JP2008118780A - 回転機の絶縁方法、及び、水冷式回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間の課電に耐えうる耐水性に優れた回転機の絶縁方法、及び、水冷式回転機を提供する。
【解決手段】回転機のコイル３の表面に３層の被覆を施し、コイル３に接する被覆を第１の被覆、この第１の被覆の外側の被覆を第２の被覆、この第２の被覆の外側を第３の被覆とした場合、第１の被覆には絶縁性の高い樹脂を用い、第３の被覆には耐水性の高い樹脂を用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機の絶縁方法、及び、水冷式回転機に関する。

近年、液循環式回転機を更に小型化するニーズが高まっているが、回転機の出力特性を維持しながら小型化を行うと、回転機内部で暴走が起こり、絶縁破壊を生じてしまうため、更なる小型化のニーズに答えることが困難となっている。このため、物理的、電気的及び化学的な面から冷却性の優れた水を新たに冷媒とすることが考えられている。

しかし、水は絶縁にとっての天敵である上、高温での腐食性が激しいため、従来のコイル絶縁構成に対する新たな冷媒として水を適用しても、数時間で絶縁破壊してしまう。そこで、絶縁材料の中でも耐水性や耐熱性に優れたフッ素樹脂を用いた絶縁電線の適用が考えられる。このような絶縁電線の一例が下記特許文献１に開示されている。

特開平５−２２７６８９号公報

フッ素樹脂被覆は短時間の絶縁性能には優れているが、長期間電圧をかけ続ける課電寿命が短いという問題がある。この欠点を補うべく、２層被覆電線を適用した。この２層被覆電線は、水冷媒と直接接する表面側の層には、防水性の高いフッ素樹脂を用い、このフッ素樹脂被覆とコイルとの間には耐課電性に優れるシリコーン被覆を採用した。しかしながら、２層被覆電線では目標としている製品寿命、例えば２キロボルト課電時で１０年以上の連続運転を実現することは困難であった。

このことから、本発明は、長期間の課電に耐えうる耐水性に優れた回転機の絶縁方法、及び、水冷式回転機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る回転機の絶縁方法は、回転機のコイルの表面に３層の被覆を施し、前記コイルに接する被覆を第１の被覆、該第１の被覆の外側の被覆を第２の被覆、該第２の被覆の外側を第３の被覆とした場合、前記第１の被覆には絶縁性の高い樹脂を用い、前記第３の被覆には耐水性の高い樹脂を用いる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る回転機の絶縁方法は、第１の発明に係る回転機の絶縁方法において、前記第１の被覆はポリイミド系ワニスとし、前記第２の被覆はシリコーンとし、前記第３の被覆はＰＴＦＥとすることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る水冷式回転機は、
回転軸となるロータと、
前記ロータを支持する軸受と、
前記ロータの周囲に筒状に配されたステータと、
前記ステータの内部を貫通して巻回されたコイルと
を備える水冷式回転機において、
前記コイルは表面に３層の被覆が施され、前記コイルに接する被覆を第１の被覆、該第１の被覆の外側の被覆を第２の被覆、該第２の被覆の外側を第３の被覆とした場合、
前記第１の被覆には絶縁性の高い樹脂が用いられ、前記第３の被覆には耐水性の高い樹脂が用いられる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る水冷式回転機は、第３の発明に係る水冷式回転機において、前記第１の被覆はポリイミド系ワニスとし、前記第２の被覆はシリコーンとし、前記第３の被覆はＰＴＦＥとすることを特徴とする。

本発明によれば、回転機のコイルの表面に３層の被覆を施し、コイルに接する被覆を第１の被覆、該第１の被覆の外側の被覆を第２の被覆、該第２の被覆の外側を第３の被覆とした場合、第１の被覆には絶縁性の高い樹脂を用い、第３の被覆には耐水性の高い樹脂を用いることにより、水によるコイルの直接冷却が可能となったため、回転機の冷却性能を高めることができる。また、冷却用のジャケット等が不要となるため、水冷式回転機を小型化することができる。

