JP2005086852A - 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、スロット絶縁の厚みを厚くする。
【選択図】 図１

Description

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ものである。

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（例えば特許文献１）。
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耐熱性を有する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５にノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）の構成図を示す。なお、前記ノーメックスペーパの厚みとしては、０．１８ｍｍから０．３２ｍｍのものがよく用いられている。
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。
定常状態において、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。
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。

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。

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している。
特開平９−１４９５７５号公報（第６−７頁、第３−５図）

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あった。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。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、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ものである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、スロット絶縁は、電気絶縁シートの材質はそのままで、その厚みを厚くした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、気泡含有ポリエステルフィルムのように、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、簡単に折れたり、スロットとの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、スロット絶縁は、複数枚の電気絶縁シートが、全面において重ねて構成さ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、電気絶縁シートの厚みの倍数で、簡単に厚みを厚くすることができる。
また、請求項３に記載の発明は、スロット絶縁は、表面に凹凸を設けた1枚、または複数枚の電気絶縁シートにより構成さ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、電気絶縁シートと電気絶縁シートの間、電気絶縁シートとスロットの間に樹脂がよく充てんされ、絶縁破壊電圧等の絶縁性能や熱伝導状態が安定する。また、スロット絶縁としてかたくならずに挿入作業をすることができる。
また、請求項４に記載の発明は、スロット絶縁は、複数枚の電気絶縁シートが、一部分において、重ねて構成さ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、スロットのオープニングにおいて、電気絶縁シートの曲がりくせによって電線の挿入口が狭くならないようにスロット絶縁を構成することができ、電線をスロット絶縁の中に容易に挿入することができる。

本発明によれば次のような効果がある。
・ 請求項１に記載の発明によれば、スロット絶縁の厚みを厚くすることによって、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。
・ 請求項２に記載の発明によれば、複数枚の電気絶縁シートが、全面において重ねて構成されているので、電気絶縁シートの厚みの倍数で、簡単にスロット絶縁の厚みを厚くすることができる。
・ 請求項３に記載の発明によれば、表面に凹凸を設けた１枚または複数枚の電気絶縁シートにより構成されているので、樹脂の含浸性が向上し、絶縁性能や熱伝導状態を安定させることができ、スロット絶縁としてかたくならずに挿入作業をすることができる。
・ 請求項４に記載の発明によれば、複数枚の電気絶縁シートが一部分において重ねて構成されているので、スロットのオープニングにおいて、電気絶縁シートの曲がりくせによって電線の挿入口が狭くならないようにスロット絶縁を構成することができ、電線をスロット絶縁の中に容易に挿入することができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における固定子のスロット部を示す断面図である。
図１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、複数枚のノーメックスペーパ複合品、ＮＴＮが重ねて構成されている。スロット絶縁の厚みとしては、例えば、厚み０．１８ｍｍと０．３２ｍｍのノーメックスペーパ複合品を１組として４組重ね、合計２．０ｍｍとしている。このようにスロット絶縁の厚みを厚くした効果について、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を示す。

図２にモデルコイルの断面図を示し、図３にモデルコイルの外形図を示す。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０−ＡＩＥＩＷ（商品名：０−ＡＭＷ−ＸＶ、製造メーカ：日立電線(株)）で、エナメル皮膜厚みは０種、電線径はφ０．９５ｍｍのものを、占積率が５１％となるように巻回して、直線部を２箇所に有する模擬固定子コイル５３とした。ここで、占積率は、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電線断面積で割る計算による。そして、模擬スロット絶縁５２として、以下の３種類を準備した。
・ 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枚重ねて計０．５ｍｍとしたもの。電線の巻回数は１５０回。誘電率は約３．４。
・ 厚み０．２５ｍｍの気泡含有ポリエステルフィルムを２枚重ねて計０．５ｍｍとしたもの。電線の巻回数は１５０回。誘電率は２．３。
・ 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枚重ねて計０．５ｍｍとしたものを４組重ねて計２．０ｍｍとしたもの。電線の巻回数は９４回。誘電率は約３．４。
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回目とは反対側が上になるように縦吊りして浸漬した。
表２に漏洩電流の測定結果を示す。

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４に示す。これから、以下のことが明らかである。
・ 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。
・ 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）、０．５ｍｍの場合が最も大きく、気泡含有ポリエステルフィルム、次いでノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）、２．０ｍｍ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、気泡含有ポリエステルフィルムは低誘電率化の効果、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）、２．０ｍｍはスロット絶縁の厚みδを厚くした効果である。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）、０．５ｍｍ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％、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）、２．０ｍｍの場合は４１％まで低下している。
このように、スロット絶縁の厚みを厚くすると、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。
(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）、０．５ｍｍの場合に比較して若干良い。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)ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）、２．０ｍｍの場合も低下無く、同等である。基本的に、絶縁厚みが厚くなれば電界強度が低くなり、対地間の部分放電特性は向上する。
このように、スロット絶縁を厚くした場合、部分放電特性は低下せず、問題ないことが確認された。
また、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）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。
以上述べたように、スロット絶縁３の厚みを厚くすることにより、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。なお、スロット絶縁３に用いる電気絶縁シートは全芳香族ポリアミド紙でもよい。
また、厚みの厚い電気絶縁シートでも、スロット２に挿入した時、スロット２の内側に沿った形のスロット絶縁３を形成できる柔軟性を有しており、スロットのオープニング６において、電気絶縁シートの曲がりくせによって電線の挿入口が狭くならないようにスロット絶縁を構成することができるものであれば、１枚で良い。

