JP2003164091A

JP2003164091A - 回転電機の巻線及び回転電機

Info

Publication number: JP2003164091A
Application number: JP2001359146A
Authority: JP
Inventors: Yoshishige Fukushi; 慶滋福士; Koji Ohata; 功治尾畑; Yoshihiro Haraguchi; 芳広原口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波成分を含んだ急峻な電圧変化を有する駆
動電圧波形の電流により、低抵抗コロナシールド層を焼
損する恐れがある。【解決手段】鉄心スロットと反対側の低抵抗コロナシー
ルド層１１に接地導電層１３を設け、この接地導電層１
３に急峻な電圧変化による電流を分散して流すことによ
り、低抵抗コロナシールド層１１の焼損を防止すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高電圧で駆動され
る回転電機の高圧コイル構造に係わり、特に高周波成分
を有する電圧で駆動される回転電機の巻線構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電動機或いは発電機などの回転電機のコ
イル（高電圧が加わるので本明細書中では高圧コイルと
も記載）は、図１２に示されるように鉄心１のスロット
２内に収納される。接地電位である鉄心内に収納される
ため、高電圧で駆動される回転電機においては、コイル
導体３と鉄心間に高電圧が加わることになり、この部分
に空隙などの欠陥が存在すると部分放電を生じ、絶縁劣
化を生じさせることになる。

【０００３】そのため対地絶縁層４は、マイカなど部分
放電に対して劣化されにくい材料を用いて、且つ極力欠
陥を生じないように工夫されて製絶縁層作される。それ
と共に、鉄心と絶縁層との間に生じる空隙での放電を抑
制するため、スロット内に装填される部分とスロット部
分より若干延長された部分には図１２に示されるように
低抵抗コロナシールド層５が設けられる。

【０００４】この低抵抗コロナシールド層５の抵抗値
は、例えば特開平１０−１７４３３４号公報に記載され
ているように１０²〜１０⁴Ω−ｃｍの抵抗値の程度に選
ばれる。つまり、低抵抗コロナシールド層５は鉄心と同
電位になるように抵抗値を調整している。

【０００５】更に、低抵抗コロナシールド層５の先端に
は、この部分で電界が集中し、やはり部分放電の発生か
ら絶縁劣化に進行するのを抑制する目的で、高抵抗コロ
ナシールド層６が設けられる場合がある。

【０００６】近年、回転制御等を効率的且つ円滑に行う
などの要求から、インバータで駆動される回転電機が増
加してきている。このインバータで駆動される回転電機
に加えられる電圧波形の１例を模式的に図１３に示す。

【０００７】この波形は、インバータの制御方式或いは
インバータから回転電機までの配線の状況等により、異
なったものとなるが、部分放電を抑制するために設ける
前述のコロナシールド技術の観点からすると、図１４に
図１３の一部を拡大して示すように、従来の正弦波に比
較し、極めて早い電圧変化成分を有しているのが特徴で
ある。

【０００８】図１５は、高圧コイルの対地絶縁層及び前
述の低抵抗コロナシールド部分を電気的な等価回路で示
したものである。図において、Ｃａは、コイル導体３と
低抵抗コロナシールド層５との間における単位長さ当た
りの静電容量を、Ｃｂは、低抵抗コロナシールド層５と
例えば鉄心１との間における接地電位に対する単位長さ
当たりの静電容量を、それぞれ示している。また、Ｒｃ
は単位長さ当たりの低抵抗コロナシールド層の抵抗値で
ある。

【０００９】図において、Ｃｂを介さずに直接接地され
ている部分は、低抵抗コロナシールド層５と鉄心１との
間が電気的に接している部分を示している。このような
等価回路で表される高圧コイルに電圧が課電されると、
鉄心に囲まれたスロット内では単位長さ当たり大略（Ｃ
ａ・Ｃｂ／（Ｃａ＋Ｃｂ））・ｄＶ／ｄｔなる充電電流
が流れ、Ｃｂに電荷が蓄積され、低抵抗コロナシールド
部の電位が上昇しようとする。Ｃｂの電位が上昇する
と、この電位によって低抵抗コロナシールド層にも電流
が流れ、Ｃｂの蓄積電荷が放電することになる。

