JP2014060899A

JP2014060899A - 回転電機の回転子巻線絶縁構造

Info

Publication number: JP2014060899A
Application number: JP2012205955A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Sakata; 卓章坂田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-04-03

Abstract

【課題】回転子鉄心のスロット内に積み重ねて収納したコイル導体に対する層間および対地間の絶縁材の種類、部品点数を削減し、併せて信頼性の高い絶縁性の確保が図れるように改良した回転電機の回転子巻線絶縁構造を提供する。
【解決手段】回転子鉄心１のスロット２内に、界磁巻線として偏平な銅帯になる複数層のコイル導体３を積み重ね収納して、その層間および対地間に絶縁材を施した回転電機の回転子巻線絶縁構造において、各層のコイル導体３ごとに、層間絶縁と対地絶縁を一体化した絶縁材を個別に被着するものとし、具体的には断面コ字形に形成した一対の絶縁材８をコイル導体３の長手方向に沿って左右両側縁に重ね合わせて接着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン発電機などの回転電機を対象に、その回転子鉄心のスロットに収納した回転子巻線の絶縁構造に関する。

周知のように、タービン発電機などの回転電機においては、回転子巻線（界磁巻線）が回転子鉄心の周上に形成したスロット内に収納されている。この回転子巻線は前記スロット内に複数ターンのコイル導体が層間絶縁材、対地絶縁材を介して積み重ね収納されており、次に従来における回転子巻線の絶縁構造を図３に示す。

図３において、１は回転子鉄心、２は界磁巻線を収納するスロット、３は偏平な銅帯になる各ターンのコイル導体、４は上下に積み重ねてスロット内に収納した各層のコイル導体３の相互間に介挿した層間絶縁材、５はコイル導体３の積層体に対してその左右両側に対峙するスロット壁との間に介挿した対地絶縁材（スロット絶縁）、６はスロット２の開口端に嵌挿した楔部材、７は楔下の絶縁ブロックである。なお、前記の層間絶縁材４および対地絶縁材５は、ガラス繊維布にポリエステル樹脂などを含浸させたＦＲＰである。そのほか、スロット２に収納したコイル導体３を風冷冷却するために、図示構造ではコイル導体３、層間絶縁材４、楔部材６、および楔下の絶縁ブロック７に、図示のように開口位置を合わせて通風孔３ａ，６ａ，７ａを穿孔し、スロット２の内径側から前記の各通風孔を通じてラジアル方向に冷却風ａｉｒ（点線矢印）を通風するようにしている。

ところで、前記のように回転子鉄心１のスロット２に収納した各層のコイル導体３は、回転電機の起動および停止に伴う温度変化により伸縮して層間絶縁材４、対地絶縁材５との間にすべり摩擦が生じ、この摩擦により長期運転の間にコイル導体３の表面が磨耗して銅粉が発生し、これが原因でコイル導体の層間短絡を引き起こして大事故に進展するおそれがあることから、その防止対策として各層のコイル導体相互間に二枚重ねの層間絶縁材を介装した上で、その片方の層間絶縁材にコイル導体を接着して、コイル導体のすべり摩擦、この摩擦に起因するコイル導体の磨耗、およびこの磨耗による銅粉発生を防ぐようにした絶縁構造が知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

特開平２−５５５４３号公報特開平５−３００６８３号公報

ところで、先記した特許文献１，特許文献２に開示されている回転子巻線の絶縁構造では次記のような課題が残る。すなわち、
（１）回転子鉄心のスロットに収納した各層のコイル導体（偏平な銅帯）に対する絶縁材を、層間絶縁材と対地絶縁材との二種類に分けて別々にスロット内に介挿しているために、絶縁材の種類、部品点数、および組立工数が増えてコスト高となる。
（２）そのほか、コイル導体の左右両端と回転子鉄心のスロット壁との間に介挿した対地絶縁材（スロット絶縁）については、該対地絶縁材が上下に積み重ねた各層のコイル導体の側方に跨がって布設されているので、回転電機の起動および停止の温度変化による各層コイル導体の伸縮に伴って対地絶縁材がずれ動いたり、対地絶縁材とコイル導体との間に摩擦が生じて導体の磨耗が発生し、この磨耗によって銅粉が発生して、この銅粉発生に起因してコイル導体の層間短絡が生じるおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は回転子鉄心のスロット内に積み重ねて収納したコイル導体に対する層間および対地間の絶縁材の種類、部品点数を削減しつつ、コイル導体の熱的な伸縮に伴うコイル導体と絶縁材とのずれ、および摩擦の発生を防いで信頼性の高い絶縁確保が図れるように改良した回転電機の回転子巻線絶縁構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、回転子鉄心のスロット内に、界磁巻線として偏平な銅帯になる複数層のコイル導体を積み重ね収納して、その層間および対地間に絶縁材を施した回転電機の回転子巻線絶縁構造において、
各層のコイル導体ごとに、層間絶縁と対地絶縁を一体化した絶縁材を個別に被着するものとし（請求項１）、その絶縁材は具体的に次記のような態様で構成することができる。
（１）各層のコイル導体に被着した前記絶縁材として、断面コ字形に形成した一対の絶縁材をコイル導体の長手方向に沿ってその両側縁に重ね合わせて接着する（請求項２）。
（２）前項（１）において、コイル導体の両側縁に被着した断面コ字形の絶縁材相互間に、コイル導体に穿設した冷却用通風孔の孔径に対応する間隔を設定する（請求項３）。
（３）各層のコイル導体に被着した前記絶縁材として、コイル導体の周面に熱収縮性チューブを被せ、該熱収縮チューブを熱収縮させてコイル導体に被着する（請求項４）。
（４）前項（３）において、コイル導体の周面に熱収縮チューブを被着した状態で、該熱収縮チューブにはコイル導体に穿設した冷却用通風孔に連通する導風孔を開口する（請求項５）。

