JP2006060929A

JP2006060929A - 回転電機

Info

Publication number: JP2006060929A
Application number: JP2004240603A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Nakamura; 美勝中村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】あらかじめスロットにスロットライナが装着される構成の回転電機に適用でき、絶縁構成の識別が容易で、固定子コイルの対地間絶縁の耐部分放電劣化性能を低下させることなく、最適設計によりコストダウンを達成することができる回転電機を提供する。
【解決手段】スロットライナは、各々の固定子コイルにおいて印加される対地間電圧にて放電を発生しない最小厚さよりも厚く、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって段階的に薄くし、または同じ厚さの電気絶縁シートを用いて重ね合わせる枚数を少なくし、または異なる厚さの電気絶縁シートを用いて重ね合わせた合計の厚さを薄くし、または樹脂成形部材と電気絶縁シートを用いて重ね合わせた合計の厚さを薄くした構造とする。
【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電機に関するものである。

回転電機は、一般的に、筒状のフレームと、前記フレームの内周面に固定した固定子と、前記フレームの軸方向両端面に取り付けたブラケットと、前記固定子の内周面と径方向の空隙を介して対向するようにして、前記ブラケットに、軸受を介して回転自在に支持した回転子とを備えて構成されている。
図６は、従来技術における回転電機を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図である。
図において、４１は回転子鉄心、４２は回転軸、４３は永久磁石、４４は空気ギャップ、５１は固定子鉄心、５２はティース、５３はスロット、５４は電線、５５はスロットライナ、５８はウェッジである。固定子としては、対地間絶縁として、スロット５３にスロットライナ５５が装着された後、電線５４が、次いでウェッジ５８が装着されて製作される。なお、スロットライナ５５は、わかりやすくするために幅を広くして描いている。
ここで、前記スロットライナ５５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で構成される。具体的には全芳香族ポリアミド紙や電気絶縁用ポリエステルフィルム、電気絶縁用ポリエステルフィルム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全芳香族ポリアミド紙／電気絶縁用ポリエステルフィルム貼り合わせシート等が用いられる。
しかし、これらは有機材料であるため、部分放電による絶縁劣化の進展速度が大変速く（耐部分放電劣化性能に弱く）、このため放電が発生しない条件下で使われる必要がある。つまり、前記スロットライナ５５の厚さは、対地間に印加される電圧（対地間電圧）にて部分放電を生じない最小厚さよりも厚くなるように構成される。なお、前記対地間電圧は、回転電機がインバータ駆動される場合、商用周波電圧で運転される場合と異なり、インバータ素子のスイッチングにより発生するサージ電圧が重畳されて最大２倍程度に高くなることがあり、この場合も考慮される。
ここで、対地間電圧の分布について述べる。
図７は、固定子コイルの電源入力側からの距離と、対地間電圧及び対地間絶縁の厚さとの関係を示す図である。
このように、対地間電圧は固定子コイルの電源入力側が最大であり、中性点側に向かって低くなり、中性点ではほぼ零になる。一般的に、対地間絶縁の厚さは、電源入力側で決定される。つまり対地間電圧が最も高いのは電源入力側であり、この部分で放電を発生しない最小厚さよりも厚くして、全部の固定子コイルが構成される。
このことから、中性点側では耐部分放電劣化性能が過剰であり、絶縁仕様を簡略化して使用材料の削減等のコストダウンをすることが可能である。
図８に、従来技術における各グループの固定子コイルの正断面図を示す（特許文献１）。
図８において、１１はコイル導体、２０は対地絶縁層、２１はマイカ層、２２は非マイカ層、３１、３２、３３はコイル断面、Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ１６、Ｕ１７は固定子コイルを示す。これは、マイカを主とした絶縁テープが固定子コイルの全周に巻回されて対地間絶縁が形成される、１１ＫＶ以上の発電機である。ここで、マイカは部分放電劣化に対して耐力があるが高価格で有限の資源であるため、使用量を抑えることは材料費の削減及び地球環境保護に貢献することになる。そこで、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、部分的に対地間絶縁の耐部分放電劣化性能を低く、具体的には対地間絶縁層中のマイカ含有比率を段階的に少なくしたものである。
これにより、全体として対地間絶縁の耐部分放電劣化性能を低下させることなく、高価で有限の資源であるマイカの使用量を抑えた回転電機とすることができる。
また、マイカの代替として酸化アルミニウム等の熱伝導率の高い充填剤を配合しているため、熱伝導率の高い充填剤を配合したスロットにおいて、コイルの熱放散が向上し、固定子全体として熱放散の効率が向上して回転電機の小型化に貢献できる。
特開２００１−２３１２０６号公報（第６頁、図１）

