JP2009071945A - 回転電機の回転子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成型が容易で遠心力に対して十分な機械強度を有するスロット絶縁材、および、運転中のコイル温度の上昇による剥離や起動停止に伴うコイルの熱膨張、収縮に基づく剥離、折れ、ずれ等が生じることのない絶縁構造を有する信頼性の高い回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】回転子鉄心１の回転子スロット２内にスロット絶縁材４ｓを介して回転子コイル３を収納してなる回転電機の回転子である。スロット絶縁材４ｓは、無機充填材が配合され硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を無機繊維織布に含浸して半硬化状にした無機繊維織布基材１０を複数枚積層した無機繊維織布基材層の表面に、無機充填材が配合された耐熱性エポキシ樹脂を含浸し硬化させて成るガラス繊維部材１１を貼り付けて一体化した後、硬化させて成形したものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子スロット内に絶縁された回転子コイルが収納されてタービン発電機等に適用可能な回転電機の回転子およびその製造方法に関する。

タービン発電機等の回転電機に適用されている回転子の概略構成について、図７を用いて説明する。図７は、一般的なタービン発電機の回転子の要部横断面図であり、ここでは、説明の都合上、回転子鉄心と回転子コイルを除く構成部品については省略して示している。

図７において、回転子鉄心１の周囲には回転子スロット２が配設されており、回転子スロット２には回転子コイル３が収納され、回転子コイル３は、回転子スロット２の外側から楔６にて押圧されて回転子スロット２内に固定されている。回転子スロット２の内側には回転子コイル３を冷却するための冷媒流路１４が回転子軸方向に形成されている。次に、回転子スロット２内の絶縁構造について、図６を参照して説明する。図６は１つの回転子スロット２内の構造を拡大して示したものである。

図６において、回転子スロット２内には磁界を発生するために必要な電流を流すための複数のコイル導体３ａからなる回転子コイル３が収納され、前記コイル導体３ａ間には、コイル導体３ａの各タ−ン間を電気的に絶縁するためのターン間絶縁材４Ｔが介挿されている。また、運転中の遠心力により回転子コイル３が回転子スロット２から飛び出さないように、回転子スロット２の外周部に設けた溝に楔６を介挿するが、この楔６と回転子コイル３との間には、これらの間を電気的に絶縁するための絶縁ブロック５が介挿されている。さらに、回転子スロット２内には、回転子コイル３の対地間を絶縁するためのスロット絶縁材４ｓが回転子コイル３を包むように絶縁ブロック５の側面まで覆うように配置されている。

前述したように、回転子コイル３は、遠心力により回転子スロット２から飛び出さないように、回転子スロット２の回転子鉄心１外周側には、溝を切って楔６が設けられるが、図４に示すように、従来のスロット絶縁材４ｓは、ガラス繊維織布にエポキシ樹脂等の合成樹脂を含浸したプリプレグシート７を複数枚積層して、金型でＬ字型に加熱加圧成形したものが用いられていた。また、図５に示すように、従来のターン間絶縁材４Ｔには、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等の合成樹脂を含浸し硬化させて成形したガラス繊維基材８の片面に、液状エポキシ樹脂等の接着剤９を塗布して、前記回転子コイル導体３ａのタ−ン間に接着固定されていた。
実開昭６３−１８２６５０号公報

前述したスロット絶縁やターン絶縁は、耐電圧試験時の試験電圧や運転時の励磁電圧等の電気ストレスや、組立て時および運転時の機械ストレス等に耐える必要がある。特に、近年の回転電機の大形化に伴い、回転子径や界磁電流が増大傾向にあり、回転子コイルの温度上昇やそこに働く機械力、遠心力が非常に大きくなるため、スロット絶縁材およびターン間絶縁材には従来にも増して耐熱性や機械的強度が要求されている。

タービン発電機では、回転子が数メートルにも及ぶため、従来のスロット絶縁材は、大形の金型とプレス成形装置を用いてプリプレグシートを複数枚積層しＬ字型形状に加熱加圧成形して用いていた。しかしながら、金型精度とプレス成形装置の性能等により、Ｌ字型形状に成形したスロット絶縁材の角部にボイド、ガラス繊維の偏りや樹脂溜まり等が生じることがある。その場合、自重に起因する遠心力によって回転子の半径方向外側に押圧されて、スロット絶縁材の側壁部と底部との間の角部に曲げ応力が生じ、運転中の熱や起動、停止の繰返しによりスロット絶縁材の角部に剥離や割れを生じるおそれがある。