【００１０】従来の正弦波電圧が課電された場合には、
電圧変化ｄＶ／ｄｔが極めて小さいため、Ｃｂに電荷が
蓄積されるよりも低抵抗コロナシールド層を通じて放電
される方が大きいため、低抵抗コロナシールド層の電位
の上昇は認められなかった。また、ｄＶ／ｄｔが小さい
ことに起因して、低抵抗コロナシールドに流れる電流も
小さいため、低抵抗コロナシールド層で発熱する等の問
題も無かった。

【００１１】しかしながら、図１３，１４に示すような
急峻な変化の電圧が課電されるとｄＶ／ｄｔが大きいこ
とから、大きな充電電流が流れＣｂの電位も上昇するよ
うになり、これに伴って図１５の抵抗Ｒｃ部分にも極め
て短い時間ではあるが大きな電流が流れるため、その部
分で発生する損失も上昇することになる。

【００１２】特に図１５のように、鉄心との接地個所
（Ｃｂを介さず直接、接地されている部分）が少ない場
合、図に示すように一部の接触個所Ａに電流が集中して
流れるようになる。これが極端になると、一部分での損
失が過大となり、局所的な温度上昇から低抵抗コロナシ
ールド層５の焼損に至ることも懸念される。

【００１３】図１５において、ｉａは、急峻な電圧変化
部分において、低抵抗コロナシールド層５に流れる電流
を、ｉｂは急峻な電圧変化によって、Ｃｂに貯えられた
電荷の放電電流を示している。

【００１４】このような場合、低抵抗コロナシールド層
の抵抗値を下げれば、電圧の誘起と損失の上昇を抑制す
ることが出来るが、そのような方法を取ると磁束と鎖交
して発生する渦電流損が増加してしまうため得策では無
かった。このように従来技術の低抵抗シールド構造で
は、急峻な電圧変化を有する駆動電圧波形に対して、有
効に作用しない懸念があった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、急峻
な電圧変化を有する駆動電圧波形に対して、低抵抗コロ
ナシールド層の焼損を防止した回転電機の巻線を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明では、鉄心スロットと反対側の低抵抗
コロナシールド層に低抵抗コロナシールド層の長手方向
に沿って接地導電層を設け、急峻な電圧変化による電流
を分散して接地導電層に流すことにより、低抵抗コロナ
シールド層の焼損を防止することにある。

【００１７】

【発明の実施の形態】即ち、前述の構造にすると、低抵
抗コロナシールドテープ軸方向に連続した導電層（望ま
しくはこれを接地する）の抵抗は小さいため、この部分
の電位の上昇は実際上無視できる程小さく、且つそれ以
外の部分もこの導電層から大幅に離れた部分が無いこと
になる。

【００１８】そのため、図１４のような急峻な電圧成分
が侵入しても大幅に電位が上昇するのを抑えることが出
来、且つ静電容量の充電電流が低抵抗シールド層に流れ
ることによる発生損失も低減できる。

【００１９】また、充電電流は分散して導電層に流れ込
むため、従来例で説明したような一部の低抵抗コロナシ
ールド層に電流が集中することが無く、低抵抗コロナシ
ールド層の過度の温度上昇から焼損等に至る懸念が払拭
できる。

【００２０】更に、低抵抗コロナシールド層の固有抵抗
は従来の抵抗値とほぼ同程度であるため、渦電流損増加
の問題も発生しない。

【００２１】以下、本発明の具体的な実施態様を図面に
より説明する。図１、図２は本発明の１実施例を示す断
面図である。図１は、長いテープの一部を断面して示す
斜視図であり、図２はその断面図である。実際のテープ
は厚さ方向に薄いテープ状であるが、図は構造が分かり
易いように厚さ方向に拡大して表示している。各図は、
低抵抗コロナシールド層１４を形成するために対地絶縁
層表面に巻回する低抵抗コロナシールドテープの構造を
示している。