従来の回転電機は、対地間絶縁が固定子コイルの全周に巻回される構成であり、あらかじめスロットにスロットライナが装着される構成の回転電機には適用できない。固定子コイルは内部の絶縁構成を見ることができないため、固定子コイルやスロットに札を付ける等の識別手段を設ける手間がかかる。最適設計を目指したものであるが、対地間絶縁の厚さは統一されており材料費の低減や絶縁処理時間の短縮に効果はないという問題点があった。
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、あらかじめスロットにスロットライナが装着される構成の回転電機に適用でき、絶縁構成の識別が容易で、固定子コイルの対地間絶縁の耐部分放電劣化性能を低下させることなく、最適設計によりコストダウンを達成することができる回転電機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、スロットライナは、各々の固定子コイルにおいて印加される対地間電圧にて放電を発生しない最小厚さよりも厚く、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって段階的に薄くした構造としたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記スロットライナは、同じ厚さの電気絶縁シートを用い、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、重ね合わせる枚数を少なくした構造としたものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記スロットライナは、異なる厚さの電気絶縁シートを用い、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、重ね合わせた合計の厚さを薄くした構造としたものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記スロットライナは、樹脂成形部材と電気絶縁シートを用い、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、重ね合わせた合計の厚さを薄くした構造としたものである。

本発明によれば、次のような効果がある。
(1) 請求項１に記載の発明によると、スロットライナは、各々の固定子コイルにおいて印加される対地間電圧にて放電を発生しない最小厚さよりも厚く、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって段階的に薄くした構成としたので、あらかじめスロットにスロットライナが装着される構成の回転電機に適用でき、材料費を低減し、絶縁処理時間を短縮でき、絶縁構成の識別が容易であり、対地間絶縁の耐部分放電劣化性能を低下させることのない回転電機とすることができる。
(2) 請求項２に記載の発明によると、前記スロットライナは、同じ厚さの電気絶縁シートを用い、重ね合わせる枚数を少なくするもので、材料の管理を容易にし、絶縁構成の識別もさらに簡単にすることができる。
(3) 請求項３に記載の発明によると、前記スロットライナは、異なる厚さの電気絶縁シートを用い、重ね合わせた合計の厚さを薄くしたので、部品点数を削減して、製作時間を短縮することができる。
(4) 請求項４に記載の発明によると、前記スロットライナは、樹脂成形部材と絶縁板を用い、重ね合わせた合計の厚さを薄くしたので、さらに絶縁構成の識別を容易にし、部品点数を削減して、製作時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。
図１において、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８、Ｕ９はＵ相の固定子コイルで、数字は電源入力側からの通し番号である。５３はスロット、５４は電線、５５ａは固定子コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３におけるスロットライナ、５５ｂは固定子コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６におけるスロットライナ、５５ｃは固定子コイルＵ７、Ｕ８、Ｕ９におけるスロットライナ、５８はウェッジである。
ここで、スロットライナについて説明する。図２に本発明の第１実施例による、電源入力側からの距離と、対地間電圧及びスロットライナの厚さの関係図を示す。ここでは、電源入力側から中性点側までを固定子コイルが３個ずつの３グループに分けた構成とし、各グループごとにスロットライナの厚さを変更する。スロットライナ５５ａでは固定子コイルＵ１の対地間電圧において部分放電を発生しない最小厚さよりも厚くし、スロットライナ５５ｂでは固定子コイルＵ４の対地間電圧において部分放電を発生しない最小厚さよりも厚くし、スロットライナ５５ｃでは固定子コイルＵ７の対地間電圧において部分放電を発生しない最小厚さよりも厚くする。材質は、いずれも電気絶縁用ポリエステルフィルム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全芳香族ポリアミド紙／ポリエステルフィルム貼り合わせシートである。
本発明が従来技術と異なるところは、対地間絶縁が固定子コイルの全周に巻回され、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって対地間絶縁層中のマイカ含有比率を段階的に少なくして、その代替として酸化アルミニウム等の熱伝導率の高い充填剤を配合したのではなく、スロットにスロットライナを装着し、各々の固定子コイルにおいて印加される対地間電圧にて放電を発生しない最小厚さよりも厚く、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって段階的に薄くした点である。
これにより、あらかじめスロットにスロットライナが装着される構成の回転電機に適用でき、絶縁構成の識別が容易であり、固定子コイルの耐部分放電劣化性能を低下させることなく、最適設計によりコストダウンを達成する回転電機とすることができる。
なお、固定子コイルのグループ数、つまりスロットライナの厚さの種類は２以上であり、固定子コイルを２グループに分けて２種類としても、６グループに分けて６種類としても良い。また、電気絶縁シートは、耐熱性や価格等により、電気絶縁用ポリエステルフィルムの両面にポリエチレンナフタレートフィルムを貼り合わせたものや、電気絶縁用ポリエステルフィルムの両面にポリフェニレンスルファイドフィルムを貼り合わせたものを用いても良く、特に含浸性を要求される場合は全芳香族ポリアミド紙を、耐電圧を要求される場合は電気絶縁用ポリエステルフィルムのみ等を用いても良い。

