JP2012090457A - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のコイルと接地構造物間の地絡を抑制する。
【解決手段】実施形態によれば、固定子の中心軸に合わせて設けられた円筒形状の鉄心と、鉄心のスロットに収納されたコイルと、鉄心と前記コイルの間に設けられた、鉄心からの漏れ磁束を遮断するシールド板と、コイルを保持するためにコイルとシールド板との間に配置され、少なくとも１つの突起を有する支持材と、支持材をシールド板に固定する固定材とをもつ。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、例えば水車発電機、タービン発電機コイルの固定子コイルを備える回転電機およびその製造方法に関する。

従来、回転電機の設計においては、固定子のコイルと接地構造物との間の地絡を防止するためにこれらの間に所定の距離を設けた構造となっている。
従来技術には、コイルと接地構造物との間にコーン状の保持材を配置することでコイルと接地構造物との間の地絡を防止するものがある。

特開２００４−１２９３２４号公報

前述したような、コイルと接地構造物との間にコーン状の保持材を配置した構成では、当該保持材が巨大であるため製造が困難であることや製造コストが多大となるという課題があった。また、このような構成では、コイル端部をすべて絶縁物で覆ってしまうため、コイルで発生した熱が外部に逃げ難い、コイルの熱伸びに対する裕度がないため絶縁物に負荷がかかり、劣化要因になる。

本発明が解決しようとする課題は、製造条件やコストの増大、放熱性能低下、また絶縁物の負荷の増大を引き起こすことなくコイルと接地構造物との間の地絡を抑制することが可能になる回転電機およびその製造方法を提供することにある。

実施形態によれば、固定子の中心軸に合わせて設けられた円筒形状の鉄心と、前記鉄心のスロットに収納されたコイルと、前記鉄心と前記コイルの間に設けられた、前記鉄心からの漏れ磁束を遮断するシールド板と、前記コイルを保持するために前記コイルと前記シールド板との間に配置され、少なくとも１つの突起を有する支持材と、前記支持材を前記シールド板に固定する固定材とをもつ。

本発明によれば、コイルと接地構造物との間の地絡を抑制することができる。

第１の実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造の水平視野断面図。 第１の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材の断面図。 第２の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材の断面図。 第３の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材の断面図。 第４の実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造の水平視野断面図。 第４の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材の断面図。 第５の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材の断面図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造の水平視野断面図である。図２は、第１の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材を図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した場合の断面図である。

本実施形態における回転電機は、薄板の鋼板を積層した円筒形状の鉄心１、シールド板２、コイル３、支持材４、および固定材５を有する。
鉄心１は、回転電機の固定子の中心軸に合わせて設けられる。シールド板２は、鉄心１とコイル３との間に設けられ、鉄心１からの漏れ磁束を遮断する。コイル３は鉄心１のスロットに収納される。支持材４は、コイル３を保持するためにコイル３とシールド板２との間に配置され、シールド板２を介して鉄心１に乗るように設けられる。固定材５は、支持材４をシールド板２に固定するための部材である。鉄心１、シールド板２、固定材５と、コイル３とは支持材４を介して対向する構造となっている。

また、支持材４は、コイル３と接地された構造物（接地構造物）との間の沿面距離を大きくするための突起６を有する。本実施形態では、突起６は、支持材４におけるコイル３に近い端部からの、同じ長さの２つの突起であり、これら２つの突起の突出方向が互いに反対となっており、２つの突起のそれぞれは、当該突起の端部とコイル３との間の直線距離が同じである。本実施形態では、これらの突起６を含む支持材４のＡ−Ａ’線断面の角が全て直角となり、支持材４のＡ−Ａ’線断面が十字状となる構造としている。また、図２では図示していないが、シールド板２に対して複数の支持材４のそれぞれが固定材５により固定されており、それぞれの支持材４が前述した突起６を有している。

前述した鉄心１、シールド板２、固定材５は接地構造物である。回転電機の運転時、コイル３の表面は０〜数十キロボルトまで上昇する。本実施形態では、コイル３の表面電位が鉄心１から離れるに従い徐々に大きくなるように設計されており、その最大値は、コイル３の導体にかかる電圧と同等の電圧である。

