JP2012175799A - 回転電機固定子、回転電機固定子の製造方法、及び回転電機固定子用絶縁テープ - Google Patents

Abstract

【課題】導体での発熱量の増大に対して充分に対処しうる熱伝導特性、及び導体に対する充分な絶縁特性を有する回転電機固定子を提供する。
【解決手段】複数の素線を結束してなる導体と、前記導体の外周面を被覆するようにして形成された、配向率（１００）／（００２）が０．０４以上である鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーを含むフィラー層及びマイカ層を有する絶縁層と、を具えるようにして回転電機固定子を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機固定子、回転電機固定子の製造方法、及び回転電機固定子用絶縁テープに関する。

回転電機機器は、20年、30年と使用される機器であり、特に高電圧回転電機を構成する回転電機固定子等の構成部品は、高電圧のストレスに耐えうる絶縁が要求される。現在、回転電機固定子に使用されている絶縁材は、無機材料であるマイカとエポキシ樹脂やポリエステル樹脂などの樹脂との複合体である。マイカは、耐熱性と耐放電性に優れた材料であることから放電が避けられない高電圧回転電機の絶縁としては長く使用されてきている。

一般的に、上記絶縁材は、ガラスクロスやフィルムを裏打ち材として使用し、上述したマイカと樹脂との複合体からなるマイカ層を貼り付け、絶縁テープとして形成される場合が多い。また、はがしマイカと呼ばれる大きなマイカ鱗片を貼り付けながらテープを巻き回し、上述のような絶縁テープを形成する手法も用いられてきた。

一方、最近は、回転電機機器の性能向上により、回転電機固定子の導体部での発熱量が増大し、生成した熱を発散させるべく絶縁材の熱伝導率を上げることが求められている。このため、上述のようなマイカ層と裏打ち材とからなる絶縁テープに対して、裏打ち材の、マイカ層と相対する側に、六方晶窒化ホウ素、酸化マグネシウム、アルミナなどのフィラーを含むフィラー層を新たに設けた高熱伝導マイカテープが開発されている。

しかしながら、このような高熱伝導マイカテープにおいては、フィラー層を設けることにより熱伝導率を向上できる反面、マイカ層の厚さが減少するため電気絶縁特性が低下してしまうという問題があった。したがって、このような高熱伝導マイカテープにおいては、上述した回転電機固定子の導体部における発熱量を考慮して、マイカ層に対するフィラー層の厚さを適宜調整するようにしていた。

このような問題を解決すべく、特許文献１によれば、フィラー層に含有させるフィラーとして、結晶化指数1.8以上の六方晶窒化ホウ素の粉末を使用することが開示されている。六方晶窒化ホウ素は結晶化指数を高めることで熱伝導率が向上するので、電気絶縁特性を維持しながら熱伝導性を向上することができる。

しかしながら、上述した技術による熱伝導性の向上では、昨今の回転電機固定子の導体部における発熱量に充分に対処することが困難になっている。

特開２０１０−１６６８０９号

本発明が解決しようとする課題は、導体での発熱量の増大に対して充分に対処しうる熱伝導特性、及び導体に対する充分な絶縁特性を有する回転電機固定子を提供することである。

本発明の一態様における回転電機固定子は、複数の素線を結束してなる導体と、前記導体の外周面を被覆するようにして形成された、配向率（１００）／（００２）が０．０４以上である鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーを含むフィラー層及びマイカ層を有する絶縁層と、を具えることを特徴とする。

本発明によれば、導体での発熱量の増大に対して充分に対処しうる熱伝導特性、及び導体に対する充分な絶縁特性を有する回転電機固定子を提供することができる。

実施形態における回転電機固定子の斜視図である。 図１に示す回転電機固定子の断面図である。 図１及び図２に示す回転電機固定子の絶縁層を拡大して示す断面図である。 図３に示す絶縁層の具体的態様の一例を示す断面図である。 実施形態の回転電機固定子１０の製造方法を説明するための工程図である。 実施例におけるフィラー層中の、六方晶窒化ホウ素フィラーの配向率（１００）／（００２）と熱伝導率との関係を示すグラフである。

図１は、本実施形態における回転電機固定子の斜視図であり、図２は、図１に示す回転電機固定子の断面図である。図３は、図１及び図２に示す回転電機固定子の絶縁層を拡大して示す断面図であり、図４は、図３に示す絶縁層の具体的態様の一例を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態における回転電機固定子１０は、導体１１と、この導体１１の外周を覆うようにして形成された絶縁層１２とを有している。

導体１１は、電気的良導体である複数の素線１１１、例えば、銅、アルミニウム、銀等から構成され、素線１１１が縦及び横方向に並列するとともに結束してなる。本実施形態では、素線１１１を横に２列、縦に８列で並列させて結束させているが、その数及び配列構成については特に限定されるものではない。

