリプレグ・セパレータ１１とプリプレグ・フィラー１２の熱硬化性樹脂を加熱硬化させ、最終断面形状の導体２２に仕上げる。

このようにして得られた導体２２の周囲には、一般的にマイカペーパと補強ガラス布及び熱硬化性樹脂からなる絶縁層５が設けられる。真空含浸方式では、このマイカペーパと補強ガラス布とを必要最小限の接着材で貼り合わせた所謂ドライマイカテープを導体２２上に複数回巻回後、熱硬化性樹脂とマイカテープを熱プレスによって加熱硬化させ、導体２２の周囲に絶縁層５を形成する。

このような構成の固定子コイル２が固定子鉄心１のスロット１ａ内に収納された場合、運転中のコイル絶縁層５に生じる電界ストレスは一様でなく、電界が集中する導体２２の角部の方が導体２２の平坦部よりも高くなる（例えば、非特許文献１）電気学会全国大会予稿集、Ｎｏ．２９１、昭和６０年）。

従って、電界ストレスが高くなるほど破壊電圧が低くなり、また課電寿命は短くなるので、この導体２２の角部はコイル絶縁層５の弱点になっている。

現実に絶縁コイルの破壊電圧試験や課電寿命試験における破壊電圧試験の破壊個所のほとんどすべてがこの導体２２の角部であることからも上記弱点の存在が裏付けられる。

ところで、導体２２の角部の最大電界は、図５に示すように導体２２の角部の曲率半径が小さいほど大きくなることから、従来では角部の電界集中を緩和するため、角部の曲率半径の大きな素線２１を用いる方法や、レーベル転位部に半導電性のフィラーを配置する方法、あるいは図６に示すように半導電性のテープを導体の外周に巻回して内部シールド層６を形成し、角部の等価曲率半径を大きくする方法が実施されていた（例えば、非特許文献２）。
電気学会全国大会予稿集、Ｎｏ．２９１、昭和６０年Ａ．Ｗｉｃｈｍａｎｎ：ＩＥＥＥＰＥＳＷｉｎｔｅｒＭｅｅｔｉｎｇ、８２ＷＭ２３５−０、１９８２

しかし、前者の方法では固定子鉄心のスロット１ａ内の導体２２の占積率が低下するので、結果として回転電機の寸法を大きくしなければならない。

また、後者の方法では極く薄い半導電性のテープを用いれば、回転電機の寸法への影響は少なく、導体２２の角部の電界緩和に効果がある。しかし、角部に設けることができる曲率半径の最大値は、平角絶縁素線２１の厚さで制限されるので、その電界集中低減効果も制限される欠点があった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、製造作業が簡単でありながら、平角絶縁素線の厚さが薄い導体であっても、角部の電界集中を低減することができる回転電機の固定子巻線を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により回転電機の固定子巻線を構成する。

請求項１に対応する発明は、複数の平角素線を束ねてレーベル転位させながらコイル状に集積し、その外周にマイカペーパと補強材、及び接着樹脂で構成されるマイカテープを複数層巻回して絶縁層を形成した回転電機の固定子巻線において、前記絶縁層の厚さ方向の最内層と最外層の中間に半導電性の中間シールド層を設ける。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、コイル状に集積した複数の平角素線のレーベル転位部に半導電性のプリプレグ・フィラーを配置する。

請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層が半導電性のテープを巻回して形成される。

請求項４に対応する発明は、請求項３に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層を形成する半導電性テープが、少なくともそのテープ幅より短い巻き付けピッチで巻回される。

請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層が半導電性のシートをすし巻状に巻き付けて形成される。

請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層が中間絶縁層最内部から絶縁厚さの２０〜４０％の位置に配置される。

請求項７に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層のコイル長手方向の両端を、コイル端部表面に施された電位グループグレーディングの外端に大略一致させる。

請求項８に対応する発明は、請求項１に対応する発明の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層の表面抵抗率が１０²〜１０⁵Ω・ｃｍ／ｃｍである。

請求項９に対応する発明は、請求項１乃至請求項８のいずれかに対応する発明の固定子巻線を備えた回転電機を構成する。

本発明は、コイル導体上にマイカテープを複数層巻回して形成した絶縁層の最内層から絶縁厚さの２０〜４０％の位置に半導電性の中間シールド層を設け、導体角部の電界集中を低減させることにより、コイルの絶縁強度が向上し、結果的に絶縁厚さを低減して回転電機の小型軽量化を図ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は、本発明による回転電機の固定子巻線の第１の実施の形態をそれぞれ示す横断面図及び縦断面図である。

