JP2014143908A - 界磁コイル巻線組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ターン短絡及びターンマイグレーションの危険性を低下させ、機械的一体性を強化する、迅速で、制御可能で安価な界磁コイル巻線組立体の製造方法を提供する。
【解決手段】界磁コイル巻線組立体１００の製造方法は、複数の銅コイル１０６を清浄化し、銅コイル１０６の各々を溶液中で酸化することによって酸化銅層を形成し、リンスし乾燥させる。乾燥後、ターン絶縁部及び接着剤を含むターン絶縁システム１０８を銅コイル１０６の各々に取り付ける。ターン絶縁部は、ガラス繊維強化ノボラックエポキシ、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化高温エポキシのうちの少なくとも１つを含む。取り付け後、硬化し、ロータスロット１０４にスタックする。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に、電動機械の界磁組立体に関し、より詳細には、界磁コイル巻線組立体に関する。

ガス及び蒸気タービンと共に使用される発電機のような従来の電動機械は、ロータスロットが機械加工されたロータ又は界磁部を利用している。界磁コイル巻線組立体において、ロータスロットは、所望の磁束パターンを生成するよう相互接続された銅コイルのスタックから作られた界磁巻線の導電性ターンを受ける。銅コイルは、ロータスロットのスロットセル絶縁部間にスタックされる。銅コイルのスタックを所定位置に保持するために、ロータスロットの開放端部にてウェッジが使用される。ターン絶縁部及び接着剤からなるターン絶縁システムを銅コイル間に使用して、銅コイルの機械的及び電気的分離を可能にする。接着剤は、銅コイル又はターン絶縁部の片側に取り付けられ、接着剤を用いてターン絶縁部を銅コイルに取り付ける。銅コイル及びターン絶縁システムは、位置合わせされた通気開口又は半径方向ダクトを有することができ、これらは、冷却ガス（例えば、空気又は水素）が銅コイルのスタックを通って流れることができるように整列されている。

通気経路は銅コイル内に及び銅コイルを貫通して埋め込まれる場合があるが、スロット巻線絶縁部及びターン絶縁システムには大きな熱応力、機械的応力、及び他の応力が加わる。一部の発電機においては、最大で１５５℃の温度になる可能性がある。ロータが３６００ｒｐｍで回転する６０Ｈｚ電気機械において、遠心圧縮力が１２，０００ｐｓｉほどの大きさになる可能性がある。熱応力及び機械的応力は、ターン絶縁システムの劣化を誘起する恐れがある。形態的欠陥及び空気ポケットが存在する可能性があるターン絶縁システムの特定の箇所が脆弱になる可能性がある。その結果、銅コイル間のターンの短絡が引き起こされ、この状況は、ターン絶縁システムの電気絶縁破壊によって生じるように見える。ターン絶縁部にわたって電界が存在することにより、ターン短絡の危険性が高まるが、ターン絶縁システムにわたる電界は、一部の水素冷却発電機において１００Ｖ／ミル、より詳細には７０Ｖ／ミルを超えないので、この影響は最小限になる。その上、数ミクロンの銅コイルの半径方向振動が、ターン短絡、誘導磁場感度、不平衡インダクタンス、及び熱膨張によって引き起こされる可能性がある。加えて、ターン絶縁部の軸方向移動、すなわち、ターン絶縁部と銅コイルの間の接着の喪失に起因したターン絶縁部のマイグレーションにより、半径方向ダクトの閉塞を誘起して熱応力の悪化をもたらし、結果として負のフィードバックサイクルが生じる可能性がある。

ターン短絡及びターン絶縁部のマイグレーションは、接着剤の漸次的な喪失並びにターン絶縁システムの不十分な耐熱性を伴う場合がある発電機における関心事とすることができる。接着の喪失は、製造及び／又は接着剤の化学的性質及び／又は経年劣化に起因する可能性がある。接着能力は、接着剤の熱容量に逆比例することができる。接着剤の化学的性質は、数百メガワットの大型電動機械におけるターン絶縁部ユーザの接着剤の選択肢を制限する。更に、接着剤の化学的性質は、熱応力が支配的な環境の助けにはならない。加えて、ターン短絡及びターンマイグレーションの危険性を低下させる堅牢な特徴を有しながら界磁コイル巻線組立体の機械的一体性を強化するような、迅速で、制御可能で安価な製造方法は存在しない。制御可能で望ましい表面輪郭を形成するために各コイルをブラスト処理することは、労力を要し高コストである。室温又は高温の空気中に酸化銅層を形成することは、時間及びスペースがかかり、場合によっては不均質で実用的ではない可能性がある。接着剤に銅接着促進剤を加えることは、高コストであり、均一性の作用が保証されない。

