CN109075644A - 电晕放电防止结构制造方法、电晕放电防止结构及旋转电机 - Google Patents

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武良光太郎
竹野正宏
津田敏宏
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Abstract

本发明提供一种将绝缘对象物的外表面覆盖的电晕放电防止结构的制造方法，其具有以下步骤：制造在高分子聚合物中添加有导电性粉末及非导电性纳米粒子的电晕放电防止带的带制造步骤(S10)；在绝缘对象物上卷绕主绝缘带的主绝缘步骤(S20)；和在卷绕了主绝缘带的绝缘对象物的外表面卷绕电晕放电防止带的卷绕步骤(S30)。带制造步骤(S10)也可以具有：在高分子聚合物中添加导电性粉末及非导电性纳米粒子而生成混合剂的混合剂生成步骤(S11)、在纤维强化布上涂布混合剂的涂布步骤(S12)、加热干燥步骤(S13)及剪断步骤(S14)。

Description

电晕放电防止结构制造方法、电晕放电防止结构及旋转电机
技术领域
本发明涉及电晕放电防止结构制造方法、电晕放电防止结构及使用了电晕放电防止结构的旋转电机。
背景技术
对绝缘体施加电场会产生不均匀电场部分，若该部分的电场超过绝缘强度极限电压，则在该部分中产生局部破坏。若该局部破坏发展成树枝状，则成为电树。关于电树，被认为电极与绝缘体之间的空气隙、和异物、绝缘体中的异物/突起物/空隙、特别是电晕放电防止层正下方的空隙等高电场集中部成为起点。
这里，所谓电晕放电防止层，在以特别高的电压部分作为对象的绝缘结构的情况下，是进一步从其外侧按照在云母绝缘带的重叠部分不产生空隙的方式为了防止电晕放电而将半导电体带卷绕在最外层的部分。
近年来，逆变器的利用取得进展，但就逆变器驱动电动机而言，由于反复地在包含逆变器浪涌的脉冲电压产生作用的状态下使用，有可能导致线圈导线的绝缘材料的寿命大幅地下降。因此，例如，对于额定电压3.3kV用的逆变器驱动电动机，不得不设定为使用通常的额定电压6.6kV用的绝缘那样的规格，在该情况下，不得不使用电晕放电防止带。
作为旋转电机中使用的导电体的绝缘结构的例子，例如线圈的导线通常被具有绝缘材料的绝缘体覆盖。这里，关于达到较高温度的导体，作为可耐受较高温度的绝缘等级高的绝缘材料使用了硅酸盐矿物的一种即云母的云母绝缘结构的情况较多。
关于这样的绝缘材料的非故障性，特别是关于电晕放电防止层的非故障性，例如有用于由国际电气标准会议(IEC：International Electrotechinical Commission)制定规定了用于防止事故的新的绝缘试验方法的国际规格的动向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2015/0101845号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
例如，在高压型绕线电动机中，较大地左右其绝缘寿命的是配置于定子铁芯的内部的主绝缘和匝间绝缘，但若有下述等问题，则会对电动机的可靠性造成较大的障碍，上述问题为产生配置于线圈表面的电晕放电防止层消失等大问题。对于它们，均大多使用了云母绝缘结构。
另外，就作为主绝缘的云母绝缘结构而言，大多通过将云母绝缘带用环氧树脂进行含浸来形成。云母绝缘带由云母和环氧玻璃层构成。通过在将像这样构成的云母绝缘带卷绕到线圈导体上之后，用环氧树脂含浸，从而进行利用云母绝缘结构的绝缘处理。
即使是包括最外层的电晕放电防止层在内进行了含浸处理的情况下，也由于电晕防止层位于最外层，所以在其周围产生空隙，该部分为容易产生放电、且期望耐受放电的材料的部分。