上記構成になる絶縁構造によれば、各層のコイル導体ごとに断面コ字形、もしくは熱収縮チューブになる一種類の絶縁材を被着するだけで、各層のコイル導体の層間絶縁および対地絶縁が同時に実現でき、これにより従来の絶縁構造と比べて絶縁材の種類、部品点数、および組立工数を半減してコストの低減化が図れる。

しかも、前記絶縁材をコイル導体に接着することで、回転電機の起動および停止に伴う温度変化でコイル導体が伸縮しても、絶縁材はコイル導体に追従するので、両者間にすべり摩擦が生じたり、このすべり摩擦に起因してコイル導体の磨耗が発生したり、この磨耗によって銅粉が発生したりするおそれがなく、これにより信頼性の高い絶縁性能を確保できる。

本発明の実施例１に係わる回転子巻線の絶縁構造を表す図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれコイル導体に断面コ字形の絶縁材を被着した状態の断面斜視図、およびコイル導体を回転子鉄心のスロット内に収納した状態の断面図である。本発明の実施例２に係わる回転子巻線の絶縁構造を表す図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれコイル導体に熱収縮性チューブを被着した状態、および熱収縮性チューブに冷却風の導風孔を開口した状態を表す断面斜視図である。従来における回転電機の回転子巻線絶縁構造を表す断面斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図３に対応する部材には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図１（ａ），（ｂ）は本発明の請求項２，３に対応する実施例の構成図であり、回転子鉄心１のスロット２に収納した回転子巻線の各層コイル導体（偏平状な銅帯）３には、その長手方向に沿って断面コ字形になる一対の絶縁材８がコイル導体３の左右両側縁に被着されており、この被着状態で断面コ字形になる絶縁材８は、その上下面が層間絶縁、左右側面が対地絶縁として機能する。

ここで、前記絶縁材８は、例えば基材にガラス繊維布やノーメックス紙（デュポン社の商品名）を用い、これにエポキシ樹脂やポリエステル樹脂を塗布した後、ヒートプレスしたＦＲＰで構成されている。なお、この絶縁材８は表面のすべり摩擦抵抗を極力小さくするために、その外表面には凹凸面が残らないように平滑面に仕上げる。もしくは、絶縁材８の外表面に摩擦係数の低いフッ素系樹脂を塗布してもよい。

そして、この絶縁材８をコイル導体３に被着する際には、その内面に熱硬化性の接着剤を塗布してコイル導体３の表面に接着する。また、コイル導体３の両側縁に被着した左右一対の絶縁材８の相互間には、コイル導体３の板面中央に穿孔した通風孔３ａに通風する冷却風（図３参照）を阻害しないように、通風孔３ａの孔径ｄに対応して該孔径ｄより若干広い間隔Ｌを設定している。

上記構成によれば、図１（ｂ）のように各層のコイル導体３を積み重ねて回転子鉄心１のスロット２に収納した回転子巻線の組立状態で、回転電機の起動および停止に伴う温度変化により各層のコイル導体３が膨張および収縮しても、コイル導体３に被着した絶縁材８はコイル導体３に追従するのでコイル導体３には摩擦力が直接加わることがない。また、上下に並ぶコイル導体の相互間では絶縁材８の上面と底面との間がすべり、スロット２の壁面に対しては絶縁材８の左右側面がすべる。