本発明に係る回転機の絶縁方法、及び、水冷式回転機の一実施形態について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る水冷式回転機の断面図である。なお、図１では、回転機のロータの長手方向に垂直な方向の断面を示す。図２は絶縁破壊時間をグラフとして表した図である。

水冷媒は、その物性値から考えると、油冷媒の２倍以上の排熱能力がある。しかしながら、従来のウォータジャケット式の水冷構造を有する回転機では、回転機の小型化を図りつつ、水冷媒の流量を増やすことができないため、水冷媒の能力を生かしきれていない。そこで、本発明では、回転機内部に直接冷媒を供給する油冷式の回転機と同じ構造に水冷媒を用いた水冷式の回転機とした。

図１に示すように、本発明に係る水冷式の回転機は、回転軸となるロータ１と、ロータ１の周囲に筒状に配されるステータ２と、ステータ２の内部を貫通して巻回されるコイル３と、それらを内部に擁し、筐体となるモータフレーム４とを有している。回転機内部の水冷媒の流路としては、ロータ１、ステータ２の間の流路５ａと、ステータ２の外面側に配された複数の溝からなる流路５ｂが設けられている。回転機内部に供給された水冷媒は、各々の流路５ａ、５ｂを流れて、各構成部品の熱を奪い、回転機外部へ排出される。

通常使用されている工業用水等の水は、油と異なり絶縁係数が低く、絶縁物ではないため、コイル３を構成する鋼材に水冷媒が接すると、絶縁破壊が起こる可能性が高い。そこで、本実施形態に係る回転機では、コイル３の被覆材を多層構造とした。ここで、多層被覆を施した絶縁電線を製作し、この多層被覆絶縁電線の絶縁破壊時間を測定する測定試験を行った。

以下に測定試験を実施した多層被覆絶縁電線の詳細について下記番号（１）〜（４）に示す。
（１）基材となる裸コイル線に、シリコーン樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形等で絶縁被覆した上で、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥ樹脂）を熱収縮チューブ又は押し出し成形により絶縁皮膜した２層被覆電線。
（２）基材としてポリイミドワニスで絶縁被覆されたポリイミドワニス線を使用し、このポリイミドワニス線にシリコーン樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形等で絶縁被覆した上で、ＰＴＦＥ樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形により絶縁皮膜したポリイミドワニス３層被覆電線。
（３）基材としてポリアミドイミドワニスで絶縁被覆されたポリアミドイミドワニス線を使用し、このポリアミドイミドワニス線にシリコーン樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形等で絶縁被覆した上で、ＰＴＦＥ樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形により絶縁皮膜したポリアミドイミドワニス３層被覆電線。
（４）基材としてポリエステルイミドワニスで絶縁被覆されたポリエステルイミドワニス線を使用し、このポリエステルイミドワニス線にシリコーン樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形等で絶縁被覆した上で、ＰＴＦＥ樹脂を熱収縮チューブ又は押し出し成形により絶縁皮膜したポリエステルイミドワニス３層被覆電線。

この測定試験では、８０℃水中環境下において、３キロボルト及び５キロボルトの課電試験を行い、絶縁破壊するまでの時間を測定した。また、測定試験の結果からそれぞれ平均値−３σを求めた。表１は絶縁破壊時間の測定結果を示した表である。

また、表１に示す絶縁破壊時間の測定結果を基に、ポリイミドワニス３層被覆電線とポリアミドイミドワニス３層被覆電線とポリエステルイミドワニス３層被覆電線の各絶縁破壊時間の平均値を加算して３で割って、３キロボルト及び５キロボルトの課電時の３層被覆電線の絶縁破壊時間の平均値を求めた。更に、この３層被覆電線の絶縁破壊時間の平均値−３σも求めた。図２は絶縁破壊時間をグラフとして表した図である。

図２に示すように、３層被覆電線と２層被覆電線とを比較すると、３キロボルト及び５キロボルトの課電時共に３層被覆電線の方が絶縁破壊時間が長いことが分かる。更に言えば、２層被覆電線の３キロボルトの課電時よりも、３層被覆電線の５キロボルトの課電時の方が、絶縁破壊時間が長いことが分かる。