然而，由于环境空气中的湿存水等的影响，也存在没有像期待了抑制电晕放电的效果那样出现的情况。
本发明是基于这样的见解而进行的，目的是提高绝缘结构中的耐电晕放电特性。
用于解决技术问题的手段
为了达成上述的目的，本发明的特征在于，其是将绝缘对象物的外表面覆盖的电晕放电防止结构的制造方法，其具有以下步骤：制造在高分子聚合物中添加有导电性粉末及非导电性纳米粒子的电晕放电防止带的带制造步骤；在上述绝缘对象物上卷绕主绝缘带的主绝缘步骤；在卷绕了上述主绝缘带的上述绝缘对象物的外表面卷绕上述电晕放电防止带的卷绕步骤。
另外，本发明的特征在于，其是将绝缘对象物的外表面覆盖而防止该绝缘对象物中的电晕放电的电晕放电防止结构，其具有：施加于绝缘对象物的外表面的主绝缘部；沿着上述主绝缘部的外表面被卷绕成带状的纤维强化布；散布于上述纤维强化布内的导电性粉末；和散布于上述纤维强化布内的非导电性纳米粒子。
另外，本发明的特征在于，其是一种旋转电机，其具备：转子，具有沿轴向延伸的转子轴和设置于上述转子轴的径向外侧的转子铁芯；定子，具有在上述转子铁芯的径向外侧空出间隙而设置的圆筒状的定子铁芯和配置于多个槽内及上述定子铁芯的轴向外侧的定子绕组导体，所述多个槽在上述定子铁芯的内表面沿周向彼此空出间隔而形成并延伸至上述定子铁芯的轴向的两端；2个轴承，分别在上述转子轴的上述转子铁芯的轴向的两侧可旋转地轴支承上述转子轴；框，收纳上述转子铁芯及上述定子；主绝缘部，为了将上述定子导体电绝缘而施加于上述定子导体上；和电晕放电防止结构，施加于上述主绝缘部的外侧，上述电晕放电防止结构具有：沿着上述主绝缘部的外表面被卷绕成带状的纤维强化布；散布于上述纤维强化布内的导电性粉末；和散布于上述纤维强化布内的非导电性纳米粒子。
发明效果
根据本发明，能够使绝缘结构中的耐电晕放电特性提高。
附图说明
图1是表示实施方式的旋转电机的构成的纵向截面图。
图2是说明实施方式的绝缘结构及带卷绕导体的立体图。
图3是表示实施方式的绝缘结构制造方法的步骤的流程图。
图4是表示实施方式的绝缘结构制造方法中的电晕放电防止带的制造的步骤S11的状态的立截面图。
图5是表示实施方式的绝缘结构制造方法中的电晕放电防止带的制造的步骤S12及步骤S13的状态的立截面图。
图6是表示实施方式的绝缘结构的最终状态的截面图。
图7表示实施方式的旋转电机的绕线插入一体物的构成的纵向截面图。
图8是表示实施方式的绝缘结构制造方法中的步骤S50的前半的阶段的状态的立截面图。
图9是表示实施方式的绝缘结构制造方法中的步骤S50的后半的阶段的状态的立截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式的绝缘结构、绝缘结构制造方法及使用了其的旋转电机进行说明。这里，对于彼此相同或类似的部分标注共同的符号并省略重复说明。
以下，以将绝缘结构适用于旋转电机的定子绕组导体的情况为例进行说明，但绝缘对象物并不限定于定子绕组导体。即，只要是将被施加高电压的导体的外表面覆盖的绝缘结构，则能够适用。
图1是表示实施方式的旋转电机的构成的纵向截面图。旋转电机100具有转子10、定子20、将它们的径向外侧包围的框6及设置于框6的轴向的两侧的轴承托架7。
转子10具有沿长度方向延伸的转子轴11和设置于转子轴11的径向外侧的转子铁芯12。转子轴11在两端附近分别通过轴承5可旋转地轴支承。轴承5分别通过轴承托架7被固定支撑。
定子20具有在转子铁芯12的径向外侧空出间隙而配置的定子铁芯21和将定子铁芯21内贯通的定子绕组22。
沿着定子铁芯21的内表面，彼此在周向上空出间隔而形成有多个定子槽(未图示)至轴向的两端。在定子槽内配置有定子绕组22用的导体24(图2)。
图2是说明实施方式的绝缘结构及带卷绕导体的立体图。