図１及び図２において、平角絶縁素線２１を束ねてレーベル転位させ、左右の素線束２０ａ及び２０ｂ間に熱硬化性のプリプレグ・セパレータ１１を配置するまでの構成は、従来技術で述べた図４の構成と同様なのでその説明を省略し、ここではそれ以降の導体２２の成形と、その周囲に形成される絶縁層５について説明する。

第１の実施の形態では、上記素線束２０ａ及び２０ｂのレーベル転位部に、半導電性のプリプレグ・フィラー１３を配置し、熱プレスによって素線束２０ａ及び２０ｂを一体成形しつつ、プリプレグ・セパレータ１１と半導電性プリプレグ・フィラー１３の熱硬化性樹脂を加熱硬化させた後、導体２２の角部の半導電性プリプレグ・フィラー１３を研磨して所定曲率半径に仕上げる。

この半導電性プリプレグ・フィラー１３は、エポキシ樹脂中にアルミニウム粉やマイカ粉等とともにカーボン粉を混入して、パテ状とし、エポキシ樹脂硬化後の固有抵抗率が１０²〜１０⁵Ω・ｃｍである。抵抗値がこれより低いと、運転中に固定子スロットを横切る磁束によってその内部に発生する渦電流損が大きくなり、また抵抗値がこれより高いと、導体角部の電界緩和効果が期待できない。

上記導体２２の周囲には、ドライマイカテープを複数層巻回する。

すなわち、まず、ドライマイカテープを全巻回数の３０％を巻回し、その上に重ねて表面抵抗率が１０²〜１０⁵Ω・ｃｍ／ｃｍの半導電性テープ１４を１／２重ね巻きし、中間シールド層８を形成する。

この半導電性テープ１４は、アラミドファイバーとカーボンファイバーとを混抄したシートをテープ状にスリットしたものである。

この場合、半導電性テープ１４の巻回範囲は、中間シールド層８の両端エッジ部付近の電界乱れがコイルスロット部の絶縁強度に影響されないように図２に示すようにコイル端部表面に施されたＳｉＣ電位グレーディング７より若干外方に突出させる。

また、テープの巻回ピッチは、１／２重ね巻きにこだわらないが、少なくともテープ幅より短くし、巻回テープ同士が重なり合うことによって連続的なシールド面を構成する必要がある。

さらに、その上に重ねて残りの７０％のドライマイカテープを巻回する。

次に、上記ドライマイカテープ層及び中間シールド層８にエポキシ樹脂を真空含浸し、コイル２を最終断面形状に成形しながら、含浸樹脂とマイカテープ層とを熱プレスによって一体的に加熱硬化させ、導体２２の周囲に絶縁層５を形成する。

このような構成のコイル絶縁について、中間シールド層８の挿入位置が絶縁内部の電界に及ぼす効果をグラフにて示すと図３の通りである。

図３に示すグラフから分かるように、中間シールド層８の挿入位置を絶縁内層から絶縁外層方向に移動させていくと、導体２２の角部の電界は一旦低下し、内層から１０％付近で最小値を示した後、外層に向かってまた元の位置まで上昇している。

一方、挿入した中間シールド層８の角部の電界は挿入位置が絶縁内層から絶縁外層方向に移動するにしたがって、徐々に低下している。

この結果から、角部の最大電界を低減させ、絶縁層５の内部の電界を均一化するには、中間シールド層８を絶縁内層から２０〜４０％の位置に配置することが最も効果的であることが分かる。

マイカテープは、通常０．１〜０．３ｍｍ程度の厚さを持つので、中間シールド層８の挿入位置はこのマイカテープの厚さに制約を受ける。したがって、現実には上記した２０〜４０％の範囲で適宜選択する。

このように本発明の第１の実施の形態によれば、絶縁層５の厚さ方向の最内層の中間に、半導電性の中間シールド層８を設けることにより、平角導体素線２１の厚さが薄い導体２２であっても、コイル絶縁の弱点である角部絶縁層内部の最大電界を低減できる。

さらに、このような構成の固定子巻線２を固定子鉄心１のスロット１ａに収納した固定子とすることにより、絶縁厚さを低減できるので、機器の小型化に寄与できる。

次に本発明の第２の実施の形態を上記同様に図１及び図２を用いて説明する。

第２の実施の形態では、上記素線束２０ａ及び２０ｂのレーベル転位部に、半導電性のプリプレグ・フィラー１３を配置し、熱プレスによって素線束２０ａ及び２０ｂを一体成形しつつ、プリプレグ・セパレータ１１と半導電性プリプレグ・フィラー１３の熱硬化性樹脂を加熱硬化させた後、導体２２の角部の半導電性プリプレグ・フィラー１３を研磨して所定曲率半径に仕上げる。