また、表１に示す絶縁破壊時間の測定結果を基に、２キロボルト課電時の絶縁破壊時間を推定し、この値を実際の製品に適用したときの推定寿命とした。表２は実際の製品に適用したときの推定寿命を示した表である。

表２に示すように、３層被覆電線と２層被覆電線とを比較すると、３層被覆電線の推定寿命は２層被覆電線の推定寿命に対しほぼ３倍の長さとなっていることが分かる。このことは、図２により示された２キロボルト課電時の３層被覆電線と２層被覆電線の推定寿命からも明らかである。

このように、本実施形態に係る上記（２）から（４）に記載する３層被覆電線の２キロボルト課電時の推定寿命は、ポリイミドワニス３層被覆電線では１２年、ポリアミドイミドワニス３層被覆電線では１１年、ポリエステルイミドワニス３層被覆電線では１１年となっていることから、これら３層被覆電線を水冷式回転機に適用した場合、製品として十分な寿命を確保することができる。

なお、上述のように、３層被覆電線に適用するワニスの樹脂の種類を変えると、微量ではあるものの絶縁寿命が変化し、その寿命は「ポリイミド＞ポリアミドイミド＞ポリエステルイミド」の順に長くなっている。その反面、コストは「ポリイミド＜ポリアミドイミド＜ポリエステルイミド」の順に安いため、要求される性能とコストに応じて最適な材料を選定することが可能である。本実施形態では、ワニスの樹脂として、ポリイミドワニス、ポリアミドイミドワニス、及び、ポリエステルイミドワニスを示したが、これ以外の樹脂をワニスとして適用することも可能である。

更に、３層被覆電線の外側を耐熱性と耐水性を兼ね備えたフッ素系樹脂等により被覆することでコイル３全体が絶縁性、耐熱性、耐水性を有することとなる。また、ロータ１やステータ２には必要に応じてフッ素系塗料などにより被覆し、耐水処理を施す。なお、ロータ１、ステータ２、コイル３を被覆する耐熱性及び耐水性を有する材料としては、フッ素系の材料に限らず、同等の機能を有するものであれば、他の材料を用いてもよい。

また、ロータ１を支持する図示していない軸受にも、耐熱性と耐水性を兼ね備えたセラミクス製軸受（水潤滑式）を使用する。なお、軸受についてもセラミクス製に限らず、同等の機能を有するものであれば、他の材料を用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る水冷式回転機の断面図である。 絶縁破壊時間をグラフとして表した図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ステータ
３ コイル
４ モータフレーム
５ａ 流路
５ｂ 流路

Claims (4)

1. 回転機のコイルの表面に３層の被覆を施し、前記コイルに接する被覆を第１の被覆、該第１の被覆の外側の被覆を第２の被覆、該第２の被覆の外側を第３の被覆とした場合、
   前記第１の被覆には絶縁性の高い樹脂を用い、前記第３の被覆には耐水性の高い樹脂を用いる
   ことを特徴とする回転機の絶縁方法。
2. 請求項１に記載の回転機の絶縁方法において、
   前記第１の被覆はポリイミド系ワニスとし、前記第２の被覆はシリコーンとし、前記第３の被覆はＰＴＦＥとする
   ことを特徴とする回転機の絶縁方法。
3. 回転軸となるロータと、
   前記ロータを支持する軸受と、
   前記ロータの周囲に筒状に配されたステータと、
   前記ステータの内部を貫通して巻回されたコイルと
   を備える水冷式回転機において、
   前記コイルは表面に３層の被覆が施され、前記コイルに接する被覆を第１の被覆、該第１の被覆の外側の被覆を第２の被覆、該第２の被覆の外側を第３の被覆とした場合、
   前記第１の被覆には絶縁性の高い樹脂が用いられ、前記第３の被覆には耐水性の高い樹脂が用いられる
   ことを特徴とする水冷式回転機。
4. 請求項３に記載の回転機の絶縁方法において、
   前記第１の被覆はポリイミド系ワニスとし、前記第２の被覆はシリコーンとし、前記第３の被覆はＰＴＦＥとする
   ことを特徴とする水冷式回転機。

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