支持材４は誘電体であり、通常はFRP（Fiber Reinforced Plastic：繊維強化プラスチック）が用いられる。
コイル３と接地構造物との間の地絡は、コイル３からの電流が支持材４の沿面を流れて接地構造物に流れることで発生する。接地構造物の沿面は空間よりも放電が発生しやすいので、コイル３と接地構造物との間の沿面距離を延ばすことで地絡を防止でき、回転電機のコンパクト化へ大きく寄与できることになる。

本実施形態では、コイル３と接地構造物と間の支持材４に突起６を設けているので、支持材４に突起６を設けない構造と比較して、コイル３と接地構造物との間の沿面距離を延ばすことができる。

以上のように、第１の実施形態における回転電機では、コイル３と接地構造物との間の沿面距離を延ばす構造としたので、コイル３と接地構造物との間の地絡の危険性を低下させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材の断面図である。図３に示した断面は図２に示した断面と同じ断面である。
ただし、本実施形態は、支持材４が第１の突起、および当該第１の突起に隣接して当該第１の突起とコイル３の間に設けられた第２の突起を有し、それぞれの突起の長さが異なることを特徴とする。

支持材４の第１の突起は、当該支持材４におけるシールド板２に近い端部からの、同じ第１の長さを有する２つの突起であり、これら２つの突起の突出方向が互いに反対となっており、シールド板側の２つの突起のそれぞれは、当該突起のシールド板２に面する端部とシールド板２との直線距離が同じである。また、支持材４の第２の突起は、支持材４におけるコイル３に近い端部からの、同じ第２の長さを有する２つの突起であり、これら２つの突起の突出方向が互いに反対となっており、コイル側の２つの突起のそれぞれは、当該突起のコイル３に面する端部とコイル３との直線距離が同じである。

本実施形態では、第１の突起の長さである第１の長さは、第２の突起の長さである第２の長さより長く、第１の実施形態と同様に、これらの突起６を含む支持材４のＡ−Ａ’線断面の角が全て直角となる構造としている。

仮に、支持材４におけるシールド板２側の突起６の長さと、この突起６に隣接するコイル３側の突起６の長さとが同じであると、これらの突起同士の長さが異なる場合に比して、これらの隣接する突起の先端部の間の電界集中が発生しやすいため、その先端を伝ってコイル３からの電流が地絡しやすくなり、第１の実施形態で説明したようにコイル３と接地構造物との間の沿面距離を延ばした効果が得られなくなる。

本実施形態においては、支持材４におけるコイル側とシールド板の間で隣接する複数の突起のそれぞれを異なる長さにすることで、支持材４における突起６の先端を空間的に離す、つまり、隣接する突起６の長さが同じ場合に比して先端同士の間の距離を長くすることで、支持材４の隣接する突起６の先端同士の間の放電を抑制することができる。

以上のように、第２の実施形態における回転電機では、支持材の隣接する突起の先端間の放電を抑制することができるので、支持材が突起を複数有する場合において、電界集中により突起の先端を伝ってコイルと接地構造物と間が地絡する危険性を低下させることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造は図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので同一部分の説明は省略する。
図４は、第３の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材のＡ−Ａ’線断面図である。
図４に示すように、本実施形態は、第１の実施形態で説明した支持材４の２つの突起６のそれぞれにおける先端が所定の曲率を有する形状であることを特徴とする。

支持材４の突起６の先端部が尖っている場合、この先端部における電界集中係数が高くなるため、この先端部を起点とした放電が発生する可能性が高くなる。例えば、放電により突起先端部から接地構造物の空間を伝って、コイル３からの地絡が起こると、支持材４に突起６を設けることによる当該支持材４の沿面距離を延ばした効果が十分に得られない。

しかし、本実施形態では、支持材４の突起６の先端を所定の曲率を有する形状とすることで、先端が尖っている場合に比して、当該先端の電界集中係数を下げることができるので、突起６の先端を起点とした接地構造物への放電を抑制できる。

