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図面 (5)

課題

回転電機コイル熱応力による材料の剥離を必要十分に防止する。

解決手段

実施形態における回転電機コイルは、導体と、主絶縁層と、導体と主絶縁層との間に配置される内部コロナシールドと、導体と内部コロナシールドとの間に配置される熱応力緩和層とを有する。

概要

背景

高電圧回転電機鉄心内径側に形成されたスロット収納された固定子コイルでは、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、コイル側電位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。

概要

回転電機コイルの熱応力による材料の剥離を必要十分に防止する。実施形態における回転電機コイルは、導体と、主絶縁層と、導体と主絶縁層との間に配置される内部コロナシールドと、導体と内部コロナシールドとの間に配置される熱応力緩和層とを有する。

目的

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することが可能な回転電機コイル、回転電機、および回転電機コイルの製造方法を提供する

効果

実績

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請求項1

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内部コロナシールドと、前記導体と前記内部コロナシールドとの間に配置される熱応力緩和層とを備えることを特徴とする回転電機コイル

請求項2

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内部コロナシールドと、前記内部コロナシールドと前記主絶縁層との間に配置される熱応力緩和層とを備えることを特徴とする回転電機コイル。

請求項3

前記熱応力緩和層が、複数の層からなることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の回転電機コイル。

請求項4

前記熱応力緩和層が、シート状材料あるいはテープ状材料あるいは塗料状材料であり、あるいはこれらのいずれかの組み合わせからなることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の回転電機コイル。

請求項5

前記シート状材料あるいは前記テープ状材料が、ゴムからなることを特徴とする請求項4に記載の回転電機コイル。

請求項6

前記シート状材料あるいは前記テープ状材料が、ゲルからなることを特徴とする請求項4に記載の回転電機コイル。

請求項7

前記シート状材料あるいは前記テープ状材料が、シリコーンを含む材料であることを特徴とする請求項4に記載の回転電機コイル。

請求項8

前記塗料状材料が、シリコーンマトリックスからなることを特徴とする請求項4に記載の回転電機コイル。

請求項9

前記塗料状材料が、溶剤を含む材料であることを特徴とする、請求項4または請求項8に記載の回転電機コイル。

請求項10

前記熱応力緩和層が、線膨張係数が異なる2種類の材料が積層されてなり、かつ前記2種類の材料同士が耐熱性接着剤接着されたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の回転電機コイル。

請求項11

請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の回転電機コイルを具備したことを特徴とする回転電機

請求項12

回転電機コイルを製造する方法であって、導体と主絶縁層との間に内部コロナシールドを配置し、前記導体と前記内部コロナシールドとの間に熱応力緩和層を配置したことを特徴とする回転電機コイルの製造方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、回転電機コイル回転電機、および回転電機コイルの製造方法に関する。

背景技術

0002

高電圧回転電機の鉄心内径側に形成されたスロット収納された固定子コイルでは、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。

0003

(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、コイル側電位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。

0004

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。

先行技術

0005

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

発明が解決しようとする課題

0006

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。

0007

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方法が必要である。

0008

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することが可能な回転電機コイル、回転電機、および回転電機コイルの製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0009

実施形態における回転電機コイルは、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内部コロナシールドと、前記導体と前記内部コロナシールドとの間に配置される熱応力緩和層とを有する。

0010

実施形態における回転電機コイルは、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内部コロナシールドと、前記内部コロナシールドと前記主絶縁層との間に配置される熱応力緩和層とを有する。

発明の効果

0011

本発明によれば、回転電機コイルの熱応力による材料の剥離を必要十分に防止することができる。

図面の簡単な説明

0012

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表形式で示す図。

実施例

0013

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、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。

0014

上記の固定子コイルにおいて、その樹脂含浸方式は、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。

0015

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。

0016

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との間に熱応力緩和層(熱応力緩和材料)8がそれぞれ設けられる。この熱応力緩和層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し、内部コロナシールド3と主絶縁層との間のみに設けてもよい。