【００２２】図において、１１は、低抵抗コロナシール
ド塗料を塗布した適度な抵抗値(鉄心と同電位になる値)
に調整された低抵抗コロナシールド層である。鉄心と反
対側の低抵抗コロナシールド層１１に絶縁層１２を配置
し、更に絶縁層１２の上に導電層１３を設ける。導電層
１３は低抵抗コロナシールド層１１の長手方向に沿って
設ける。導電層１３は薄い銅箔等を貼りつけても良い
が、絶縁層上にメッキ或いは蒸着等で導電層１３を形成
しても良い。１４は、低抵抗コロナシールド層１１とほ
ぼ同様の材料を塗布して形成された低抵抗層である。

【００２３】本発明においては、このように形成された
テープをコイル対地絶縁層の表面に、巻回後において、
低抵抗コロナシールド層１１が外側つまり鉄心側になる
ように巻き付ける。図の構成におけるテープの場合は、
半掛け（テープ幅の約半分を重ねて巻き付ける）でも一
部掛け（テープ幅の約１割程度を重ねて巻き付け）で巻
いても良い。

【００２４】実際にコイルを製作する場合には、このよ
うなテープを巻き付けた後、スロット内に納め、鉄心と
一体でエポキシ樹脂などを減圧含浸処理した後、加熱硬
化して製作される。前述のコイルをスロット内に挿入す
る際には、半導電性のスロットライナを介在させる場合
もある。

【００２５】このような場合においても、図１５の等価
回路及び後述する図３、図４におけるＲｃをスロットラ
イナの抵抗値も考慮した抵抗値、Ｃｂをスロットライナ
の存在を考慮した静電容量と考えれば、前述及び後述の
説明で同様に説明できるため、本明細書ではスロットラ
イナについては詳しく記載していないが、そのような場
合でも本発明は有効に適用できる。

【００２６】加熱硬化後における低抵抗コロナシールド
層１１の抵抗は、樹脂の加熱硬化時等に変化する場合が
あるので、樹脂硬化後において所定の抵抗値になるよう
調整されている必要がある。これらは従来と同様の技術
で対応できる。

【００２７】また、高圧コイルの成型には前述の一体注
入法の他に予めエポキシ樹脂を含浸、適度な程度まで硬
化を進めたプリプレグ材を使用して作る場合がある。

【００２８】この場合は、前述の低抵抗コロナシールド
テープにも硬化樹脂を含浸してプリプレグ状にすること
で対応可能である。この場合、プリプレグ材で構成され
た対地絶縁層上にプリプレグ化された低抵抗コロナシー
ルド層を巻き付け、加圧加熱硬化すれば良い。

【００２９】前述のようにして成型されたコイルは、低
抵抗コロナシールドテープの軸方向に連続した導電層１
３を有している。これを電気的等価回路で表現すると図
３、図４のようになる。

【００３０】本発明の構成においては、その動作を確実
にするため、低抵抗コロナシールド層１１に設けられて
いる導電層１３は、その片端又は一部で接地Ｅしている
ので、導電層１３は接地導電層と云うこともできる。図
３は、図１４に示すような電圧波形が課電された場合の
立ち上り部分における電流ｉａの流れを示している。図
４は、電圧の立ち上り部において、Ｃｂが充電された電
荷が放電される際の電流ｉｂの流れを示している。

【００３１】これら本発明の低抵抗コロナシールド層１
１を使用した構造の場合、いずれも低抵抗コロナシール
ドテープの幅方向半分程度の充電電流及び充電された電
荷の放電のみであるので、従来例で述べたような局所的
に過度に集中した電流が流れ込むようなことは無い。

【００３２】上記のテープ幅分の充電電流は、極めて小
さい電流である。例えテープ幅を３０ｍｍ、コイル断面
の周長を６０ｍｍ、絶縁厚みを１ｍｍ、電圧の傾きｄｖ
／ｄｔを１０⁴（Ｖ／μＳ）として概略の充電電流を計
算すると０．６μＡ程度である。この程度の電流が低抵
抗コロナシールド層１１に流れても、その発生損失は極
めて小さく従来例の項で示した焼損などの懸念は皆無と
なる。