また、従来のターン間絶縁材は運転中の熱により接着剤の接着力が低下し、回転子コイルの導体から剥離することがあった。特に、回転子スロット外の回転子コイルエンド部においては、ターン間絶縁材表面と相対するコイル導体面との摩擦係数が大きく、更に遠心力により摩擦拘束力が生じるため、起動、停止および負荷変動に伴うコイル導体の熱膨張、収縮によりコイル導体間にずれが生じてターン間絶縁材が剥離するおそれがある。このようなターン間絶縁材の回転子コイルからの剥離は、最悪の場合ターン間絶縁材の折れやずれを生じ、層間短絡を引き起こすおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、回転電機の回転子スロット内の回転子コイルの熱膨張や熱収縮による絶縁材の剥離やずれの発生を抑制し、信頼性の高い回転電機の回転子コイル絶縁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る回転電機の回転子は、回転子鉄心に配設された回転子スロット内に、複数のコイル導体にターン間絶縁材を介挿して配置した回転子コイルが、スロット絶縁材を介して収納され、前記回転子スロットの外側から楔を挿入して前記回転子コイルを前記回転子スロット内に固定してなる回転電機の回転子において、前記スロット絶縁材は、無機充填材が配合され、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を無機繊維織布に含浸して半硬化状にした無機繊維織布基材を複数枚積層した無機繊維織布基材層の表面に、無機充填材が配合された耐熱性エポキシ樹脂を含浸し硬化させて成るガラス繊維部材を貼り付けて一体化した後、硬化させて成形したものであることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機の回転子は、回転子鉄心に配設された回転子スロット内に、複数のコイル導体にターン間絶縁材を介挿して配置した回転子コイルが、スロット絶縁材を介して収納され、前記回転子スロットの外側から楔を挿入して前記回転子コイルを前記回転子スロット内に固定してなる回転電機の回転子において、前記ターン間絶縁材は、ガラス繊維織布に、高熱伝導性と離型性に優れた窒化ホウ素が配合され、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を塗布して半硬化状にしたものであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る回転電機の回転子の製造方法は、回転子鉄心に配設された回転子スロット内に、複数のコイル導体にターン間絶縁材を介挿して配置した回転子コイルを、スロット絶縁材を介して収納し、前記回転子スロットの外側から楔を挿入して前記回転子コイルを前記回転子スロット内に固定する回転電機の回転子の製造方法において、前記スロット絶縁材の成形は、無機充填材を配合し、その後の硬化後に、高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を無機繊維織布に含浸して半硬化状にした無機繊維織布基材を複数枚積層し、この積層した無機繊維織布基材層の表面に、無機充填材が配合された耐熱性エポキシ樹脂を含浸し硬化させて成るガラス繊維部材を貼り付けて一体化し、その後、硬化させて成形すること、を特徴とする。

本発明によれば、回転電機の回転子スロット内の回転子コイルの熱膨張や熱収縮による絶縁材の剥離やずれの発生を抑制し、信頼性の高い回転電機の回転子コイル絶縁を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図１ないし図３を参照して説明する。ここで、上述の従来技術と共通の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に用いるスロット絶縁材の構成を示す断面図である。図１において、スロット絶縁材４ｓを製造するに当たり、無機充填材が配合され硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材をガラスやアルミナ等の無機繊維織布に含浸して半硬化状にした無機繊維織布基材１０を複数枚（図では４枚）積層した。

そして、回転子スロット（鉄心スロット）２への収納時に回転子スロット２の側壁相当部１１ｓおよび底面相当部１１ｂに位置する部分の両表面に、それぞれ無機充填材が配合された耐熱性エポキシ樹脂を含浸し硬化させて成るガラス繊維部材１１を貼り付けて一体化した後、プレス成形装置を用いて２００℃で５時間加熱硬化させて成形した。図２に示すように、スロット絶縁材４ｓは、回転子スロット２内で側壁相当部１１ｓと底面相当部１１ｂとの間を曲げて角部１０ｃを形成してＬ字形に配置した。

ここで、耐熱低弾性接着材は、金属アルコキシドおよび反応性有機化合物を出発原料とするゾルゲル法による反応生成物と、無機質充填材の混合物から構成される。金属アルコキシドにテトラエトキシシラン（商品名。関東化学株式会社製）を、反応性有機化合物としてポリジメチルシロキサン（例えば、ＧＥ東芝シリコーン株式会社製ＸＦ３９０５）を用い、酢酸を触媒としてゾルゲル反応によりゾル液を得た。

