JP2009118719A - 電気絶縁材として用いられる非線形誘電体 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性材料で作られた巻線を含む電気機械を提供する。
【解決手段】 電気機械は、巻線（３４）の少なくとも一部の周囲に配設された絶縁層（３８）を含み、該絶縁層（３８）は電圧の関数として変化する誘電率を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は広義には電気機械及び機械巻線のための絶縁系に関し、具体的には、非線形誘電特性を有する絶縁系に関する。

発電機、電動機、アクチュエータ、変圧器などの電気機械及び装置は、様々な電気的、機械的、熱的及び環境的ストレスを絶えず受けている。かかるストレスは、それらを劣化させて、結果としてそれらの寿命を短縮する傾向がある。一例として、変圧器において、電源電力が切断された後、残留磁気により鋼製コア（磁芯）に静磁界が保持される。電源電力が再印加されたとき、残留磁界により高い突入電流が生じ、これは残留磁気の効果が低減するまで、通常は印加された交流電流の数サイクル後まで続く。長い架空送電線に接続された変圧器内のヒューズのような過電流保護装置は、太陽風による地磁気擾乱に起因した誘導電流から変圧器を保護することができない。かかる誘導電流は鋼製コアを飽和させて、変圧器保護装置の誤動作を引き起こすことがある。上記の装置における絶縁の劣化がそれらの装置の故障の主な因子であることが一般に認められている。

発電機、電動機及び変圧器のような電気機械のための絶縁系は、機械の性能を改善するために絶えず開発されている。電気絶縁に広く使用されている材料としては、ポリイミドフィルム、エポキシ−ガラス繊維複合材及びマイカテープが挙げられる。絶縁材料は一般に、雷サージ及びスイッチングサージのような電気機械についての様々な電気的厳しさに耐えることのできる機械的及び物理的特性を有する必要がある。さらに、絶縁系の望ましい特性には、極端な動作温度の変動に耐えること、及び長い設計寿命が含まれる。

上記の絶縁材料は、それらのそれぞれの複合絶縁降伏強度に基づいてそれらの導電を防止するような、本質的に一定の誘電率を有する。しかし、動作温度、環境、電圧ストレス、熱サイクル、及び雷及びスイッチングからの電圧サージのような特定の因子が、長期間にわたって絶縁材料を劣化させ、従ってそれらの有効寿命又は運転寿命を短くする。
米国特許第５１１３１０４号明細書 米国特許第５３８２８６２号明細書 米国特許第５７１０４７５号明細書 米国特許第６３１７９６２号明細書 米国特許第６６６３８１６号明細書 米国特許第６７７８０５３号明細書 米国特許第６８６４６６７号明細書 米国特許第７０７３２４７号明細書 米国特許出願公開第２００５／００７２５９２号明細書

従って、上述の問題を解決し且つ工業用途での現在の要求を満たす絶縁系を提供することが望ましい。

本発明の一の態様では、電気機械を提供する。この電気機械は、導電性材料で作られた巻線を含む。電気機械はまた、巻線の少なくとも一部の周囲に配設された、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を含む。

本発明の別の態様では、電気機械の巻線を提供する。巻線は、電圧の関数として変化する誘電率を有する１以上のポリマー層を含むポリマー絶縁系を有する。

本発明の別の態様では、発電機を提供する。発電機は固定子を含む。発電機はまた、固定子で電流を発生させるように構成された回転子を含む。発電機はさらに、固定子の周囲に位置し且つ電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層で取り囲まれた複数の導体を含む巻線を含んでいる。

本発明の別の態様では、電気機械において絶縁を形成する方法を提供する。本方法は、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を巻線の少なくとも一部の周囲に配設する段階を含む。

本発明のこれらの及び他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳しい説明及び特許請求の範囲を読むことによって一層良く理解されよう。図面では、図面全体にわたって同様な要素は同じ参照符号で表す。