构成定子绕组22的多个定子绕组导体24层叠有7体，其排列成2列，以14体形成层叠导体23。需要说明的是，层叠数为7体、列数为2列是例子，并不限定于它们，除7体以外，也可以是1列或者3列以上。对于各个定子绕组导体24，对其外侧施加匝间绝缘25，通过匝间绝缘25而被覆盖。因此，层叠导体23的外表面也通过匝间绝缘25而被覆盖。
在施加了匝间绝缘25的层叠导体23的外侧，作为主绝缘卷绕有主绝缘带40，在层叠导体23的外侧形成主绝缘部49，成为带卷绕导体50。
进一步在最外层卷绕有电晕放电防止带80。电晕放电防止带80是出于使定子铁芯21的电位与定子绕组导体24的表面相同、且抑制与定子铁芯21之间的放电的目的而使用的。
在将电晕放电防止带80卷绕成螺旋状的情况下，在图2中，示出了按照与上次的匝相邻的方式卷绕的情况，但也可以是按照部分重叠的方式进行卷绕的方法。
图3是表示实施方式的绝缘结构制造方法的步骤的流程图。
首先，制造电晕放电防止带80(步骤S10)。另外，将主绝缘带40卷绕于绝缘对象物即层叠导体23的周围(步骤S20)。在步骤S10及步骤S20后，在所卷绕的主绝缘带40的外表面，使用电晕放电防止带80进行绕带(步骤S30)。之后，将完成至电晕放电防止带80的卷绕的层叠导体23插入定子铁芯21中而装配成后述的绕线插入一体物90(图8)(步骤S40)。之后，将所装配的绕线插入一体物90放入含浸装置60中进行高分子聚合物的含浸(步骤S50)。
以下，对电晕放电防止带80的制造步骤S10的详细情况进行说明。
首先，准备在高分子聚合物84中混合有导电性粉末82及非导电性纳米粒子83的混合剂(步骤S11)。高分子聚合物84例如为不饱和聚酯树脂或者环氧树脂等。
图4是表示电晕放电防止带的制造的步骤S11的状态的立截面图。即，在贮存于容器87中的高分子聚合物84中添加导电性粉末82及非导电性纳米粒子83。一边添加，一边通过搅拌翼87a将高分子聚合物84进行搅拌。像这样操作，生成混合剂85(图5)。
需要说明的是，代替高分子聚合物84，也可以是将清漆等高分子聚合物84溶解于溶剂中而得到的物质。
另外，作为导电性粉末82，例如，可以使用炭黑。炭黑是直径为3nm到500nm左右的碳的微粒，在工业上被生产。需要说明的是，作为导电性粉末82，并不限定于炭黑，也可以是碳纳米管等其他导电性物质。通过在为绝缘材且为电介体的高分子聚合物84中混入导电性粉末82，从而制成例如100Ω·cm左右的低电阻体，能够使电位与铁芯相同，能够防止主绝缘与定子铁芯22间的放电。
纳米粒子据说一般包含至粒径为数百nm左右的粒子，本实施方式中使用的非导电性纳米粒子83设定为100nm以下的粒径的粒子、即数10nm左右以下的粒子。这里，将100nm以下的粒子称为纳米粒子。
作为非导电性纳米粒子83，例如可以使用非导电性物质即二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氮化硼(BN)等。
作为100nm以下的粒径的粒子的制法，有通过化学方法由更微细的粒子生长来进行制造的方法。或者，也可以将大于100nm的粒径的粒子粉碎来制造100nm以下的粒子。另外，为了防止高分子聚合物84内的凝聚，也可以进行表面修饰。
接着，在纤维强化布81上涂布混合剂85(步骤S12)。纤维强化布81例如为玻璃纤维布。图5是表示电晕放电防止带的制造的步骤S12及步骤S13的状态的立截面图。在容器87内生成的混合剂85内，浸渍纤维强化布81。其结果是，混合剂85附着在纤维强化布81的内部及表面。附着了混合剂85的纤维强化布81被辊89a、89b挤榨，过量的混合剂85滴下，被接受器87b回收而返回到容器87内。
接着，将附着了混合剂85的纤维强化布81通过辊89a、89b送到加热/干燥装置88中，通过加热/干燥装置88进行加热而使其干燥。其结果是，生成电晕放电防止纤维布86(步骤S13)。