このゾル液１００重量部に対して、アルコキシド系触媒（例えば、ＧＥ東芝シリコーン製ＣＲ１５）１０重量部添加し、さらに前記無機充填材として高熱伝導性を有する１μｍのシリカを５０重量部配合した。さらに、遊星型混練機を用いて１０分間程度攪拌した後、ガラス繊維織布１３（例えば、日東紡績社製ＷＥ２６−１０４）に含浸し１８０℃で１０分加熱して半硬化状にし、前記無機繊維織布基材１０を製作した。

なお、前記無機質充填材のゾルゲル反応生成物に対する配合量（配合部数）は、ゾルゲル反応生成物の１００重量部を基準にして２０〜７０重量部、好ましくは４０〜６０重量部である。無機質充填材の配合量（配合部数）が２０重量部より少ないと、良好な熱伝導性が得られない場合があり、７０重量部より多いと十分な柔軟性が得られないことがある。

また、耐熱性エポキシ樹脂（例えば、油化シエルエポキシ社製エピコート８２８を１００重量部とＢＦ_３ モノエチルアミン３重量部から成る）１００重量部に無機充填材として酸化マグネシウムを５０重量部配合し、ガラス繊維織布（例えば、日東紡績社製ＷＥ２６−１０４）に含浸した後、１５０℃で４時間加熱硬化させて成形して前記ガラス繊維部材１１を製作した。

このように、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を用い、無機繊維織布基材の両表面に、硬化耐熱性エポキシ樹脂から成る剛直なガラス繊維部材を設けたことで、鉄心スロットの側壁相当部と底面相当部は硬度が増大し、前記側壁相当部と底面相当部間は容易に屈曲できるので金型が不必要となる。これにより、金型精度とプレス成形装置の性能等により生じることがあったＬ字型角部のボイド、ガラス繊維の偏りや樹脂溜まり等がなくなる。このため、自重に起因する遠心力によって回転子の半径方向外側に押し圧されて、前記スロット絶縁材の側壁部と底部との間の角部に曲げ応力が生じても剥離や割れを生じることが無い。

しかも、高熱伝導性の無機充填材が配合されているため、回転子コイルに発生した熱を効率良く鉄心側へ放熱することができる。

したがって、本実施形態によれば成形が容易で回転子の遠心力に対して十分な機械強度を有し、運転中の熱や起動、停止の繰返しによりスロット絶縁材のＬ字型角部に剥離や割れを生じることの無いスロット絶縁材を有する信頼性の高い回転電機の回転子コイル絶縁を提供することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、ターン間絶縁材が接着された回転子コイル導体３ａの１本の断面構成を示すものである。図３において、ターン間絶縁材４Ｔは、ガラス繊維織布１３（例えば、日東紡績社製ＷＥ２６−１０４）に高熱伝導性と離型性に優れた窒化ホウ素を配合した、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材１２を塗布し１８０℃で１０分加熱して半硬化状にしたもので、回転子コイル導体３ａの片面全長に貼り付け、その上に離形用のテフロン（商品名）シートを当て軽く圧力をかけて１５０℃の乾燥炉中で１５時間加熱硬化させて固着した後、回転子スロット２内に配置した。

ここで、耐熱低弾性接着材１２は、金属アルコキシドおよび反応性有機化合物を出発原料とするゾルゲル法による反応生成物合物であり、金属アルコキシドにテトラエトキシシラン（関東化学株式会社製）を、反応性有機化合物としてポリジメチルシロキサン（例えば、ＧＥ東芝シリコーン株式会社製ＸＦ３９０５）を用い、酢酸を触媒としてゾルゲル反応によりゾル液を得た。このゾル液１００重量部に対して、アルコキシド系触媒（例えば、ＧＥ東芝シリコーン製 ＣＲ１５）１０重量部添加し、高熱伝導性と離型性に優れた平均粒径２０μｍの窒化ホウ素を５０重量部配合し、遊星型混練機を用いて１０分間程度攪拌し製作した。

このように、耐熱低弾性接着材は低弾性率であることから熱膨張率に差のある材料間の接着に有効であり、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られるため、運転中のコイル導体の熱膨張、収縮により接着剤の接着力が低下し、回転子コイルの導体から剥離することが無い。また、耐熱低弾性接着材に高熱伝導性と離型性に優れた窒化ホウ素を配合したことで、回転子コイル導体に固着後は、ターン間絶縁材表面に位置する窒化ホウ素が離型性に優れている。

