JP2004320953A - 回転機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】スロット絶縁における部分放電開始電圧を低下させることなく、耐加工劣化性も低下させることなく、漏洩電流を低減することができる回転機の固定子を提供する。
【解決手段】薄板鋼板を積層して形成した固定子鉄心と、固定子鉄心の軸方向に延びる複数のスロットと、スロットの内面に電気絶縁材料で製作された電気絶縁シートを挿入して形成したスロット絶縁と、電線を複数回巻回し、スロット絶縁の中を通り、固定子鉄心の両端部から突出するように装着された固定子コイルとを備えた回転機の固定子において、スロット絶縁に用いられる電気絶縁シートは、その材質がフッ素樹脂系であることとする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機や電動機等として用いられる回転機の固定子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転機の固定子において、電源電圧が印加される固定子コイルを対地電位であるスロットから絶縁するため、固定子コイルとスロットの間にスロット絶縁が設けられている。前記スロット絶縁には、耐熱性、電気絶縁性、機械的強度、耐環境性、及び作業性の点において優れる電気絶縁シートとして、全芳香族ポリアミド紙（商品名：ノーメックス、製造メーカ：デュポン帝人アドバンスドペーパー（株））や、電気絶縁用ポリエステルフィルム（商品名：ルミラーＸ１０、製造メーカ：東レ（株））の両面に全芳香族ポリアミド紙を接着剤で貼り合わせたノーメックスペーパ複合品（商品名：ＮＴＮ、製造メーカ：日東シンコー（株））が用いられている。図４にノーメックスペーパ複合品の構成図を示す。
一方、近年の地球環境保護の高まりの中、化石燃料などエネルギー資源の効率的、長期的安定運用の観点から、従来製品に対して、より高効率な電気機器の開発、普及が広く行われている。回転機においても、従来の直流や交流電源を用いた制御からインバータ電源を用いた精密制御へと移行してきている。しかし、インバータは、電源電圧のキャリア周波数が数キロヘルツと大変高い。このため、回転機において高調波成分の漏洩電流が増加することになり、以下の悪影響を及ぼすことになる。
▲１▼定常状態においても、固定子コイルとスロットの間に流れる漏洩電流が大きくなり、インバータ制御盤の地絡リレーが動作して、電源の供給が停止する。
▲２▼対地電位側からのサージ電圧が大きくなり、電源ノイズとして無視できなくなって、インバータ制御盤や計測器等の周辺電気機器に、誤動作や素子の劣化を発生させる。
このため、漏洩電流は低減させる必要がある。
【０００３】
回転機の漏洩電流は、スロット絶縁の構成によって決定され、式１で計算される。
Ｉ＝２・π・ｆ・ε・Ｓ／δ・Ｖ （式１）
ここで、Ｉはスロット絶縁を流れる漏洩電流、ｆはインバータ電源のキャリア周波数、εはスロット絶縁に用いられる電気絶縁シートの誘電率、Ｓはスロット絶縁の総面積、δはスロット絶縁の厚み、Ｖは電源電圧である。
漏洩電流を低減させる１つの対策として、スロット絶縁に用いられる電気絶縁シートの誘電率εを低くすることが考えられる。従来の全芳香族ポリアミド紙やノーメックスペーパ複合品の誘電率は、約３．４である。これに対し、例えば、特許文献１では、発泡核を含有し、二軸延伸処理時に発泡させる等により、内部に独立気泡を多く含有させた電気絶縁用ポリエステルフィルム（以下、気泡含有ポリエステルフィルムと記す）を用いてスロット絶縁を構成している。前記気泡含有ポリエステルフィルムの誘電率は２．５以下にできるとしており、漏洩電流を低減させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１４９５７５号公報（第６−７頁、第３−５図）
【０００５】