以上のように、第３の実施形態における回転電機では、支持材の突起の先端から接地構造物への放電を抑制できるので、コイルからの電流が支持材の突起の先端から接地構造物へ直接伝わることによるコイルと接地構造物との間の地絡の危険性を低下させることができる。

次に、第３の実施形態の変形例を説明する。
この変形例では、支持材４の突起６の先端のうち、コイル３に面する部分のみが所定の曲率を有する形状としている。このような構造としても図４に示した構造とした場合と同様の効果を得ることができ、突起６の先端の加工の手間を省くことができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。なお、本実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造は図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので同一部分の説明は省略する。
図５は、第４の実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造の水平視野断面図である。図６は、第４の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材のＡ−Ａ’線断面図である。
本実施形態は、コイル３と接地構造物であるシールド板２や固定材５との間の電流を抑制するために、シールド板２におけるコイル３に面する表面および固定材５におけるコイル３に面する表面が絶縁物７で覆われる構造としたことを特徴とする。
このような構成とすれば、コイル３から支持材４の沿面を伝って接地構造物であるシールド板２や固定材５に流れ込もうとする電流を遮断できる。

以上のように、第４の実施形態における回転電機では、コイルから接地構造物との間の支持材の沿面を伝って接地構造物に流れ込む電流を遮断できるので、コイルと接地構造物との間の地絡の危険性を低下させることができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。なお、本実施形態における回転電機の固定子のエンド部構造は図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので同一部分の説明は省略する。
図７は、第５の実施形態における回転電機のコイル、支持材、固定材のＡ−Ａ’線断面図である。
本実施形態では、第１の実施形態で説明した、シールド板２に支持される異なる支持材４との間の隣接する突起６同士が連接することを特徴としており、支持材４の突起６およびその連接部分がシールド板２全体を覆う構造となっている。

以上のように、第５の実施形態における回転電機では、支持材における隣接する支持材との間の隣接する突起同士が連接し、支持材の突起およびその連接部分がシールド板全体を覆う構造としたので、コイルと接地構造物との間の地絡経路を遮断できる。よって、コイルと接地構造物との間の地絡を防止できる。

これらの各実施形態によれば、コイルと接地構造物間の地絡を抑制することが可能になる回転電機を提供することができる。

発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…鉄心、２…シールド板、３…コイル、４…支持材、５…固定材、６…突起、７…絶縁物。

Claims (6)

1. 固定子の中心軸に合わせて設けられた円筒形状の鉄心と、
   前記鉄心のスロットに収納されたコイルと、
   前記鉄心および前記コイルの間に設けられた、前記鉄心からの漏れ磁束を遮断するシールド板と、
   前記コイルと前記シールド板との間に配置され、少なくとも１つの突起を有する、前記コイルを保持するための支持材と、
   前記支持材を前記シールド板に固定する固定材と
   を備えたことを特徴とする回転電機。
2. 前記支持材は、第１の突起、および当該第１の突起に隣接して当該第１の突起と前記コイルとの間から突出する第２の突起を有し、それぞれの突起の長さが異なることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記支持材の突起の端部における前記コイルに面する部分が所定の曲率を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記シールド板における前記コイルに面する表面および前記固定材における前記コイルに面する表面が絶縁物で覆われることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 前記支持材が複数設けられ、前記隣接する支持材の間で隣接する前記突起同士が連接し、前記突起およびその連接部分が前記シールド板全体を覆う構造としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
6. 固定子の中心軸に合わせて設けられた円筒形状の鉄心、前記鉄心のスロットに収納されたコイル、前記鉄心と前記コイルの間に設けられた、前記鉄心からの漏れ磁束を遮断するシールド板、前記コイルを保持するために前記コイルと前記シールド板との間に配置される支持材、および前記支持材を前記シールド板に固定する固定材を備える回転電機の製造方法であって、
   前記支持材を少なくとも１つの突起を有する構造とすることを特徴とする回転電機の製造方法。

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