【００３３】また、誘起される電圧も接地電位である導
電層１３からの距離がテープ幅の半分程度と短いことか
ら小さい値に抑えられる（従来技術の例を示した図１５
からも分かるように接地電位からの距離が離れるに従い
流れる電流は大きくなり、それに伴い発生電位、損失と
も大きくなる）。これらは、何れも低抵抗コロナシール
ドテープの幅方向大略中央に軸方向に連続した導電層を
設けた本発明の効果である。

【００３４】これによって、従来技術で述べた低抵抗コ
ロナシールド層と接地電位である鉄心との接触状態に関
係せず、低抵抗コロナシールド層を大略鉄心と同電位に
維持し、これと鉄心間で放電が発生することを防止する
という低抵抗コロナシールド層の役割を達成出来る。

【００３５】即ち、前述の急峻な電圧変化を有する駆動
電圧波形における電流は導電層１３に分散して流れ、導
電層１３の電流は接地Ｅに流れるから、低抵抗コロナシ
ールド層１１には殆ど流れず、低抵抗コロナシールド層
１１の焼損を防止して、回転電機の寿命は導電層１３を
設けた分だけ、長くすることが出きるようになった。

【００３６】また、本発明の低抵抗コロナシールド層の
抵抗値は、従来の正弦波用に用いられていたものの抵抗
値と同じ程度のオーダーで良いことから、磁束と鎖交し
て生じる渦電流損も増加することはない。

【００３７】次に、本発明の実施例を示す図１、図２に
おいて導電層１３と巻回後において、コイル外表面側に
なる低抵抗コロナシールド層１１との間に絶縁層１２を
介在させている理由について、図５を用いて説明する。
図５は、図１における軸方向の一部を拡大して示してい
る。図１と同一部分には同じ記号を付して示す。

【００３８】鉄心１は、表面に例えば無機質の絶縁皮膜
２１を有する例えば薄い珪素鋼板などを積層して構成さ
れている。また、鉄心１の外径側は、鉄心１を機械的に
堅固に固定するために溶接等で固定されている場合が多
い。

【００３９】このような構成においては、鉄心内には磁
束Φが透過していることから、これによって電圧が誘起
され、例えば図のｉｃのような渦電流が流れる（磁束に
対して右側の鉄心１→鉄心外径側における溶接部→磁束
の左側における鉄心低抵抗コロナシールド層５→磁束の
右側の鉄心１に戻る）ことになる。

【００４０】このような場合、低抵抗コロナシールド層
５のコイル軸方向の抵抗が低いとこの電流ｉｃが大きく
なり、それに伴って損失が大きくなってしまう懸念があ
る。図６は、図５における鉄心と低抵抗コロナシールド
層１１との接触部分を拡大して示している。

【００４１】図６の（ａ）は、従来の低抵抗シールド層
１１を流れる渦電流の場合の例であり、この渦電流ｉｄ
は、図５の電流ｉｃに等しい。低抵抗コロナシールド層
１１の抵抗値は、ｉｄの経路で電流が流れても発生損失
が無視できる程度になるよう抵抗値が調整されている。

【００４２】図６の（ｂ）は、本発明で述べる導電層１
３を有し絶縁層が無い場合を示している。この場合は、
渦電流ｉｄの他に低抵抗コロナシールド層１１の厚み方
向を通じて導電層１３に流れ込む電流ｉｅが生じる。こ
の場合の抵抗は、導電層１３の抵抗は殆ど零で、且つ厚
み方向の抵抗値も通常小さい値である（厚みが薄いた
め）ことから、電流ｉｅは電流ｉｄに比較して大きくな
ってしまうことが考えられ、これによって損失が増加す
ることが懸念される。

【００４３】図６の（ｃ）は、導電層１３と低抵抗コロ
ナシールド層１１との間に絶縁層１２を設けた本発明の
構成である。この場合は、図でも分かるように導電層１
３を介する電流ｉｆは絶縁層１２の存在によって低抵抗
コロナシールド層１１の厚み方向には流れられないた
め、電流ｉｆは絶縁層１２を迂回して導電層１３及び直
列の低抵抗コロナシールド層１１を通じて流れざるを得
ない。