以下に詳しく説明するように、本発明の実施形態は、誘電特性が非線形又は変化する材料を使用する絶縁系を含む。本書で用いる用語「非線形」とは、電圧に伴って誘電率が不均一に変化することを表す。本書に開示する絶縁系は、特に限定されないが、回転電気機械のような高電圧で動作する機械に用いることができる。絶縁系は、高い電気的ストレスを受ける機械絶縁の場所で非線形誘電体の誘電率を増大させて、機械に対して望ましい電気的保護を提供することができるような、固有の適応特性を含む。電気的保護は、電気的ストレスを平滑化して局部的な電界強度を低減することにより得られる。非線形誘電体材料はまた絶縁系の熱伝導率を向上させ、これによって例えば、特に限定されないが、固定子バーシステムの銅から、外部の環境に除去し得る熱量を増すことができる。

ここで図面について説明すると、図１は、固定子１２及び回転子１４を含む交流発電機１０の概略図である。固定子１２は周囲巻線１６を有する。巻線１６は、図示の実施形態では、固定子巻線である。同様に、回転子１４は周囲巻線１８を有する。固定子巻線１６及び回転子巻線１８は絶縁に非線形誘電体材料を用いている。絶縁に使用できる非線形誘電体材料は、非限定的な例を幾つか挙げると、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、及びポリフッ化ビニリデン共重合体フィルムであり、これらには１種以上のナノ充填材を充填してもよい。特定の実施形態では、ナノ充填材として、特に限定されないが、ジルコン酸鉛、ハフニウム酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタン添加ジルコン酸錫酸チタン酸鉛、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム及びチタン酸バリウムストロンチウムのような、セラミック充填材が挙げられる。固定子１２は、電流源２０と、固定子巻線１６への電流を調整するために可変抵抗を有するポテンショメータその他の抵抗回路とによって、励振することができる。回転子１４は、回転子１４へ及びそれから電力を伝送するために複数のスリップリング２４を含むことができる。これらのスリップリング２４は、回転子１４への電気接続を行う複数のブラシ２６を含むことができる。

図２は、非線形誘電体絶縁材を有する回転電気機械の固定子２８の斜視図である。固定子２８は複数の固定子バー３０及び３２を含むことができ、これらの固定子バーは同一であってよく、また互いの上に配置することができる。固定子バー３０は複数の巻線３４を含むことができ、巻線は複数の導体３６とそれらの各々の間の非線形誘電体絶縁材層３８とを含む。現在考えられる実施形態では、固定子バー３０は中空絶縁導体３６の２つの列４０を含むことができ、これらの２つの列４０は垂直な非線形誘電体絶縁材層４２で離隔させてもよい。また、導体３６の各々の列４０の頂面４６及び底面４８に非線形誘電体絶縁材層４４も設けることができる。さらに導体３６の側面を、接地壁絶縁材５０を形成する非線形誘電体絶縁材層によって囲むことができる。現在考えられる実施形態では、導体３６を銅で作ることができる。一例では、接地壁絶縁材層の数は典型的には、個々の層の耐力及び導体３６に加えられている動作電圧のレベルとに依存して巻装され又は巻き付けられる非線形誘電体複合絶縁材の７層から１６層まで変えることができる。

特定の実施形態では、非線形誘電体絶縁材として、ガラス布、エポキシバインダ、マイカ紙及び粒度約５ｎｍ以上の充填材の混合複合材が挙げられる。充填材は、非限定的な例を幾つか挙げると、ミクロン充填材及びナノ充填材である。上述の通り、かかる充填材として、ジルコン酸鉛、ハフニウム酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタン添加ジルコン酸錫酸チタン酸鉛、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムストロンチウム及びニオブ酸鉛マグネシウムが挙げられる。別の例では、非線形誘電体絶縁材として、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、及びポリフッ化ビニリデン共重合体が挙げられる。マイカは、非限定的な例を幾つか挙げると、白雲母（muscovite）、金雲母（phlogopite）、アナンダイト（anandite）、鉄雲母（annite）、黒雲母（）biotite）及びバイタイト（bityte）がある。ガラス布は様々な織り密度にすることができる。ガラス布は、非限定的な例を幾つか挙げると、表１に示す通りである。