0017

本実施形態にかかる熱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。

0018

(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。

0019

(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。

0020

(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。

0021

上記のシート状材料やテープ状材料は、ゴムからなる材料でもよいし、ゲルからなる材料でもよい。また、上記の塗料状材料は、シリコーンマトリックスからなる材料でもよいし、溶剤を含む材料でもよい。

0022

(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、スチール製当て板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。

0023

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、熱応力緩和層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との間に熱応力緩和層8がそれぞれ設けられる。

0024

熱応力緩和層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を覆うように熱応力緩和層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熱応力緩和層8を設置する。

0025

熱応力緩和層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熱応力緩和層8を設置できる。
熱応力緩和層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コイルの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熱応力緩和層8が設置可能である。

0026

これらの工程を経て熱応力緩和層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。

0027

また、この熱応力緩和層8は、線膨張係数が異なる2種類の材料を耐熱性接着剤接着して積層するように構成してもよい。例えば、線膨張係数が異なる2種類の材料でなる熱応力緩和層8を導体4と内部コロナシールド3との間に設ける場合は、この熱応力緩和層8における、導体4側に接する材料の線膨張係数を導体4の線膨張係数に合わせ、内部コロナシールド3に接する材料の線膨張係数を内部コロナシールド3の線膨張係数に合わせることが望ましい。
このように、熱応力緩和層8を線膨張係数の異なる2種類の材料で構成することで、この熱応力緩和層8おける、導体4や内部コロナシールド3に接する材料の線膨張係数を導体4や内部コロナシールド3の線膨張係数に合わせることができ、熱応力の緩和の効果を向上させることができる。線膨張係数が異なる2種類の材料でなる熱応力緩和層8を内部コロナシールド3と主絶縁層2の間に設ける場合も同様である。

0028

(作用)
次に、実施形態における熱応力緩和層8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との間および内部コロナシールド3と主絶縁層2との間にそれぞれ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、および内部コロナシールド3と主絶縁層2との間での剥離をそれぞれ防止することができる。

0029

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。

0030

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表形式で示す図である。
上記の固定子コイル10を用いて、誘電損失(tanδ)特性を測定した。図4では、熱応力緩和層8が無い場合、および熱応力緩和層8が有る場合における、固定子コイル10の誘電損失(tanδ)特性の比較を示す。ここでは、水車発電機用コイルを用い、誘電損失(tanδ)特性は、熱応力緩和層無しのコイル(コイルの数n=3)および熱応力緩和層有りのコイル(n=4)のそれぞれについて、ヒートサイクルが500回となった後の0.6Un−0.2Unで求められる差(Δ1)の平均値を記載した。ここで、Unとは水車発電機の定格電圧のことであり、例えば15kVである。ここでは、上記Δ1の平均値を誘電損失(tanδ)とした。また、図4では、Δ1のバラツキ範囲最大値最小値)を併記した。

0031

図4に示した結果から、熱応力緩和層8を設置することで、固定子コイル10の誘電損失(tanδ)を約0.12倍に低減できることがわかる。誘電損失が約1/10に低減されるということは、大幅な低減であることを意味する。

0032

(効果)
以下に、熱応力緩和層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。

0033

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との間に熱応力緩和層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。

0034

また、高熱伝導絶縁材料を主絶縁層2として用いた場合は、熱応力緩和層8を介して放熱特性を向上させることも可能にするため、熱応力緩和層8を放熱材料として用いることも可能である。

0035

本実施形態では、熱応力緩和層8がシート状またはテープ状材料である場合の材料としてシリコーンを含む材料を用いたが、これはシリコーンが高い接着強度、高い耐熱性、高い柔軟性を兼ね備えているためである。ただし本実施形態の熱応力緩和層8の構成は、シリコーンを含む材料に限るものではなく、上記の高い接着強度、高い耐熱性、高い柔軟性を有する材料ならば他の材料でも適用可能である。

0036

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。

0037

2…主絶縁層、3…内部コロナシールド、4…導体、8…熱応力緩和層、10…固定子コイル。

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