すなわち、まず、ドライマイカテープを全巻回数の約３０％を巻回し、その上に重ねて表面抵抗率が１０²〜１０⁵Ω・ｃｍ／ｃｍの半導電性シート１５をすし巻状に１回巻き付け、中間シールド層８を形成する。

この半導電性シート１５は、カーボン粉を混入した半導電性ワニスをポリエステル不織布に均一に塗布し、加熱硬化したものである。巻回したシートは少なくとも重ね代をもち、連続的なシールド面を構成する必要がある。

この場合、半導電性シート１５の巻回範囲は、中間シールド層８の両端エッジ部付近の電界の乱れが、コイルスロット部の絶縁強度に影響しないようにコイル端部の表面に施されたＳｉＣ電位グレーティング７の外端と一致させる。

次に上記ドライマイカテープ層及び中間シールド層８にエポキシ樹脂を真空加圧含浸し、コイル２を最終断面形状に成形しながら、含浸樹脂とマイカテープ層とを熱プレスによって一体加熱硬化させ、導体２２の周囲に絶縁層５を形成する。

このように第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

次に本発明の第３の実施の形態を上記同様に図１及び図２を用いて説明する。

第３の実施の形態では、上記素線束２０ａ及び２０ｂのレーベル転位部に、半導電性のプリプレグ・フィラー１３を配置し、熱プレスによって素線束２０ａ及び２０ｂを一体成形しつつ、プリプレグ・セパレータ１１と半導電性プリプレグ・フィラー１３の熱硬化性樹脂を加熱硬化させた後、導体２２の角部の半導電性プリプレグ・フィラー１３を研磨して所定曲率半径に仕上げる。

上記導体２２の周囲には、レジンリッチマイカテープを複数層巻回する。

すなわち、レジンリッチマイカテープは、まず全巻回数の３０％を巻回し、その上に重ねて表面抵抗率が１０²〜１０⁵Ω・ｃｍ／ｃｍの半導電性テープを１／２重ね巻きする。

この場合、半導電性テープの巻回範囲は、中間シールド層８の両端エッジ部付近の電界の乱れが、コイルスロット部の絶縁強度に影響しないようにコイル端部の表面に施されたＳｉＣ電位グレーディング７の外端より若干内側までとする。

次に上記レジンリッチマイカテープ層及び中間シールド層８とを熱プレスによって一体加熱硬化させ、導体２２の周囲に絶縁層５を形成する。

このような第３の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態乃至第３の実施形態における中間シールド層の挿入位置を説明するための固定子コイルの横断面図。同じく中間シールド層の長手方向長さを説明するための固定子コイルの縦断面図。同じく中間シールド層の挿入位置がコイル絶縁内部の電界に及ぼす効果を示すグラフ。従来の固定子コイルの構成を示す固定子スロット部の横断面図。導体角部の曲率半径が導体角部の最大電界に及ぼす効果を示すグラフ。導体外周に内部シールドを形成した従来の固定子コイルを示す斜視図。

符号の説明

１…固定子鉄心、１ａ…スロット、２…固定子コイル、３…絶縁スペーサ、４…スロット楔、５…絶縁層、６…内部シールド層、７…ＳｉＣ電位グレーディング、８…中間シールド層、１１…プリプレグ・セパレータ、１２…プリプレグ・フィラー、１３…半導電性プリプレグ・フィラー、１４…半導電性テープ、２０ａ，２０ｂ…素線束、２２…コイル導体

Claims

複数の平角素線を束ねてレーベル転位させながらコイル状に集積し、その外周にマイカペーパと補強材、及び接着樹脂で構成されるマイカテープを複数層巻回して絶縁層を形成した回転電機の固定子巻線において、
前記絶縁層の厚さ方向の最内層と最外層の中間に半導電性の中間シールド層を設けたことを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１記載の回転電機の固定子巻線において、コイル状に集積した複数の平角素線のレーベル転位部に半導電性のプリプレグ・フィラーを配置し、素線固めしたことを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１記載の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層が半導電性のテープを巻回して形成されたことを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項３記載の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層を形成する半導電性テープが、少なくともそのテープ幅より短い巻き付けピッチで巻回されたことを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１記載の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層が半導電性のシートをすし巻状に巻き付けて形成されたことを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１記載の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層が中間絶縁層最内部から絶縁厚さの２０〜４０％の位置に配置されたことを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１記載の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層のコイル長手方向の両端をコイル端部表面に施された電位グループグレーディングの外端に大略一致させることを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１記載の回転電機の固定子巻線において、中間シールド層の表面抵抗率が１０²〜１０⁵Ω・ｃｍ／ｃｍであることを特徴とする回転電機の固定子巻線。
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の固定子巻線を備えた回転電機。