また、図３に示すように、絶縁層１２は、フィラー層１２１及びマイカ層１２２を有する。フィラー層１２１は、例えばアスペクト比が１対１００以上の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａと樹脂１２１Ｂとを含む。具体的には、樹脂１２１Ｂからなるマトリックス中に鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａが分散しているような構成を呈する。樹脂１２１Ｂは、汎用の熱硬化性樹脂から構成することができる。

なお、ここでいうアスペクト比とは、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａの厚さを１とした場合の、その形状を特徴づけるような主面の長さの比を意味するものである。すなわち、厚さを１とした場合に、その主面の長さが１００以上であることを意味するものである。

本実施形態では、フィラー層１２１中の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａの配向率（１００）／（００２）が０．０４以上、好ましくは０．０５以上である。上述のような鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａは、厚さ方向がｚ軸配向しており、その主面の長さ方向がａ軸配向している。したがって、上述した配向率は、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａが絶縁層１２の膜面に対して垂直方向に立ち上がっている割合を示すことになる。

換言すれば、本実施形態におけるフィラー層１２１中の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａの配向率（１００）／（００２）が０．０４以上とは、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａの内、フィラー層１２１の膜面に垂直方向に立ち上がっている割合が全体の０．０４以上存在することを意味する。

なお、上記配向率における（１００）及び（００２）は、いわゆる鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａの結晶学的な配向方向を意味し、本実施形態では、フィラー層１２１の膜面に対してＸ線を照射し、Ｘ線回折によって得たものである。

一般に、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａは、樹脂１２１Ｂをマトリックスとして分散させて層を形成すると、その大きなアスペクト比に依存して主面が自ずとフィラー層１２の膜面と略平行となるようにして含有される傾向がある。しかしながら、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａが膜面に対して略平行となるようにして含有されると、導体１１で発生した熱はほぼ樹脂１２１Ｂ中を伝達することになる。したがって、その含有形態に依存して、フィラー層１２の厚さ方向に熱伝導性はさほど向上しない。

これに対して、本実施形態では、フィラー層１２１中の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａをその配向率（１００）／（００２）が０．０４以上となるように、すなわち鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａをフィラー層１２１の膜面に対して垂直方向に立ち上がるようにしているので、導体１１で発生した熱はある程度の割合で鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａを介して伝達することになる。したがって、その含有形態に依存して、フィラー層１２１の厚さ方向における熱伝導性が増大するようになる。

また、上述したように、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａは、その主面の長さ方向がａ軸となっており、その厚さ方向がｚ軸となっているが、六方晶窒化ホウ素（フィラー）においては、ｚ軸方向に比較してａ軸方向の熱伝導率が高い。したがって、本実施形態のように、配向率（１００）／（００２）が０．０４以上となって、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａが膜面に対して垂直方向に立ち上がるとなることにより、この六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａのａ軸が膜面に対して垂直方向に立ち上がるので、フィラー層１２１の厚さ方向における熱伝導性がさらに増大するようになる。

したがって、絶縁層１２におけるフィラー層１２１の熱伝導性が向上するようになるので、導体１１で発生した熱は、絶縁層１２のフィラー層１２１を通じて外方に効率良く放出されるようになる。

フィラー層１２１中における樹脂１２１Ｂの割合は特に限定されるものではないが、好ましくは１０体積％以上３０体積％以下である。樹脂１２１Ｂの量の下限値が１０体積％よりも小さいと、フィラー層１２１中にボイドが発生し、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａによる熱伝導性を向上させることができない場合がある。樹脂１２１Ｂの量が３０体積％を超えると、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａの量が相対的に減少してしまうため、フィラー層１２１の熱伝導性が低下してしまう場合がある。

絶縁層１２におけるマイカ層１２２は、例えばアスペクト比が１対１００以上の鱗片状のマイカフィラー１２２Ａと樹脂１２２Ｂとを含む。具体的には、樹脂１２２Ｂからなるマトリックス中に鱗片状のマイカフィラー１２１Ａが分散しているような構成を呈する。樹脂１２２Ｂは、汎用の熱硬化性樹脂から構成することができる。

なお、ここでいうアスペクト比とは、鱗片状のマイカフィラー１２２Ａの厚さを１とした場合の、その形状を特徴づけるような主面の長さの比を意味するものである。すなわち、厚さを１とした場合に、その主面の長さが１００以上であることを意味するものである。