【００４４】このため、電流ｉｆは絶縁層１２を迂回し
て流れ電流を消費するので、電流ｉｄの電流値に比較し
て電流ｉｆの電流値を小さくできる分だけ、鉄心１での
発生損失が大きくなることも防止できる。

【００４５】このように、本発明によれば、損失の発生
を抑制しつつ、インバータ等の急峻な電圧変化を含む電
圧で駆動される場合においても、有効にその役目を発揮
する低抵抗コロナシールド構造ならびに、これを具備し
た高圧コイルを提供することができる。

【００４６】又絶縁層１２は厚み寸法Ｈより幅寸法Ｗを
長くするように配置したので、例えば前述とは逆に厚み
寸法Ｈを幅に、幅寸法Ｗを縦に配置した場合に比べて、
高圧コイルを小型化できる利点がある。

【００４７】図１及び図２においては、例えばガラス繊
維クロス基材に低抵抗コロナシールド塗料を塗布した
後、絶縁層及び導電層を取り付け、更にその上に低抵抗
コロナシールド塗料を塗布した構造であった。

【００４８】本発明は、図７に示すように絶縁フィルム
１５上に例えばメッキなどによって導電層１３を取り付
け、その外表面に一体に低抵抗コロナシールド塗料によ
り塗布して低抵抗コロナシールド層１１を構成しても良
い。

【００４９】また、図１，２及び図７においては、導電
層１３を含む側の外表面にも低抵抗コロナシールド層１
１を塗布した構成で示したが、図８のように導電層１３
を含む側には、低抵抗コロナシールド塗料を塗布しない
場合でも、本発明の効果は発揮される。

【００５０】図９は、図８の構成の低抵抗コロナシール
ドテープを絶縁層表面に半掛けで巻回した場合の図であ
る。図のように外表面側に重なった部分の低抵抗コロナ
シールド層１１がその下（内周側）の層の導電層１３と
接触するため、等価回路で示せば図３、図４と同じ構成
で表せるため、同様の効果が期待できる。

【００５１】この場合は、図からも分かるように低抵抗
コロナシールド層１１の構成が簡単であるため安価に作
成できる利点がある。但し、この場合においては絶縁層
表面に施工する際には大略半掛け以上ラップさせ低抵抗
コロナシールド層１１と導電層１３とが接触するように
巻回する必要がある。

【００５２】本発明の低抵抗コロナシールド構造を形成
する方法として、これまで低抵抗コロナシールドテープ
をコイルの対地絶縁層表面に巻き付ける方法に付いて記
してきたが、図１０、図１１に示すように低抵抗コロナ
シールド塗料３１を直接、対地絶縁表面に塗布する場合
でも適用できる。

【００５３】その場合は、低抵抗コロナシールド塗料３
１をコイルの対地絶縁層の表面に塗布した後、その表面
に導電層３３をスパイラル状に巻き付け、更にその上に
これを覆うように絶縁層３２を巻き付けると伴に、これ
ら全体を覆うように低抵抗コロナシールド塗料を塗布し
て完成する。

【００５４】このような方法によっても、これまで述べ
てきたと同様の作用で、急峻な電圧変化の駆動電圧に対
しても有効な低抵抗コロナシールド構造が得られる。図
では、導電層及びそれを覆う絶縁層をスパイラル状に巻
き付けたがこの構造においては必ずしもそのようにする
必要はなく、コイル軸方向に直線的に取り付けてもその
効果は得られる。

【００５５】また本発明は回転電機の巻線に及び回転電
機をインバータ電源に接続して使用できる。更に本発明
は回転電機及び他の回転電器にも使用することができ
る。

【００５６】

【発明の効果】以上の説明のように本発明によれば、高
周波成分を含んだ急峻な電圧変化を有する駆動電圧波形
における電流は、導電層に分散して流がれ、導電層の電
流は接地に流れるから、低抵抗コロナシールド層の焼損
を防止して、回転電機の寿命を導電層を設けた分だけ長
くすることが出きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例として示した巻線の斜視図。