これにより、ターン間絶縁材表面と相対するコイル導体面との摩擦係数が小さくなる。このため、鉄心スロット外のコイルエンド部において遠心力により摩擦拘束力が生じても、起動、停止および負荷変動に伴うコイル導体の熱膨張、収縮によりコイル導体間にずれが生じても、ターン間絶縁材の剥離やその剥離による折れやずれの発生が無い。しかも、高熱伝導性の窒化ホウ素が配合されているため、回転子コイルに発生した熱を効率良く鉄心側へ放熱することができる。

したがって、本実施の形態によれば、成形が容易で回転子の遠心力に対して十分な接着強度を有し、運転中の回転子コイル温度による剥離や回転子コイルの熱膨張、収縮による剥離および、その剥離により折れやずれが生じることがないターン間絶縁材を有する信頼性の高い回転電機の回転子コイル絶縁を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る回転子のスロット絶縁材の構成を示す拡大断面図。 本発明の第１の実施形態に係る回転子のスロット絶縁材を回転子鉄心スロット内に組み込んだ時の形状を示す拡大断面図。 本発明の第２の実施形態に係る回転子のターン間絶縁材の構成を示す拡大断面図。 従来の回転子に用いられるスロット絶縁材の構成を示す拡大断面図。 従来の回転子に用いられるターン間絶縁材の構成を示す拡大断面図。 回転子コイルを回転電機の回転子鉄心に組み込んだ時の回転子鉄心スロット部を拡大して示す要部横断面。 一般的なタービン発電機の回転子コイルを回転子鉄心のスロット内に収納した状態を示す横断面図。

符号の説明

１：回転子鉄心、２：回転子スロット、３：回転子コイル、３ａ：回転子コイル導体、４Ｔ：ターン間絶縁材、４ｓ：スロット絶縁材、５：絶縁ブロック、６：楔、７：プリプレグシート、８：ガラス繊維基材、９：接着剤、１０：無機繊維織布基材、１１：ガラス繊維部材、１２：耐熱低弾性接着材、１３：ガラス繊維織布、１４：冷媒流路

Claims (7)

1. 回転子鉄心に配設された回転子スロット内に、複数のコイル導体にターン間絶縁材を介挿して配置した回転子コイルが、スロット絶縁材を介して収納され、前記回転子スロットの外側から楔を挿入して前記回転子コイルを前記回転子スロット内に固定してなる回転電機の回転子において、
   前記スロット絶縁材は、無機充填材が配合され、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を無機繊維織布に含浸して半硬化状にした無機繊維織布基材を複数枚積層した無機繊維織布基材層の表面に、無機充填材が配合された耐熱性エポキシ樹脂を含浸し硬化させて成るガラス繊維部材を貼り付けて一体化した後、硬化させて成形したものであることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記スロット絶縁材は、回転子スロットに収納した時に少なくとも前記回転子スロットの側壁および底面に位置する部分の直線部分にガラス繊維部材が貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記無機充填材として、高熱伝導性を有するシリカ、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、アルミナのうち、少なくともいずれかの材料を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記ターン間絶縁材は、ガラス繊維織布に、高熱伝導性と離型性に優れた窒化ホウ素が配合され、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を塗布して半硬化状にしたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転電機の回転子。
5. 回転子鉄心に配設された回転子スロット内に、複数のコイル導体にターン間絶縁材を介挿して配置した回転子コイルが、スロット絶縁材を介して収納され、前記回転子スロットの外側から楔を挿入して前記回転子コイルを前記回転子スロット内に固定してなる回転電機の回転子において、
   前記ターン間絶縁材は、ガラス繊維織布に、高熱伝導性と離型性に優れた窒化ホウ素が配合され、硬化後に高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を塗布して半硬化状にしたものであることを特徴とする回転電機の回転子。
6. 前記耐熱低弾性接着材として、金属アルコキシドおよび反応性有機化合物を出発原料とするゾルゲル法による反応生成物を用いたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転電機の回転子。
7. 回転子鉄心に配設された回転子スロット内に、複数のコイル導体にターン間絶縁材を介挿して配置した回転子コイルを、スロット絶縁材を介して収納し、前記回転子スロットの外側から楔を挿入して前記回転子コイルを前記回転子スロット内に固定する回転電機の回転子の製造方法において、
   前記スロット絶縁材の成形は、無機充填材を配合し、その後の硬化後に、高耐熱性と高柔軟性が得られる耐熱低弾性接着材を無機繊維織布に含浸して半硬化状にした無機繊維織布基材を複数枚積層し、この積層した無機繊維織布基材層の表面に、無機充填材が配合された耐熱性エポキシ樹脂を含浸し硬化させて成るガラス繊維部材を貼り付けて一体化し、その後、硬化させて成形すること、を特徴とする回転電機の回転子の製造方法。

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