図６は第２の実施例を示すスロット絶縁の構成図である。
図６において、スロット絶縁は、複数枚のノーメックスペーパ複合品３１を重ね合わせたものである。重ねた厚みの合計がスロット絶縁の厚みδとなる。この構成による作用、効果は前述のとおりであり、電気絶縁シートとして、全芳香族ポリアミド紙も使われる。

図７は第３の実施例のその１を示すスロット絶縁の構成図である。
図７において、ノーメックスペーパ複合品３１と、表面に波３２ａが設けられた波加工ありノーメックスペーパ複合品３２とを重ねたものであり、波加工ありノーメックスペーパ複合品３２を外側にして、折り曲げられてスロットに挿入される。両者を重ねた厚みがスロット絶縁の厚みδとなる。波３２ａは、波の形状に加工された上型と下型からなる金属製の型に挟み込み、加熱をして、または金属製の型の自重や油圧により圧縮力を加えて、設けられる。なお、波加工のないノーメックスペーパ複合品３１と重ねているのは、電線が波加工ありノーメックスペーパ複合品３２の波３２ａの谷間に入らないようにして、スロット絶縁の厚みδを確保するためである。
図８は第３の実施例のその２を示すスロット絶縁の構成図である。
図８において、表面に耐熱性を有する接着剤等により絶縁スペーサ３３ａが貼り付けられた絶縁スペーサ貼り付けノーメックスペーパ複合品３３であり、絶縁スペーサ３３ａの方を外側にして、折り曲げられてスロットに挿入される。絶縁スペーサ３３ａの高さと絶縁スペーサ貼り付けノーメックスペーパ複合品３３の厚みを合計したものがスロット絶縁の厚みδとなる。絶縁スペーサ３３ａは、立方体であり、ノーメックスペーパ複合品や耐熱ポリエステルフィルム等のシートを重ね合わせたものや、ガラスマットにエポキシ樹脂を含浸して高温圧縮成形したエポキシガラス積層板等の成形品が考えられる。
図９は第３の実施例のその３を示すスロット絶縁の構成図である。
図９において、絶縁ピン３４ａが貫通方向に差し込まれた「絶縁ピン差し込みノーメックスペーパ複合品」３４であり、絶縁ピン３４ａの先端がある方を外側にして、折り曲げられてスロットに挿入される。絶縁ピン３４ａの高さと絶縁ピン差し込みノーメックスペーパ複合品３４の厚みを合計したものがスロット絶縁の厚みδとなる。絶縁ピン３４ａは、押しピンに似た形をしており、差し込むとノッチ３４ｂがノーメックスペーパ複合品の貫通穴の直径よりも大きいために、絶縁ピン３４ａは抜けなくなる。絶縁ピン３４ａとしては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の高耐熱性エンジニアリングプラスチックを用いた成形品が考えられる。
いずれにおいても、電気絶縁シートとしては、ノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）の他に、全芳香族ポリアミド紙等が使われる。

図１０は第４の実施例を示すスロット絶縁の構成図である。
図１０において、スロット絶縁の底部のみに、複数枚のノーメックスペーパ複合品または全芳香族ポリアミド紙が挿入される。これにより、スロットのオープニングにおいて、電気絶縁シートの曲がりくせによって電線の挿入口が狭くならないようにスロット絶縁を構成することができ、電線をスロット絶縁の中に容易に挿入することができる。

本発明の第１の実施例におけるスロット部を示す断面図である。 本発明の第１の実施例におけるモデルコイルの断面図である。 本発明の第１の実施例におけるモデルコイルの外形図である。 本発明の第１の実施例におけるモデルコイルの電圧−電流特性の比較図である。 本発明の第１の実施例におけるノーメックスペーパ複合品（ＮＴＮ）の構成図である。 本発明の第２の実施例を示す電気絶縁シートの構成図である。 本発明の第３の実施例のその１を示す電気絶縁シートの構成図である。 本発明の第３の実施例のその２を示す電気絶縁シートの構成図である。 本発明の第３の実施例のその３を示す電気絶縁シートの構成図である。 本発明の第４の実施例を示す電気絶縁シートの構成図である。

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
３２ 波加工ありノーメックスペーパ複合品
３２ａ 波
３３ 絶縁スペーサ貼り付けノーメックスペーパ複合品
３３ａ 絶縁スペーサ
３４ 絶縁ピン差し込みノーメックスペーパ複合品
３４ａ 絶縁ピン
３４ｂ ノッチ
３５ 複数枚の重ね合わせ部
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
５４ 模擬固定子コイルリード線
６ スロットのオープニング
δ 絶縁スロットの厚み

Claims (4)

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、スロット絶縁の厚みを厚くしたことを特徴とする回転機の固定子。
2. 前記スロット絶縁は、複数枚の電気絶縁シートが、全面において重ねて構成さ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. 前記スロット絶縁は、表面に凹凸を設けた１枚、または複数枚の電気絶縁シートにより構成さ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. 前記スロット絶縁は、複数枚の電気絶縁シートが、一部分において重ねて構成さ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。