表には、様々な織り密度、重量、厚さ及び強度を有するガラス布を列挙した。第１の例のガラス布は、縦糸番手６０及び重量３３ｇ／ｍ^２ を有する平織の１０７６ガラス型の布である。同様に、他の例として、１０７０、６０６０、１０８０、１０８、１６０９及び１２８０ガラス型が含まれている。ガラスは、絶縁系のための機械的支持体として作用すると共に、最終的な複合システムの熱伝導率を改善する無機成分を複合材に付与する。マイカは、複合材のための一次絶縁体として作用する。エポキシバインダは、複合絶縁系の唯一の有機物であり、システムを一体に保持するための接着剤として作用する。さらに、非線形充填材が、絶縁系に非線形応答特性を与えると共に、複合材の熱伝導率を改善する。

充填材を絶縁複合材の中に取り込むために幾つかの方法がある。非限定的な例を幾つか挙げると、充填材とポリマーを押出して充填ポリマーシステムを形成する方法、充填材とポリマーを溶媒に分散させ、次いで溶媒を蒸発させてフィルムを形成する方法、及びスクリーン印刷又はディップコーティング法を使用して、ガラス布の縦糸繊維と横糸繊維の交差部に充填材を取り込む方法がある。さらに、例えば、特に限定されないが、充填材及びガラスについてのの３−グリシドオキシプロピルトリメトキシシランのようなシラン処理が、ガラス布及び最終複合材構造に対する充填材の望ましい付着に重要であることが判明した。充填材取込み方法の選択は絶縁複合材の最終構造に依存する。例えば、充填ポリマーフィルムでは、通常、押出又は溶媒分散を使用する。別の実施形態では、マイカ、ガラス布及びエポキシ樹脂のテープは、通常、ガラス布上へのスクリーン印刷又はディップコーティング法を使用する。

機械の運転中、導体３６の周囲の領域及び接地壁絶縁材層４４に電気的ストレスを生じることがある。非線形誘電体絶縁材は、電界の分布をより一様にすることができる。固定子バー外装５２により導体３６を遮蔽することができる。固定子バー３０はまた、側部リップルばね５４、楔本体５６及び楔摺動体５８を含むことができる。特定の実施形態では、固定子バー外装５２、側部リップルばね５４、楔本体５６及び楔摺動体５８は非金属であってよい。バー外装５２は、非限定的な一例を挙げると、導電性のために炭素粉末を含有する樹脂を含浸させたガラス繊維を含む。別の例では、バー外装５２は、炭素粉末を含有する樹脂を含浸させたポリエステル繊維を含むことができる。側部リップルばね５４に用いられる材料は、非限定的な一例を挙げると、炭素粉末を含有する樹脂を含浸させたガラス繊維である。側部リップルばね５４、楔本体５６及び楔摺動体５８の周囲の領域は、有意な大きさの電気的ストレスを受ける虞が少ない。固定子バー３２及び３４は回転電気機械の金属コアによってさらに取り囲むことができる。

図３は、図２の固定子バー３０の断面図であって、非線形誘電体材料の絶縁層を例示する。固定子バー３０は、図２に関して述べたように、中空の導体３６の２つの列４０を含むことができる。これらの列４０は、図２に関して述べたように、垂直な非線形誘電体絶縁材層４２で互いに離隔させることができる。この垂直な層４２はまた垂直セパレータとも呼ぶことができる。導体３６は、図２に関して述べたように、非線形誘電体絶縁材層３８によって互いから絶縁することができる。層３８はまた、ストランド絶縁材とも呼ぶことができる。さらに、頂部の非線形誘電体絶縁材層６４及び底部の非線形誘電体絶縁材層６６を、図２に関して述べたように導体３６の各々の列４０の頂面及び底面に設けることができる。これらの頂部の層６４及び底部の層６６はまた、転置充填材と呼ぶことができる。また、非線形誘電体絶縁材層７０を導体３６の側面に設けることができる。