図３は、本発明の第２実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。
図３において、５５ａは固定子コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３におけるスロットライナ、５５ｂは固定子コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６におけるスロットライナ、５５ｃは固定子コイルＵ７、Ｕ８、Ｕ９におけるスロットライナである。５６ａは電気絶縁シートで、全芳香族ポリアミド紙／ポリエステルフィルム貼り合わせシートである。ここで、スロットライナ５５ａは電気絶縁シート５６ａを３枚重ね合わせたもの、スロットライナ５５ｂは２枚重ね合わせたもの、スロットライナ５５ｃは１枚のみとしたものである。これにより、調達する材料は１種類となり調達が簡単で他の材料との仕分けが不要となる。重ね枚数を数えれば厚さがわかるので絶縁構成の識別も簡単である。また、薄い電気絶縁シートを複数枚重ね合わせているので、厚い電気絶縁シートが１枚の場合に比較して柔軟性があり、スロットの形状になじみやすい。
なお、固定子コイルのグループ数、つまりスロットライナの厚さの種類は２以上であり、固定子コイルを２グループに分けて、電源入力側から電気絶縁シートを２枚、１枚としても良いし、６グループに分けて、電源入力側から６枚、５枚、４枚、３枚、２枚、1枚としても良い。また、電気絶縁シート５６ａは他の貼り合わせ材や、全芳香族ポリアミド紙のみ等でも良い。

図４は、本発明の第３実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。図において、５５ａは固定子コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３におけるスロットライナ、５５ｂは固定子コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６におけるスロットライナ、５５ｃは固定子コイルＵ７、Ｕ８、Ｕ９におけるスロットライナである。５６ａは電気絶縁シートで、全芳香族ポリアミド紙／ポリエステルフィルム貼り合わせシート、５６ｂは電気絶縁シートで、電気絶縁シート５６ａの２倍の厚さを有する、全芳香族ポリアミド紙／ポリエステルフィルム貼り合わせシートである。ここで、スロットライナ５５ａは、電気絶縁シート５６ａと電気絶縁シートｂ５６ｂを重ね合わせたもの、スロットライナ５５ｂは電気絶縁シート５６ａを２枚重ね合わせたもの、スロットライナ５５ｃは１枚のみとしたものである。これにより、スロットライナ５５ａにおいて部品点数が少なくなり、作業時間を短縮することができる。
なお、スロットライナの厚さの種類は２以上であり、電気絶縁シート５６ａは他の貼り合わせ材や、全芳香族ポリアミド紙のみ等でも良い。