鱗片状のマイカフィラー１２２Ａは、樹脂１２２Ｂをマトリックスとして分散させて層を形成すると、その大きなアスペクト比に依存して主面が自ずとマイカ層１２２の膜面と略平行となるようにして含有される傾向がある。このように、鱗片状のマイカフィラー１２２Ａが膜面に対して略平行となるようにして含有されると、導体１１で発生する電界に対してその主面が垂直方向に立ち上がるので、電界に対する遮蔽効果が増大する。すなわち、その含有形態に依存して、マイカ層１２２の厚さ方向における絶縁特性が向上する。

また、マイカ自体高い絶縁性を有し、電界に対して高い遮蔽効果を有するので、上述したマイカ層１２２中のマイカフィラー１２２Ａの含有形態と相伴って、マイカ層１２２は高い絶縁特性を呈するようになる。

なお、マイカ層１２２中における樹脂１２２Ｂの割合は特に限定されるものではないが、好ましくは１０体積％以上３０体積％以下である。樹脂１２２Ｂの量の下限値が１０体積％よりも小さいと、マイカ層１２２中にボイドが発生し、その絶縁耐力が低下してしまう場合がある。樹脂１２２Ｂの量が３０体積％を超えると、マイカフィラー１２２Ｂの量が相対的に減少してしまうため、マイカ層１２２の絶縁特性が低下してしまう場合がある。

以上より、本実施形態の回転電機固定子１０は、高熱伝導性のフィラー層１２１及び高絶縁特性１２２を含む絶縁層１２を導体１１の周囲に有しているので、導体１１での発熱量の増大に対して充分に対処する熱伝導特性、及び導体１１での発電に対する充分な絶縁特性を有するようになる。

なお、本実施形態では、マイカ層１２２中のマイカフィラー１２２Ａを、高アスペクト比を有するものとしたが、粒子状のものであっても、マイカ自体が高い絶縁性を有するので、マイカ層１２２は充分に高い絶縁特性を有するようになる。但し、上述のように、鱗片状のものとすることにより、マイカ層１２２の絶縁特性をさらに向上させることができる。

本実施形態では、図３に示すように、絶縁層１２は、フィラー層１２１及びマイカ層１２２間に裏打ち層１２３を有している。裏打ち層１２３は、例えば、ガラスクロスやガラスフィルム等とすることができ、特にガラスクロスとした場合においては、その目地の隙間に熱硬化性樹脂等を含浸させることができる。このような裏打ち層１２３を設けることによって、絶縁層１２の強度を向上させることができる。

なお、本実施形態において、導体１１に対する絶縁層１２は、図３に示すような構成の単一の層として構成することもできるが、絶縁層１２を構成するフィラー層１２１及びマイカ層１２２の厚さは充分に薄いので、通常は、図３に示すような構成の絶縁テープを準備し、このテープを導体１１の周りに複数回巻回することによって形成する。具体的には、図４に示すように、図３に示すような構成の絶縁テープを、各ターンの幅の約半分が互いに重なり合うようにして（ハーフラップ）複数回巻回する。

巻回数は、所望する絶縁層１２の厚さ及び絶縁テープの厚さに依存して変化するが、通常は６回から３０回、すなわち絶縁テープを６層から３０層積層させる。

次に、本実施形態の回転電機固定子１０の製造方法を、特に絶縁層１２のフィラー層１２１の形成方法を中心に説明する。

図５は、本実施形態の回転電機固定子１０の製造方法を説明するための工程図である。
最初に、電気的良導体である複数の素線１１１が縦及び横方向に並列するとともに結束してなる導体１１を準備し、この導体１１の外周を覆うようにして、例えば図３に示すような構成の絶縁テープを所定の回数、例えば６回〜３３回巻回する。

なお、この状態において、絶縁テープを構成するフィラー層中の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーは、その膜面に略平行となっている。また、フィラー層等の樹脂は完全に硬化することなく、例えばＢステージの状態となっている。

次いで、複数回巻回した絶縁テープの周りにポリプロピレンテープをハーフラップで１回巻回する。なお、このプロピレンテープは、以下に説明する絶縁テープを導体１１に対して固定させるための固定冶具の離型材として機能するものである。

次いで、巻回した絶縁テープの側面に上記ポリプロピレンテープを介して、例えば冷間圧延鋼板（SPCC）である鉄板２１を当てて絶縁テープの側面を導体１１の側面に固定し、絶縁テープの上面及び下面に上記ポリプロピレンテープを介して、同様のSPCCである鉄板２２を当てて、絶縁テープの上面及び下面をそれぞれ導体１１の上面及び下面に固定する。

なお、鉄板２１及び２２は、絶縁テープの導体１１に対する固定冶具を構成する。次いで、鉄板２１及び２２の中央部を、熱収縮テープによってハーフラップで２回巻回し、鉄板２１及び２２を固定する。この際、鉄板２１及び２２に電圧がかけられるように、これら鉄板２１及び２２には、図示しないリード線を取り付け、所定の電圧を印加できるようにしておく。