接着，将电晕放电防止纤维布86切断成带状，制造电晕放电防止带80(图6)(步骤S14)。
图6是表示实施方式的绝缘结构的最终状态的截面图。在层叠导体23上，卷绕有2层主绝缘带40。进一步在其外侧卷绕有电晕放电防止带80。
电晕放电防止带80按照将主绝缘带40从外侧捆绑的方式被卷绕，以防止在所层叠的各个主绝缘带40彼此之间产生层叠方向的间隙。在电晕放电防止带80被卷绕后，如后述那样，成为整体地含浸有高分子聚合物84的状态。
图7是表示实施方式的旋转电机的绕线插入一体物的构成的纵向截面图。绕线插入一体物90具有定子铁芯21、定子绕组22及配置于它们的径向外侧的框6。
定子绕组22通过将带卷绕导体50(图2)收纳于多个槽(未图示)内之后进行接线来形成。槽在定子铁芯21的内侧表面按照沿周向空开间隔而延伸至定子铁芯21的轴向的两端的方式形成。
接着，进行高分子聚合物向绕线插入一体物90中的含浸、固化(步骤S50)。图8是表示绝缘结构制造方法中的步骤S50的前半的阶段的状态的立截面图。即，是表示抽真空步骤的状态的立截面图。具体而言，首先，将绕线插入一体物90收纳于含浸装置60的容器61内。需要说明的是，绕线插入一体物90的取出放入例如制成容器61能够上下分割且通过未图示的凸缘使上下结合那样的构成。
在将高分子聚合物供给配管63上的高分子聚合物供给阀63a及真空排气配管62上的真空排气阀62a关闭而将容器61设定为密闭状态后，例如，将与真空泵(未图示)连接的真空排气配管62上的真空排气阀62a打开，对容器61内进行抽真空。其结果是，被收纳于容器61内的绕线插入一体物90内的带卷绕导体50的主绝缘带40内的各空间部也被抽真空。
图9是表示步骤S50的后半的阶段的状态的立截面图。在容器61内被抽真空后，关闭真空排气配管62上的真空排气阀62a，打开高分子聚合物供给配管63上的高分子聚合物供给阀63a，将含浸用高分子聚合物47供给到容器内。含浸用高分子聚合物44的供给进行至带卷绕导体50充分地浸渍于含浸用高分子聚合物44中。高分子聚合物44例如为不饱和聚酯树脂或者环氧树脂等。
一旦成为绕线插入一体物90充分地浸渍于含浸用高分子聚合物44中的状态，就由高分子聚合物供给配管63将加压气体65供给到容器61内，将容器61内加压。这里，加压气体65使用与含浸用高分子聚合物44没有反应性的例如不活泼性气体等。其结果是，含浸用高分子聚合物44渗透至主绝缘带40内、主绝缘带40彼此的间隙、及主绝缘带40与电晕放电防止带80的间隙。之后，使含浸的高分子聚合物固化。固化在高分子聚合物为环氧树脂等热硬化性树脂的情况下通过加热等使其升温来进行。
通过以上的步骤，制造了在纤维强化布81内散布有导电性粉末82及非导电性纳米粒子83的电晕放电防止带80。由于在电晕放电防止带80内，散布有导电性粉末82，所以具有半导电性。另外，通过非导电性纳米粒子83散布，在万一引起电晕放电的情况下也通过有纳米粒子而耐电晕放电特性提高。
另外，该部分为容易产生放电、且期望耐受放电的材料的部分，但在使非导电性纳米粒子83混在于高分子聚合物84中的情况下，在耐热性提高的基础上耐放电特性也提高。
如上所述，根据本实施方式，能够得到绝缘结构中的耐电晕放电特性提高等效果。
[其他实施方式]
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式是作为例子提出的，并不意图限定发明的范围。进而，实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。
实施方式和其变形包含于发明的范围或主旨中，同样地包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。