これにより、図３に示した従来構造で問題となっていた絶縁材との摩擦によるコイル導体３の磨耗、銅粉発生、および銅粉の発生に起因するコイル導体３の層間短絡を防いで信頼性の高い絶縁機能を発揮できる。また、断面コ字形の絶縁材８は、一種類の部品で同時にコイル導体３の層間絶縁および対地絶縁に対応できるので、従来の絶縁構造に比べて絶縁材料の種類、部品点数、および組立工数を半減してコスト低減化が図れる。

次に、本発明の請求項４，５に係わる実施例を図２（ａ），（ｂ）で説明する。この実施例では、回転子鉄心のスロット内に収納した回転子巻線に対し、各層のコイル導体３ごとに熱収縮性チューブ９を被せ、該熱収縮チューブ９を熱収縮させてコイル導体に被着するようにしている。

なお、前記の熱収縮性チューブ９は、例えばフッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、軟質フッ化エラストマーなどの電気絶縁材として好適な熱収縮性チューブを採用し、コイル導体３に被着させる際にはあらかじめコイル導体３の表面に熱硬化性の接着剤を塗布して被せ、外方から熱を加えて熱収縮性チューブ９をコイル導体３の周面に密着状態に収縮させ、結着させる（図２（ａ）参照）。また、熱収縮性チューブ９の被着後は、コイル導体３に穿孔した冷却用の通風孔３ａに連通する導風孔９ａを開口する（図２（ｂ）参照）。

この実施例によるコイル導体３の絶縁構造によれば、各層のコイル導体３ごとに被着した熱収縮性チューブ９が、先記実施例１における一対のコ字形絶縁材８と同様に層間絶縁と対地絶縁とを実現して回転子鉄心のスロット内に収納した回転子巻線に対する絶縁の信頼性を高めることができるとともに、従来の絶縁構造に比べて部品点数および組立工数を削減してコスト低減化が図れる。

なお、図３に示した回転子巻線の組立構造のように、スロット２の内部に積み重ねて収納した各層のコイル導体３に通風孔３ａを穿孔した上で、冷却風をスロット内の内径側からラジアル方向に通風して各層のコイル３を冷却するようにした風冷方式では、冷却風の上流側と下流側とでコイル導体３の温度に差が生じる（下流側に行くほどコイル導体を通過する冷却風の温度か高くなる）ため、各層のコイル導体３を絶縁する層間絶縁材および対地絶縁材にはコイル導体の上昇温度に対応した耐熱性が要求される。

かかる絶縁材の耐熱性に関する要求に対して、本発明の実施例１，実施例２のように、各層のコイル導体３ごとに層間絶縁と対地絶縁を一体化した断面コ字形の絶縁材８、もしくは熱収縮性チューブ９を個別に被着した絶縁構造を採用することにより、スロット内における積み重ね位置によって異なる前記したコイル導体３の温度に対応して、各層ごとにコイル導体に被着する絶縁材の耐熱性を適宜に選定することで絶縁材の耐熱性を適正化できる。

１回転子鉄心
２スロット
３コイル導体
３ａ通風孔
８断面コ字形の絶縁材
９熱収縮性チューブ
９ａ導風孔

Claims

回転子鉄心のスロット内に、界磁巻線として偏平な銅帯になる複数層のコイル導体を積み重ね収納して、その層間および対地間に絶縁材を施した回転電機の回転子巻線絶縁構造において、
各層のコイル導体ごとに、層間絶縁と対地絶縁を一体化した絶縁材を個別に被着したことを特徴とする回転電機の回転子巻線絶縁構造。
請求項１に記載の回転子巻線絶縁構造において、断面コ字形に形成した一対の絶縁材をコイル導体の長手方向に沿ってその両側縁に重ね合わせて接着したことを特徴とする回転電機の回転子巻線絶縁構造。
請求項２に記載の回転子巻線絶縁構造において、コイル導体の両側縁に被着した断面コ字形の絶縁材相互間に、コイル導体に穿設した冷却用通風孔の孔径に対応する間隔を設定したことを特徴とする回転電機の回転子巻線絶縁構造。
請求項１に記載の回転子巻線絶縁構造において、コイル導体の周面に熱収縮性チューブを被せ、該熱収縮チューブを熱収縮させてコイル導体に被着したことを特徴とする回転電機の回転子巻線絶縁構造。
請求項４に記載の回転子巻線絶縁構造において、コイル導体の周面に熱収縮チューブを被着した状態で、該熱収縮チューブにはコイル導体に穿設した冷却用通風孔に連通する導風孔を開口したことを特徴とする回転電機の回転子巻線絶縁構造。