このように、従来の回転機の固定子におけるスロット絶縁は、内部に独立気泡を設けて誘電率を低下させた気泡含有ポリエステルフィルムを用いて漏洩電流を低減するのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気泡含有ポリエステルフィルムを用いたスロット絶縁では、前記気泡含有ポリエステルフィルムの厚みと内部気泡の大きさ、数等によっては、内部気泡において誘電率の差のために電界が集中して放電を生じやすくなり、固定子コイルとスロットとの間、つまり対地間の部分放電開始電圧の低下が懸念されるという問題があった。なお、通常運転時において、運転電圧で常時放電を発生するようであれば、電圧が高いほど、またキャリア周波数が高くなるほど短時間での地絡事故につながる。
また、前記気泡含有ポリエステルフィルムは、内部に気泡があるため折れやすく、スロットへの挿入時に折り曲げ部分がこすれて磨耗し、フィルム厚みが低下し、最悪の場合は裂けて穴があくという加工劣化の問題も抱えていた。特に、機械設備を用いた自動挿入の場合、挿入抵抗の大きさをフィードバックできないため無理に押し込まれて傷つきやすくなったり、手作業においても、占積率の大きい場合は木づちを用いて無理に打ち込むため傷つきやすくなることが考えられる。このため、前記特許では、気泡を含有しないポリエステルフィルムで両側をはさんで用いる方法も述べられているが、スロット絶縁としての厚みが厚くなって占積率を高くしてしまい、また誘電率も現状品に近くなってしまって、せっかくの低誘電率という効果が薄れてしまう。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、スロット絶縁における部分放電開始電圧を低下させることなく、耐加工劣化性も低下させることなく、漏洩電流を低減することができる回転機の固定子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、スロット絶縁に用いられる電気絶縁シートは、その材質がフッ素樹脂系になっていることを特徴とするものである。
このようになっているため、誘電率は、フッ素樹脂の代表である四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）を用いると２．１となり、気泡含有ポリエステルフィルムに比較して、漏洩電流がさらに低減する。また、内部に気泡を含まないので、対地間の部分放電開始電圧は低下しない。さらに、柔軟性があるため簡単に折れることもなく、摩擦係数が低いために摩擦で磨耗することもなく、漏洩電流を低減することができる。
また、請求項２に記載の発明は、フッ素樹脂系シートの表面に貫通した穴が、一つまたは複数、規則的または不規則的に設けられていることを特徴とするものである。
このようになっているため、樹脂がフッ素樹脂系シートの表面に浸透せず、接着力が高くないという性質に対し、樹脂処理時、樹脂が前記貫通した穴の中に充てんされて円柱の形で硬化し、貫通した穴の中で硬化した樹脂がくさびとなる。これにより、フッ素樹脂系シートを機械的に固定することができ、自らの電磁振動や周辺機器からの機械的振動に対する強度を向上させることができる。
また、請求項３に記載の発明は、フッ素樹脂系シートの表面の一部、または全面において、機械的な手法により凹凸が設けられていることを特徴とするものである。
このようになっているため、樹脂がフッ素樹脂系シートの表面の凹凸にならった形で硬化し、硬化した樹脂が小さいくさびとなって、フッ素樹脂系シートを機械的に固定することができる。
また、請求項４に記載の発明は、フッ素樹脂系シートの表面の一部、または全面において、レーザ照射またはプラズマ処理により表面の材質を変化させ、表面に凹凸を設けることを特徴とするものである。
このようになっているため、樹脂がフッ素樹脂系シートの表面において濡れやすくなり、フッ素樹脂系シートと樹脂の接着力が向上する。また、硬化した樹脂が小さいくさびとなって、フッ素樹脂系シートを機械的に固定することができる。
また、請求項５に記載の発明は、フッ素樹脂系シートを１枚、または複数枚重ねて用いることを特徴とするものである。
