JP2017060321A - 回転電機コイルおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力による材料の剥離を必要十分に防止し、導体角部における機械応力を緩和する。【解決手段】実施形態における回転電機コイルは、角部を有する導体と、主絶縁層と、導体と主絶縁層との間に配置される半導電部材と、導体と半導電部材との間に配置され、導体の角部における弾性率が１００ＭＰａ以下である応力緩和部材とを有する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、回転電機コイルおよび回転電機に関する。

高電圧回転電機の鉄心の内径側に形成されたスロットに収納される固定子コイルでは、運転温度が高く、かつ回転電機の起動や停止が頻繁に繰り返されることにより、固定子コイルの例えば金属材料と絶縁材料との間の線膨張係数の差に起因する熱応力が発生することで、これらの材料が剥離する可能性がある。剥離する可能性がある箇所としては、以下の５つが考えられる。すなわち、（１）鉄心と固定子コイルとの間、（２）スロットと外部コロナ防止層との間、（３）外部コロナ防止層と主絶縁層との間、（４）主絶縁層の内部の間隙、（５）主絶縁層と内部コロナシールドとの間、および（６）内部コロナシールドと導体との間などが考えられる。

（２）スロットと外部コロナ防止層との間については、半導電性を有する外部コロナ防止層が、上記の剥離した部分以外で鉄心と電気的に接続されていれば、コイル側の電位を接地された鉄心の電位付近に維持することができるため、コロナ放電発生による損傷を回避できる。

また、（１）鉄心と固定子コイルとの間、（３）外部コロナ防止層と主絶縁層との間、および（４）主絶縁層の内部の間隙、での各剥離対策については、積極的に剥離を生じさせて熱応力を緩和させつつも電気的な接続を維持するために導電性四フッ化エチレンテープを用いる方法、および両者の熱応力を緩和する材料を用いることで剥離自体を防止する方法、および主絶縁層表面とスロット内面ともに半導電層を設けて電気的接続を実現する方法などがある。

特開昭５６−８３２３７号公報 特許第３２８４５９３号公報 特開平９−１４９５７８号公報 特開平９−１８２３４３号公報

上記のような方法は、以下のような課題を有している。
これらの方法では、前述の剥離の課題のうち、（１）鉄心と固定子コイルとの間、（２）スロットと外部コロナ防止層との間、（３）外部コロナ防止層と主絶縁層との間、および（４）主絶縁層の内部の間隙、での剥離対策は可能となるものの、（５）主絶縁層と内部コロナシールドとの間、および（６）内部コロナシールドと導体との間、での剥離対策は不十分である。上記の（１）ないし（４）の課題が解決されたとしても、他の部分で剥離が生じることになれば、最終的に絶縁対策が必要十分になされているとは言い難い。

また、鉄心長の長い固定子コイルや、可変速揚水発電電動機の回転子コイルにおいては、鉄心端部において、熱伸びにより圧縮応力とせん断応力とが絶縁層に負荷される。その際は上記対策の効果は不十分であり、剥離が生じる可能性がある。さらには、導体角部における応力集中により、絶縁層にクラック等が導入され、地絡にいたる恐れがある。

以上の課題を解決するため、上記の（５）主絶縁層と内部コロナシールドとの間、および上記の（６）内部コロナシールドと導体との間、での剥離を解決するとともに、導体角部における応力を緩和する方法が必要である。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、熱応力による材料の剥離を必要十分に防止し、導体角部における機械応力を緩和することが可能な回転電機コイルおよび回転電機を提供することである。

実施形態における回転電機コイルは、角部を有する導体と、主絶縁層と、前記導体と前記主絶縁層との間に配置される半導電部材と、前記導体と前記半導電部材との間に配置され、前記導体の角部における弾性率が１００ＭＰａ以下である応力緩和部材とを有する。

本発明によれば、熱応力による材料の剥離を必要十分に防止し、導体角部における機械応力を緩和することができる。

一般的な固定子コイルの内部構造を模式的に示した図。 一般的な固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図。 実施形態における固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図。 実施形態における固定子コイルの誘電損失特性の一例をグラフ形式で示した図。 実施形態における固定子コイルの誘電損失特性の一例を表形式で示した図。 実施形態における固定子コイルの表面に摺動応力緩和層を設けた場合の内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（構成）
この実施形態は、例えば誘導電動機や発電機などの高電圧回転電機の鉄心の外周側のスロットに収納可能であって、楔によりスロットに固定可能である固定子コイルに関する。上記の固定子コイルの樹脂含浸方式は、真空加圧含浸（ＶＰＩ（Vacuum Pressure Impregnation））絶縁方式と、レジンリッチ（ＲＲ（resin-rich））絶縁方式とに大別される。本実施形態では、より環境負荷の低いレジンリッチ（ＲＲ）絶縁方式を用いてコイルを製造する。