【図２】図１の断面図。

【図３】本発明の低抵抗コロナシールド部の電気的等価
回路を示す説明図。

【図４】本発明の低抵抗コロナシールド部の電気的等価
回路を示す説明図。

【図５】本発明の低抵抗コロナシールド部の電気的等価
回路を示す説明図。

【図６】本発明の損失低減過程を説明する模式図。

【図７】本発明の他の実施例である巻線の断面図。

【図８】本発明の他の実施例である巻線の断面図。

【図９】本発明の他の実施例である巻線の断面図。

【図１０】図９の平面図式図。

【図１１】本発明の別の実施例を示す巻線の断面図。

【図１２】従来のモータのステータ構造を示す断面図。

【図１３】図１２のモータを駆動するインバータ電圧波
形の模式図。

【図１４】図３の電圧波形の一部を拡大して示す説明
図。

【図１５】従来技術の低抵抗コロナシールド部の電気的
等価回路を示す説明図。

【符号の説明】

１…鉄心、２…スロット、３…コイル導体、４…対地絶
縁層、５…低抵抗コロナシールド層、６…高抵抗コロナ
シールド層、１１…低抵抗コロナシールド層、１２…絶
縁層、１３…導電層、１４…低抵抗コロナシールド層、
１５…絶縁フィルム、２１…薄板鉄心表面絶縁層、２２
…鉄心溶接部、３１…低抵抗塗料、３２…絶縁層、３３
…導電層、３４…低抵抗塗料、Ｖ…課電電圧、ｔ…経過
時間、Δｔ…時間、ΔＶ…Δｔにおける電圧変化、Ｃａ
…静電容量、Ｃｂ…静電容量、Ｒｃ…電流、ｉｅ…電
流、ｉｆ…電流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原口芳広茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所電機システム事業部内Ｆターム(参考） 5H604 AA01 BB01 BB03 CC05 PB03 PD03 PD06 PD09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄心スロット内に対地絶縁層を被覆した
導体を配置し、前記鉄心スロットと前記対地絶縁層との
間に鉄心と同電位となる低抵抗コロナシールド層を施し
てなる回転電機の巻線において、前記鉄心スロットと反
対側の低抵抗コロナシールド層に接地導電層を設けるこ
とを特徴とする回転電機の巻線。
【請求項２】鉄心スロット内に対地絶縁層を被覆した
導体を配置し、前記鉄心スロットと前記対地絶縁層との
間に鉄心と同電位となる低抵抗コロナシールド層を施し
てなる回転電機の巻線において、前記鉄心と反対側の低
抵抗コロナシールド層に絶縁層を設け、前記絶縁層に絶
縁層及び前記低抵抗コロナシールド層を経由して前記鉄
心に電流を流す導電層を設けることを特徴とする回転電
機の巻線。
【請求項３】鉄心スロット内に対地絶縁層を被覆した
導体を配置し、前記鉄心スロットと前記対地絶縁層との
間に鉄心と同電位となる低抵抗コロナシールド層を施し
てなる回転電機の巻線において、前記鉄心と反対側の低
抵抗コロナシールド層側に導電層を設け、前記導電層と
低抵抗コロナシールド層との間に厚み寸法より幅寸法を
長くした前記絶縁層を設けることを特徴とする回転電機
の巻線。
【請求項４】前記導電層は低抵抗コロナシールド層の
長手方向に沿って設けることを特徴とする請求項１から
３のいずれか１項に記載の回転電機の巻線。
【請求項５】前記回転電機の巻線にインバータ電源を
接続することを特徴とする請求項１から４のいずれか１
項に記載の回転電の巻線。
【請求項６】鉄心スロット内に対地絶縁層を被覆した
導体を配置し、前記鉄心スロットと前記対地絶縁層との
間に鉄心と同電位となる低抵抗コロナシールド層を施し
てなる回転電機において、前記鉄心スロットと反対側の
低抵抗コロナシールド層に接地導電層を有することを特
徴とする回転電機。
【請求項７】前記回転電機にインバータ電源を接続す
ることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。