このようになっているため、電気設計上、スロット絶縁として必要な絶縁厚みに対して、作業性や入手の容易性等を考慮して、電気絶縁シートを厚いものの１枚でも薄いものの複数枚でも選択することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の固定子の断面図である。図において、固定子鉄心１のスロット２と固定子コイル４の間にスロット絶縁３があり、前記スロット絶縁３は、フッ素樹脂系シートを複数枚重ねて構成している。フッ素樹脂系シートとしては、例えば、厚み０．１ｍｍのニチアス（株）製のナフロン９００１を５枚重ねている。ナフロン９００１の材質は四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）である。前記フッ素樹脂系シートを用いた効果について、モデルコイルを用いて検証した。結果を以下に述べる。
表１にモデルコイルの構成の比較表、図２にモデルコイルの断面図を示す。
【０００９】
【表１】

【００１０】
電線はポリエステルイミドの上にポリアミドイミドをオーバーコートしたエナメル丸線で、エナメル皮膜厚みは０種、電線径はφ０．９５ｍｍのものを１５０回巻回して模擬固定子コイル５３とした。模擬スロット絶縁５２の厚みは、いずれも０．５ｍｍに統一し、以下の３種類を準備した。
▲１▼厚み０．１８ｍｍのノーメックスペーパ複合品、ＮＴＮを１枚、同０．３２ｍｍを１枚の計２枚重ねたもの。誘電率は約３．４。
▲２▼厚み０．２５ｍｍの気泡含有ポリエステルフィルムを２枚重ねたもの。誘電率は２．３。
▲３▼厚み０．１ｍｍのフッ素樹脂系シート、ナフロン９００１を５枚重ねたもの。誘電率は２．１。
長さ５００ｍｍの模擬スロット５１に、長さ５２０ｍｍに切断した各電気絶縁シートを各仕様に従って挿入して模擬スロット絶縁５２を形成し、その中に模擬固定子コイル５３を挿入してモデルコイル５を製作した。そして、１５０℃で１０時間の予備乾燥を行った後、モデルコイルを縦吊りにして、立てスローディップ法によりエポキシ樹脂槽に浸漬してエポキシ樹脂を含浸し、風乾を１時間行った後、横置きにして１５０℃×１０時間の本乾燥を行った。樹脂処理回数は２回で、２回目の樹脂含浸においては、モデルコイルを１回目とは反対側を上に縦吊りして浸漬した。なお、占積率としては、スロット絶縁内の断面積を、電線一本の最大仕上外径から計算した面積を１５０倍したもので割る計算で、いずれの場合も５１％である。
表２に漏洩電流の測定結果を示す。
【００１１】
【表２】

【００１２】
模擬固定子コイル５３と模擬スロット５１の間に、交流電圧を０から約１０００Ｖまで約２００Ｖのステップで印加し、この時の漏洩電流を、直列接続した自動ｔａｎδ測定器（ＤＡＣ−ＡＳＭ−６、総研電気（株）製）にて測定した。
横軸に電圧、縦軸に漏洩電流をとったものを図３に示す。これから、以下のことが明らかである。
▲１▼電圧と漏洩電流の間には比例関係があり、これは前述の式１からも妥当な結果である。
▲２▼漏洩電流の大小関係をみると、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）の場合が最も大きく、気泡含有ポリエステルフィルム、次いでフッ素樹脂系シート（ナフロン９００１）の順に小さくなっている。これも、前述の式１からも妥当な結果であり、低誘電率化の効果が現れている。漏洩電流の低下率をみると、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）の場合を１００％とした時、気泡含有ポリエステルフィルムの場合は８１％、フッ素樹脂系シート（ナフロン９００１）の場合は６８％まで低下している。
このように、スロット絶縁にフッ素樹脂系シートを用いると、スロット絶縁の低誘電化が実現でき、漏洩電流をかなり低減させることができる。
次に、対地間の部分放電開始電圧について、低周波式部分放電測定器（ＬＦ−２、三菱電線工業（株）製）により測定した。校正電荷は１００ｐＣである。表３に結果を示す。これから、以下のことが明らかである。
【００１３】
【表３】

【００１４】
▲１▼気泡含有ポリエステルフィルムの場合の部分放電開始電圧は、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）の場合と同等である。今回のスロット絶縁の構成では、部分放電特性の低下はみられない。