図１は、一般的な固定子コイルの内部構造を模式的に示した図である。図２は、一般的な固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図である。
図１、図２に示すように、一般的には、固定子コイル１０は、導体４にコロナ放電防止のための内部コロナシールド３、主絶縁層２の順で積層されることで構成される。

図３は、実施形態における固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図である。
図３に示すように、本実施形態では、上記の導体４と内部コロナシールド３との間、および内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に応力緩和層（応力緩和材料）８がそれぞれ設けられる。この応力緩和層８は、導体４と内部コロナシールド３との間のみに設けてもよい。

本実施形態にかかる応力緩和材料としては、（Ａ）シート状材料、（Ｂ）テープ状材料、（Ｃ）塗料状材料（コーティング材料）などが挙げられる。なお、本実施形態では、（Ａ）シート状材料は、幅の広く薄い紙状の材料であると定義し、（Ｂ）テープ状材料は、幅が狭く薄い帯状の材料であると定義し、（Ｃ）塗料状材料は、種々の塗装方法により表面に塗って用いる材料であると、それぞれ定義する。

（Ａ）シート状材料としては、高い耐熱性を有するシートで、シリコーン基材のシートの両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料などが挙げられる。

（Ｂ）テープ状材料としては、高い耐熱性を有するテープで、（Ａ）シート状材料と同様に、シリコーン基材のテープの両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料などが挙げられる。
（Ｃ）塗料状材料としては、高い耐熱性を有する塗料で、加熱あるいは常温で所定時間処理すれば硬化できる材料などが挙げられる。

（方法）
次に、実施形態における固定子コイルの製造方法について説明する。
まず、導体となる銅製の導線を用い、所定の長さに切断した後、両端の絶縁被覆を取り除く。その後に導線を所定本数束ねて、レーベル転位（Roebel Tranposition）の工程を経てコイルとする。次いでヒートプレスによりコイルを成型し、このコイルをインボリュート（involute）型に成型することで、固定子コイル１０の、角部を有する導体４とする。

この後、導体４の周りに対する、半導電性を有する内部コロナシールド３の設置、テーピングマシンによる主絶縁層２のテーピング、および半導電性を有する外部コロナ防止層（図示せず）のテーピングを行なう。次いで、スチール製の当て板とラミネートを設置し、レジンリッチ絶縁方式による樹脂含浸処理でコイル同士を接合させることで、固定子コイル１０が完成する。

ここで、本実施形態では、導体４の周りに対する内部コロナシールド３の設置の前、およびこの内部コロナシールド３の周りに対する主絶縁層２のテーピングの前に、応力緩和層８をそれぞれ設ける。つまり、導体４と内部コロナシールド３との間と、内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に応力緩和層８がそれぞれ設けられる。

ここで、導体４と内部コロナシールド３との間の応力緩和層８の材料は、固定子コイル１０の導体４の角部における機械応力を緩和できるように、導体４の角部における弾性率が１００ＭＰａ（メガパスカル）以下である材料とする。

応力緩和層８が上記の（Ａ）シート状材料である場合について説明する。このシート状材料に粘着層がある場合は、この粘着層を介して導体４や内部コロナシールド３を覆うように応力緩和層８を設置する。また、シート状材料に粘着層がない場合は、このシート状材料を設置面に当てた状態で所定のテーピング材料でテーピングすることにより応力緩和層８を設置する。
応力緩和層８が上記の（Ｂ）テープ状材料である場合は、テーピングマシンあるいは手巻きによって当該応力緩和層８を設置できる。

応力緩和層８が上記の（Ｃ）塗料状材料である場合は、この材料をハケ、スプレー等を用いて内部コロナシールド３の周りや主絶縁層２の周りの全体に塗布することによって当該応力緩和層８が設置可能である。

これらの工程を経て応力緩和層８を設置した後、通常の工程通り、内部コロナシールド３の設置や、テーピングマシンによる主絶縁層２のテーピングを経て、外部コロナ防止層のテーピングの工程に入る。これ以前およびこれ以降の工程は、固定子コイルの製造の一般的な工程と同様である。
上記のような工程を経て、固定子コイル１０が製造される。