図５は、本発明の第４実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。図において、５５ａは固定子コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３におけるスロットライナ、５５ｂは固定子コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６におけるスロットライナ、５５ｃは固定子コイルＵ７、Ｕ８、Ｕ９におけるスロットライナである。５６ａは電気絶縁シートで、全芳香族ポリアミド紙／ポリエステルフィルム貼り合わせシート、５７は樹脂成形部材で、シリカが配合されたエポキシ樹脂で、電気絶縁シート５６ａの２倍の厚さを有するものである。ここで、スロットライナ５５ａは、樹脂成形部材５７と電気絶縁シート５６ａを重ね合わせたもの、スロットライナ５５ｂは電気絶縁シート５６ａを２枚重ね合わせたもの、スロットライナ５５ｃは１枚のみとしたものである。これにより、スロットライナ５５ａにおいて部品点数が少なくなり、作業時間を短縮することができる。
なお、スロットライナの厚さの種類は２以上であり、電気絶縁シート５６ａは他の貼り合わせ材や、全芳香族ポリアミド紙のみ等でも良い。樹脂成形部材５７は、２つ割りの金型への注型等により製作され、耐熱性、電気絶縁性、機械的強度、耐環境性に優れる樹脂として熱硬化性の不飽和ポリエステル樹脂や熱可塑性のポリフェニレンスルファイド樹脂を、クラックを防止するための充填剤としてアルミナやガラス繊維等を用いたものでも良い。またスロットライナとして、樹脂成形部材５７と電気絶縁シート５６ａを重ね合わせなくて、厚さを調整した樹脂成形部材５７のみで構成しても良い。

本発明の第１実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。本発明の第１実施例による、電源入力側からの距離と、対地間電圧及びスロットライナの厚さの関係図である。本発明の第２実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。本発明の第３実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。本発明の第４実施例による、各配置における固定子コイルの正断面図である。従来技術における回転電機の固定子を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図である。従来技術における、固定子コイルの電源入力側からの距離と、対地間電圧及び対地間絶縁の厚さとの関係を示す図である。従来技術における各グループの固定子コイルを示す正断面図である。

符号の説明

１１コイル導体
２０対地絶縁層
２１マイカ層
２２非マイカ層
３１、３２、３３コイル断面
４１回転子鉄心
４２回転軸
４３永久磁石
４４空気ギャップ
５１固定子鉄心
５２ティース
５３スロット
５４電線
５５スロットライナ
５５ａ固定子コイルＵ１、Ｕ２、Ｕ３におけるスロットライナ
５５ｂ固定子コイルＵ４、Ｕ５、Ｕ６におけるスロットライナ
５５ｃ固定子コイルＵ７、Ｕ８、Ｕ９におけるスロットライナ
５６ａ電気絶縁シート
５６ｂ電気絶縁シート
５７樹脂成形部材
５８ウェッジ
Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ１６、Ｕ１７固定子コイル
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８、Ｕ９Ｕ相の固定子コイル

Claims

筒状のフレームと、
前記フレームの内周面に固定した固定子と、
前記フレームの軸方向両端面に取り付けたブラケットと、
前記固定子の内周面と径方向の空隙を介して対向するようにして、前記ブラケットに、軸受を介して回転自在に支持した回転子とを備え、
前記固定子が、
前記フレームの内周面に固定され、複数のティースとスロットを有する薄板鋼板を積層して形成された固定子鉄心と、
絶縁材料のスロットライナ及びウェッジにより形成され、前記スロット内に装着されたスロット絶縁と、
電線を、前記スロット内に通し、軸方向の両端部が前記固定子鉄心の両端部から突出するようにして前記ティースに複数回巻回して形成された固定子コイルとを有し、
前記スロットライナは、各々の固定子コイルにおいて印加される対地間電圧にて放電を発生しない最小厚さよりも厚く、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって段階的に薄くした構造であることを特徴とする回転電機。
前記スロットライナは、同じ厚さの電気絶縁シートを用い、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、重ね合わせる枚数を少なくした構造であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記スロットライナは、異なる厚さの電気絶縁シートを用い、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、重ね合わせた合計の厚さを薄くした構造であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記スロットライナは、樹脂成形部材と電気絶縁シートを用い、固定子コイルの電源入力側から中性点側に向かって、重ね合わせた合計の厚さを薄くした構造であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。