図４は、図２の電気導体３６の角部８０にかかる電界ストレスの模範的な概略図である。角部８０は、図３に関して述べたように、非線形誘電体絶縁材層６４及び非線形誘電体絶縁材層７０を含むことができる。角部８０は、運転中に最大の電界ストレスを受けることのある導体３６上の領域である。かかる電気的ストレスを低減することは望ましい。電気的ストレスを低減すると、機械の電圧定格を増大することができる。非線形誘電体絶縁材層６４及び７０は角部８０における電界を一様に分布させて、電界の不均一な分布に起因して生じていたストレスを最小にするようにする。角部８０における電界ストレスが増大するに伴って、非線形誘電体層６４及び７０は対応的に適応して、従来の一様な誘電強度材料を使用した場合に存在するものよりも一層一様な電界分布８２を角部８０付近に生じさせて、導体３６を潜在的な電気的損傷から保護するようにする。

本発明の別の例示の実施形態では、電気機械内に絶縁を施す方法８４を提供することができる。電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を、段階８６で巻線の少なくとも一部の周囲に配設することができる。特定の実施形態では、絶縁層は約０．５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することができる。別の実施形態では、絶縁層はマイカ、エポキシ樹脂、ガラス布及びセラミック充填材で作ることができる。さらに別の実施形態では、ガラス布及びセラミック充填材はシランで被覆することができる。現在考えられる実施形態では、セラミック充填材はスクリーン印刷又はディップコーティング法でガラス布に付着させることができる。

また絶縁系の熱伝導率の改善は、新しい高エネルギ密度の装置の設計に不可欠な特性である。熱拡散が向上した絶縁系は、高エネルギ密度の電気機械で発生することのある、絶縁系に有害な過剰な熱を除去する。無機材料及びガラスは有機系よりも高い熱伝導率を有する。一例では、エポキシ樹脂系はほぼ０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を持ち、また典型的な無機酸化物は１０〜２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。無機窒化物はさらに高い伝導率を有する。非限定的な例を幾つか挙げると、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム及び熱伝導率５５Ｗ／ｍＫの窒化硼素である。このように、無機化合物の追加と混合物中の全有機成分の低減とにより、複合絶縁系の熱伝導率が改善される。一例では、ベースのエポキシ、ガラス布、マイカの絶縁複合材の熱伝導率は、ガラスの種類及び樹脂の含有量に依存して０．２５〜０．３５Ｗ／ｍＫである。前に述べた非線形酸化物の追加により、充填エポキシ、ガラス布、マイカの絶縁複合材の熱伝導率を約０．５Ｗ／ｍＫ以上にすることができる。

以下に述べる実施例は単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

図５は、電界強度の関数として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムの誘電率を、充填材を含む場合と含まない場合と比較して示すグラフ９０である。Ｘ軸９２は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）を表す。Ｙ軸９４はＰＶＤＦフィルムの誘電率を表す。曲線９６は、充填材がない場合のＰＶＤＦフィルムの誘電率を表す。図に示すように、誘電率は電界強度に伴って大きく変化しない。曲線９８は、２０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含むＰＶＤＦフィルムの誘電率を表す。同様に、曲線１００、１０２及び１０４は、２０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合、４０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含む場合、及び４０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合のＰＶＤＦフィルムの誘電率をそれぞれ電界強度の関数として表す。図から明らかなように、４０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材の場合、誘電率は、電界強度の関数として約３０からピークの約８０まで大幅に増大する。従って、ＰＶＤＦフィルム中にナノ充填材を加えると、電界強度による誘電率の変化が増大して、電界ストレスの変動に対する絶縁系の適応性が向上する。

図６は、非線形誘電体絶縁材層を有する図２の導体３６からの距離の関数として、図４の角部８０における電界分布を示すグラフ１１０である。Ｘ軸１１２は、導体３８から非誘電体絶縁材層を通る距離（ｍｍ）を表す。Ｙ軸１１４は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）を表す。曲線１１６から判るように、電界は導体３６からの距離に対して１０ｋＶ／ｍｍで安定である。静電学では、誘電率と電界の積は、電位差と媒体の誘電特性とに左右される。もし誘電率が一定に保たれた場合、導電素子に隣接した表面上の局部的電界は、その比較的小さい面積に起因して非常に高くなるであろう。電界は次いで減少していって、接地電位にある絶縁材の最も外側の表面で最小値に達するであろう。しかし、誘電率が電界によって増大する場合、この補償効果により図示のように材料全体にわたって強制的に一様性が与えられるであろう。従って、非線形誘電体絶縁材層は導体内に大体一様な電界分布を与えて、導体に対する電気的損傷のおそれを解消又は低減する。