▲２▼フッ素樹脂系シート（ナフロン９００１）の場合も低下無く、同等である。絶縁厚みが同じなら対地間の部分放電特性は、材質がフッ素樹脂系でも同じで問題ないことが確認できた。
このように、スロット絶縁にフッ素樹脂系シートを用いても、部分放電特性は低下せず、問題ない。
また、フッ素樹脂系シートは内部に気泡を持たず、柔軟性があるため、折れにくい。さらに摩擦係数が低いため、スロットへの挿入時の摩擦で磨耗したり傷ついたりすることもない。
フッ素樹脂系シートの材質としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）の他に、ポリ四フッ化エチレン樹脂（ＴＦＥ）、フッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、エチレン四フッ化エチレン共重合体樹脂（ＥＴＦＥ）、ポリクロロ三フッ化エチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ）、フッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）などが考えられる。
以上述べたように、スロット絶縁にフッ素樹脂系シートを用いることにより、対地間の部分放電開始電圧を低下させることなく、加工劣化もおこすことなく、漏洩電流を低減することができる。
【００１５】
（第２実施例）
フッ素樹脂系シートは、今回製作したモデルコイルにおいては、スロット絶縁としてしっかり固定されていたが、材質的にははっ水性があり、形状的には平滑である。このため、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）や気泡含有ポリエステルフィルムに比較して樹脂の浸透性や接着性が劣る。これは、自らの電磁振動や周辺機器からの機械的振動に対する機械的強度が高くないことを意味しており、機械的負荷がかなり大きい場合、磨耗や変位を生じて対地間短絡を招くことが懸念される。そこで、樹脂を密着させて機械的に固定させる、または接着力を向上させることを目的として、以下に述べる実施例が考えられる。
図５は第２実施例を示す電気絶縁シートの構成図である。図において、フッ素樹脂系シート３２１の表面に、その厚み方向に対して貫通した穴３２１ａが設けられている。これにより、樹脂処理時、樹脂が前記貫通した穴３２１ａに充てんされて円柱の形で硬化し、貫通した穴３２１ａの中で硬化した樹脂がくさびとなって、フッ素樹脂系シート３２１を機械的に固定することができる。なお、貫通した穴３２１ａは、一つでも複数でも良い。また、規則性については、規則的でも不規則的でも良い。
【００１６】
（第３実施例）
図６は第３実施例を示す電気絶縁シートの構成図である。図において、フッ素樹脂系シート３２２の表面に、機械的な手法により凹凸３２２ａが設けられている。これにより、樹脂がフッ素樹脂系シート３２２の表面の凹凸３２２ａにならった形で硬化し、硬化した樹脂が小さいくさびとなって、フッ素樹脂系シート３２２を機械的に固定することができる。なお、フッ素樹脂系シート３２２の表面の凹凸３２２ａは、表面の一部に設けても、表と裏を含む全面に設けても良い。また、機械的手法としては、紙やすりや金属やすりを用いたやすりがけ、ＮＣ工作機械や研削盤による表面研削、小さいガラス球や金属球を空気圧でぶつけるショット方法、等がある。
【００１７】
（第４実施例）
フッ素樹脂系シートの表面にレーザ照射またはプラズマ処理を行い、表面の材質を変化させ、表面に凹凸を設ける。これにより、樹脂がフッ素樹脂系シートの表面において濡れやすくなり、フッ素樹脂系シートと樹脂の接着力が向上する。また、硬化した樹脂が小さいくさびとなって、フッ素樹脂系シートを機械的に固定することができる。なお、レーサ照射またはプラズマ処理は、表面の一部に行っても、表と裏を含む全面に行っても良い。
【００１８】
（第５実施例）