（作用）
次に、実施形態における応力緩和層８および摺動応力緩和構造の作用について説明する。
上記の材料のうちのいずれか１つ、あるいはこれらの組み合わせからなる材料を導体４と内部コロナシールド３との間に配置することにより、導体４と内部コロナシールド３との間での剥離を防止することができる。

また、上記の材料のうちのいずれか１つ、あるいはこれらの組み合わせからなる材料を内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に配置することにより、内部コロナシールド３と主絶縁層２との間での剥離を防止することができる。

図４は、実施形態における固定子コイルの誘電損失特性の一例をグラフ形式で示した図である。図５は、実施形態における固定子コイルの誘電損失特性の一例を表形式で示した図である。
上記の固定子コイル１０をスロットに収納したときの上面（スロット開口部側）と下面（開口部側の反対側）との間の方向に沿って３０ＭＰａの圧縮荷重をかけた後に、印加電圧に対する誘電損失（ｔａｎδ）特性を測定した。その結果、図４および図５に示すように、応力緩和層８を設置していない場合と比較し、応力緩和層８を設置した場合では良好な誘電損失特性が得られた。

図６は、実施形態における固定子コイルの表面に摺動応力緩和層を設けた場合の内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図である。
また、本実施形態では上記の応力緩和層８とは別に、固定子コイル１０をスロットに収納したときのスロット開口部付近における主絶縁層２の表面（外部コロナ防止層を設けたときはその表面）に摺動応力緩和層２０を設ける構造とすることができる。この摺動応力緩和層２０は、積層板１２と弾性体１３とを有し、積層板１２の表面に摺動摩耗特性に優れたコーティング層１１を設け、主絶縁層２の表面からみて弾性体１３、積層板１２、コーティング層１１の順で積層された構造である。

また、上記のように摺動応力緩和層２０を設けた固定子コイル１０について摺動摩耗試験を行なった結果、摺動応力緩和層２０を設けない場合と比較して良好な摩耗特性が得られた。

上記の摺動応力緩和層２０のコーティング層１１の摩擦係数は０．３以下であることが望ましく、特に摩擦係数が０．１以下であることが望ましい。このような理由から、コーティング層１１は、例えばダイヤモンドライクカーボン（diamond-like carbon（ＤＬＣ））であることが望ましい。

（効果）
以下に、応力緩和層８を設置したことによる効果について記載する。
一般的には、導体４、内部コロナシールド３、主絶縁層２とでは線膨張係数が異なる。線膨張係数はαで表され、１ｍ当たり１℃温度上昇するとαμｍ伸びる係数である。導体４、内部コロナシールド３、主絶縁層２で線膨張係数が異なることで、加熱や冷却の過程で、それぞれの伸び縮みの長さが異なることで剥離が生じうる。
そこで、本実施形態では導体４と内部コロナシールド３との間、および内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に応力緩和層８を配置することで、熱による伸び縮みで生じる応力を吸収し、剥離を防止することができる。

また、固定子コイルの導体４と内部コロナシールド３との間の応力緩和層８の材料を、導体４の角部における弾性率が１００ＭＰａ（メガパスカル）以下である材料とすることで、固定子コイルの導体４の角部における機械応力を緩和することができる。

さらに、固定子コイル１０をスロットに収納したときのスロットの開口部付近の表面に対して摺動応力緩和層２０を設けることで、運転中の熱伸びによりコイル鉄心端部における摺動摩耗を抑制し、長期の運転においても信頼性の高い回転電機コイルを提供することができる。

実施形態における回転電機コイルは、上記の固定子コイルに限らず、例えば可変速揚水回転電機の回転子コイルなどとして用いることも可能である。

なお、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…主絶縁層、３…内部コロナシールド、４…導体、８…応力緩和層、１０…固定子コイル、１１…コーティング層、１２…積層板、１３…弾性体、２０…摺動応力緩和層。

Claims (4)

1. 角部を有する導体と、
   主絶縁層と、
   前記導体と前記主絶縁層との間に配置される半導電部材と、
   前記導体と前記半導電部材との間に配置され、前記導体の角部における弾性率が１００ＭＰａ以下である応力緩和部材とを備える
   ことを特徴とする回転電機コイル。
2. 回転電機の鉄心に形成されたスロットに収納したときの前記スロットの開口部付近の前記主絶縁層の表面に対して摺動応力緩和部材を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機コイル。
3. 前記摺動応力緩和部材は、ダイヤモンドライクカーボンを含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機コイル。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転電機コイルを備えたことを特徴とする回転電機。