次いで、上述のように形成したアセンブリを真空加圧タンクにいれ、真空引きを行う。十分に真空引きを行ったところで150℃のポリエチレンワックスを流し込み、アセンブリを浸漬させ、ポリエチレンワックスを媒体として、窒素ガスで7 kgf/cm²の圧力を付加した状態で加熱する。すると、絶縁テープのフィラー層１２１等を構成する樹脂が硬化して樹脂１２１Ｂとなり、複数回巻回してなる絶縁テープの層は絶縁層１２に転換されることになる。

本実施形態においては、上述した工程における加熱硬化時またはその前に、導体１１と鉄板２１及び２２間に電界が1 kV/mm以上となるような直流又は交流電圧を上記リード線を介して1分以上印加、好ましくは電界が500 V/mm以上となるような直流又は交流電圧を1分以上印加する。これによって、フィラー層１２１中の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａが、配向率（１００）／（００２）が０．０４以上となるように膜面に対して垂直方向に立ち上がるようになる。

なお、図５においては、鉄板２１側を正電位、導体１１側を負電位としているが、逆でもよい。また、鉄板２１及び２２に負荷する電圧、すなわち鉄板２１及び２２の電位は、フィラー層１２１中の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー１２１Ａが膜面に垂直方向に立ち上がれば、等電位であってもよいし、互いに異なってもよい。

銅からなる複数の素線を、図１及び図５に示すように、横に２列、縦に８列で並列させて結束して得た導体１１を、エポキシ樹脂を９０体積％で含有するとともに、鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー（アスペクト比：１対１００）を含有するフィラー層、エポキシ樹脂を１０体積％で含有するとともに、鱗片状のマイカフィラー（アスペクト比：１対１００）を含有するマイカ層、及びこれらの間に位置するガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させてなる裏打ち層からなる絶縁テープで１０回巻回した。

その後、上述のようにして得たアセンブリを真空加圧タンクにいれて真空引きを行った後、150℃のポリエチレンワックスを流し込み、ポリエチレンワックスを媒体として、窒素ガスで7 kgf/cm²の圧力を付加した状態で加熱し、上記エポキシ樹脂を硬化させ、図１に示すような回転電気固定子を製造した。

なお、上述のような製造過程において、上記アセンブリを保持するための鉄板と導体との間に１kV/mm〜１０kV/mmの電圧を印加し、上記絶縁層中のフィラー層における鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーの配向率（１００）／（００２）を制御した。

図６は、フィラー層中の、六方晶窒化ホウ素フィラーの配向率（１００）／（００２）と熱伝導率との関係を示すグラフである。図６から明らかなように、フィラー層中の六方晶窒化ホウ素フィラーの配向率（１００）／（００２）が０．０４以上となることにより、このフィラー層の熱伝導率が著しく向上し、絶縁層の熱伝導率も向上できることが分かる。したがって、導体での発熱量の増大に対して充分に対処しうる熱伝導特性、及び導体に対する充分な絶縁特性を有する回転電機固定子を提供できることが分かる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

１０ 回転電機固定子
１１ 導体
１１１ 素線
１２ 絶縁層
１２１ フィラー層
１２１Ａ 鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラー
１２１Ｂ 樹脂
１２２ マイカ層
１２２Ａ マイカフィラー
１２２Ｂ 樹脂
１２３ 裏打ち層
２１，２２ 鉄板

Claims (5)

1. 複数の素線を結束してなる導体と、
   前記導体の外周面を被覆するようにして形成された、配向率（１００）／（００２）が０．０４以上である鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーを含むフィラー層及びマイカ層を有する絶縁層と、
   を具えることを特徴とする、回転電機固定子。
2. 前記絶縁層は、前記フィラー層及び前記マイカ層に対する裏打ち材を含むことを特徴とする、請求項１に記載の回転電機固定子。
3. 複数の素線を結束してなる導体の外周面を被覆するようにして、未配向の鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーを含むフィラー層及びマイカ層を有する絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層を前記導体に対して固定するための金属製の固定治具を設ける工程と、
   前記導体と前記固定冶具との間に電圧を印加して、前記絶縁層の厚さ方向に所定の電界を生成し、前記絶縁層の、前記フィラー層中の六方晶窒化ホウ素フィラーを、前記絶縁層の厚さ方向に配向させる工程と、
   を具えることを特徴とする、回転電機固定子の製造方法。
4. 配向率（１００）／（００２）が０．０４以上である鱗片状の六方晶窒化ホウ素フィラーを含むフィラー層と、マイカ層とを具えることを特徴とする、回転電機固定子用絶縁テープ。
5. 前記フィラー層及び前記マイカ層に対する裏打ち材を具えることを特徴とする、請求項７に記載の回転電機固定子用絶縁テープ。

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