符号的说明
5 轴承
6 框
7 轴承托架
10 转子
11 转子轴
12 转子铁芯
20 定子
21 定子铁芯
22 定子绕组
23 层叠导体
24 定子绕组导体
25 匝间绝缘
30 绝缘结构
40 主绝缘带
41 主绝缘层
42 纤维强化部
43 接合用高分子材
47 含浸用高分子聚合物
49 主绝缘部
50 带卷绕导体
60 含浸装置
61 容器
62 真空排气配管
62a 真空排气阀
63 高分子聚合物供给配管
63a 高分子聚合物供给阀
65 加压气体
80 电晕放电防止带
81 纤维强化布
82 导电性粉末
83 非导电性纳米粒子
84 高分子聚合物
85 混合剂
86 电晕放电防止纤维布
87 容器
87a 搅拌翼
87b 接受器
88 加热/干燥装置
89a、89b 辊
100 旋转电机

Claims (8)

1.一种电晕放电防止结构制造方法，其特征在于，其是将绝缘对象物的外表面覆盖的电晕放电防止结构的制造方法，其具有以下步骤：
制造在高分子聚合物中添加有导电性粉末及非导电性纳米粒子的电晕放电防止带的带制造步骤；
在所述绝缘对象物上卷绕主绝缘带的主绝缘步骤；和
在卷绕了所述主绝缘带的所述绝缘对象物的外表面卷绕所述电晕放电防止带的卷绕步骤。
2.根据权利要求1所述的电晕放电防止结构制造方法，其特征在于，所述带制造步骤具有以下步骤：
生成在所述高分子聚合物中添加有导电性粉末及非导电性纳米粒子的混合剂的混合剂生成步骤；
在纤维强化布上涂布所述混合剂的涂布步骤；
将涂布有所述混合剂的纤维强化布加热而干燥的加热干燥步骤；和
在所述加热干燥步骤后将纤维强化布剪断成带状而制成纤维强化带的剪断步骤。
3.根据权利要求2所述的电晕放电防止结构制造方法，其特征在于，所述纤维强化布为玻璃纤维布。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的电晕放电防止结构制造方法，其特征在于，所述涂布步骤具有使所述纤维强化布通过混匀有炭黑及所述非导电性纳米粒子的液体状的树脂中的步骤。
5.根据权利要求1到权利要求4中任一项所述的电晕放电防止结构制造方法，其特征在于，所述非导电性纳米粒子使用二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氮化硼及碳纳米管中的至少一种。
6.根据权利要求1到权利要求5中任一项所述的电晕放电防止结构制造方法，其特征在于，所述导电性粉末为炭黑。
7.一种电晕放电防止结构，其特征在于，其是将绝缘对象物的外表面覆盖而防止该绝缘对象物的电晕放电的电晕放电防止结构，其具有：
施加于绝缘对象物的外表面的主绝缘部；
沿着所述主绝缘部的外表面被卷绕成带状的纤维强化布；
散布于所述纤维强化布内的导电性粉末；和
散布于所述纤维强化布内的非导电性纳米粒子。
8.一种旋转电机，其特征在于，所述旋转电机具备：
转子，具有沿轴向延伸的转子轴和设置于所述转子轴的径向外侧的转子铁芯；
定子，具有在所述转子铁芯的径向外侧空出间隙而设置的圆筒状的定子铁芯和配置于多个槽内及所述定子铁芯的轴向外侧的定子绕组导体，所述多个槽在所述定子铁芯的内表面沿周向彼此空出间隔而形成并延伸至所述定子铁芯的轴向的两端；
2个轴承，分别在所述转子轴的所述转子铁芯的轴向的两侧可旋转地轴支承所述转子轴；
框，收纳所述转子铁芯及所述定子；
主绝缘部，为了将所述定子导体电绝缘而施加于所述定子导体上；和
电晕放电防止结构，施加于所述主绝缘部的外侧，
所述电晕放电防止结构具有：
沿着所述主绝缘部的外表面被卷绕成带状的纤维强化布；
散布于所述纤维强化布内的导电性粉末；和
散布于所述纤维强化布内的非导电性纳米粒子。
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