フッ素樹脂系シートの枚数は、電気設計上、スロット絶縁として必要な絶縁厚みに対して、フッ素樹脂系シートの曲げやすさ、こしの強さ、かたさに影響される作業性、入手の容易性等を考慮して、厚いものの１枚でも薄いものの複数枚でも選択することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）請求項１に記載の固定子によれば、スロット絶縁に用いられる電気絶縁シートをフッ素樹脂系シートに変更することによって、対地間の部分放電開始電圧を低下させることなく、さらに加工劣化性も低下させることなく、漏洩電流を低減することができる。
（２）請求項２に記載の固定子によれば、フッ素樹脂系シートの厚み方向に対して貫通した穴が、一つまたは複数、規則的または不規則的に設けられているので、樹脂が穴の中に充てんされて円柱の形で硬化する。これにより、硬化した樹脂がくさびとなってフッ素樹脂系シートを機械的に固定することができ、自らの電磁振動や周辺機器からの機械的振動に対するスロット絶縁としての機械的強度を向上することができる。
（３）請求項３に記載の固定子によれば、フッ素樹脂系シートの表面の一部、または全面において、機械的な手法により凹凸が設けられているので、硬化した樹脂が小さいくさびとなってフッ素樹脂系シートを機械的に固定することができ、スロット絶縁としての機械的強度を向上することができる。
（４）請求項４に記載の固定子によれば、フッ素樹脂系シートの表面の一部、または全面において、レーサ照射またはプラズマ処理により表面の材質を変化させ、表面に凹凸を設けているので、樹脂の濡れ性が良くなって接着力が向上し、硬化した樹脂が小さいくさびとなってフッ素樹脂系シートを機械的に固定することができ、スロット絶縁としての機械的強度を向上することができる。
（５）請求項５に記載の固定子によれば、フッ素樹脂系シートの枚数は１枚または複数枚を選択できるので、電気設計上、スロット絶縁として必要な絶縁厚みに対して、作業性や入手の容易性等に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す固定子の断面図
【図２】モデルコイルの断面図
【図３】モデルコイルの電圧−電流特性の比較図
【図４】ノーメックスペーパ複合品の構成図
【図５】本発明の第２実施例を示す電気絶縁シートの構成図
【図６】本発明の第３実施例を示す電気絶縁シートの構成図
【符号の説明】
１ 固定子鉄心
２ スロット
３ スロット絶縁
３１ ノーメックスペーパ複合品
３１ａ 全芳香族ポリアミド紙
３１ｂ 電気絶縁用ポリエステルフィルム
３２１ フッ素樹脂系シート
３２１ａ 貫通した穴
３２２ フッ素樹脂系シート
３２２ａ 凹凸
４ 固定子コイル
５ モデルコイル
５１ 模擬スロット
５２ 模擬スロット絶縁
５３ 模擬固定子コイル

Claims (5)

1. 薄板鋼板を積層して形成した固定子鉄心と、前記固定子鉄心の軸方向に延びる複数のスロットと、前記スロットの内面に電気絶縁材料で製作された電気絶縁シートを挿入して形成したスロット絶縁と、電線を複数回巻回し、前記スロット絶縁の中を通り、前記固定子鉄心の両端部から突出するように装着された固定子コイルとを備えた回転機の固定子において、
   スロット絶縁に用いられる電気絶縁シートは、その材質がフッ素樹脂系であることを特徴とする回転機の固定子。
2. 前記電気絶縁シートは、その厚み方向に対して貫通した穴が、一つまたは複数、規則的または不規則的に設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転機の固定子。
3. 前記電気絶縁シートは、表面の一部、または全面において、機械な手法により凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転機の固定子。
4. 前記電気絶縁シートは、表面の一部、または全面において、レーザ照射またはプラズマ処理により表面の材質を変化させ、表面に凹凸を設けることを特徴とする請求項１記載の回転機の固定子。
5. 前記電気絶縁シートは、一枚、または複数枚重ねて用いることを特徴とする請求項１記載の回転機の固定子。

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