本発明の特定の特徴のみを例示し説明したが、当業者には種々の修正及び変更をなし得よう。従って、特許請求の範囲が本発明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変更を包含するものとして記載してある。

本発明に従って絶縁に非線形の又は変化する誘電体材料を用いる巻線を有する固定子及び回転子を含む交流発電機の概略図である。 本発明に従った非線形誘電体絶縁系を含む回転電気機械の固定子バーの斜視図である。 本発明に従った図２の非線形誘電体絶縁系の断面図である。 電気的ストレスを受ける図２の固定子バー中の導体の角部の概略図である。 本発明に従って電気機械内に及び巻線で使用することのできるようなポリフッ化ビニリデンフィルムの誘電率を、電界強度の関数として、充填材を含む場合と含まない場合と比較して示すグラフである。 図４の角部付近の電界強度を示すグラフである。

符号の説明

１０ 発電機
１２ 固定子
１４ 回転子
１６ 固定子巻線
１８ 回転子巻線
２０ 電流源
２２ ポテンショメータ又は抵抗回路
２４ スリップリング
２６ ブラシ
２８ 固定子
３０ 固定子バー
３２ 固定子バー
３４ 巻線
３６ 導体
３８ 非線形誘電体絶縁材層
４０ 中空絶縁導体の列
４２ 垂直な非線形誘電体絶縁材層
４４ 非線形誘電体絶縁材層
４６ 頂面
４８ 底面
５０ 接地壁絶縁材
５２ 固定子バー外装
５４ 側部リップルばね
５６ 楔本体
５８ 楔摺動体
６０ 金属コア
６４ 頂部の非線形誘電体絶縁材層
６６ 底部の非線形誘電体絶縁材層
７０ 側面の非線形誘電体絶縁材層
８０ 角部
８２ 電界分布
９０ ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムの誘電率を示すグラフ
９６ 充填材がない場合の曲線
９８ ２０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含む場合の曲線
１００ ２０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合の曲線
１０２ ４０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含む場合の曲線
１０４ ４０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合の曲線
１１０ 角部８０における電界分布を示すグラフ
１１６ 曲線

Claims (10)

1. 導電性材料で作られた巻線（３４）と、
   巻線の少なくとも一部の周囲に配設された、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層（３８）と、
   を備える電気機械。
2. 絶縁層（３８）がポリマー複合材を含む、請求項１記載の電気機械。
3. 絶縁層（３８）が１種以上のナノ充填材を含む、請求項１記載の電気機械。
4. 電圧の関数として変化する誘電率を有する１以上のポリマー層を含むポリマー絶縁系を備える、電気機械の巻線（３４）。
5. 絶縁層（３８）が約０．５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する、請求項４記載の巻線（３４）。
6. 固定子（２８）と、
   固定子（２８）において電流を発生させるように構成された回転子（１４）と、
   固定子（２８）の周囲の複数の導体（３６）からなる巻線（１６）であって、導体（３６）が電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層（３８）で取り囲まれている巻線（１６）と、
   を備える発電機（１０）。
7. さらに、絶縁層（３８）で取り囲まれた複数の導体（３６）を含む巻線（１６）を回転子（１４）の周囲に備える、請求項６記載の発電機（１０）。
8. 絶縁層（３８）が固定子（２８）内の複数の導体（３６）の間に配設されている、請求項６記載の発電機（１０）。
9. 絶縁層（３８）が固定子（２８）内の複数の導体（３６）の複数の列（４０）の間に垂直に配設されている、請求項６記載の発電機（１０）。
10. 電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を巻線の少なくとも一部の周囲に配設することを含んでなる、電気機械において絶縁を形成する方法。

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