米国特許第８０９８０５４号明細書

本開示の第１の態様は、界磁コイル巻線組立体の製造方法を提供し、本方法は、複数の銅コイルを清浄化するステップと、清浄化後、銅コイルの各々を溶液中で酸化することによって銅コイルの各々に酸化銅層を形成するステップと、形成後、銅コイルの各々をリンスするステップと、リンス後、銅コイルの各々を乾燥させるステップと、乾燥後、ターン絶縁部及び接着剤を含むターン絶縁システムを銅コイルの各々に取り付けるステップと、を含み、ターン絶縁部が、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つを含み、本方法は更に、取り付け後、銅コイルの各々をターン絶縁システムと共に硬化するステップと、ロータの複数のロータスロットの各々においてターン絶縁システムと共に複数の銅コイルをスタックするステップと、を含む。

本開示の第２の態様は、複数の銅コイルを清浄化するステップと、清浄化後、銅コイルを溶液中で酸化することにより銅コイル上に酸化銅層を形成するステップと、形成後、銅コイルをリンスするステップと、リンス後、銅コイルを乾燥させるステップと、乾燥後、ターン絶縁部及び接着剤を含むターン絶縁システムを銅コイルに取り付けるステップと、
取り付け後、銅コイルをターン絶縁システムと共に硬化させるステップと、
を含む、方法を提供する。

本開示の第３の態様は、界磁コイル巻線組立体を提供し、該界磁コイル巻線組立体は、複数のロータスロットを有するロータと、各ロータスロット内にスタックされた複数の銅コイルと、銅コイルのうちの２つの銅コイルの間に各々が設けられ、且つ２つの銅コイルの少なくとも１つに接着される複数のターン絶縁システムと、を備え、該ターン絶縁システムが、ターン絶縁部及び接着剤を含み、ターン絶縁部が、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つを含む。

本発明のこれらの及びその他の態様、利点並びに顕著な特徴は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を指している添付図面と関連させて本発明の実施形態を開示した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の開示の上記及び他の態様、特徴、並びに利点は、添付図面を併用して以下の詳細な説明を参照するとより明らかになるであろう。

本発明によるロータの１つの実施形態の斜視図。 本発明によるロータスロットの１つの実施形態の断面図。 本発明による界磁コイル巻線組立体を製造する方法の１つの実施形態のフロー図。

添付図面は必ずしも縮尺通りではない。各図面は、単に概略図に過ぎず、本発明の特定の特徴を表すことを意図するものではない。図面は、本発明の典型的な実施形態を描くことを目的とし、従って、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面において、同じ参照符号は同じ要素を示している。

図１を参照すると、界磁コイル巻線組立体１００は、ガスタービン又は蒸気タービンと共に用いることができる発電機のような従来の電動機械（図示せず）の一部として利用されるロータ１０２を含むことができる。ロータ１０２は、複数のロータスロット１０４を含むことができる。各ロータスロット１０４は、図２に示し、本明細書で記載されるように銅コイル１０６及びターン絶縁システム１０８でスタックすることができる。各ターン絶縁システムは、ターン絶縁部１０９及び接着剤１１２を含むことができる。図２を参照すると、複数のロータスロット１０４の１つの断面図が示されている。複数の銅コイル１０６は、ロータスロット１０４内にスタックすることができる。ロータスロット１０４は、限定ではないが、高耐熱エポキシガラス積層体（エポキシ樹脂硬化度の尺度であるガラス転移温度が、少なくとも１６０℃）のようなスロットセル絶縁体（又はスロットアーマ）１１０で裏打ちすることができる。複数のターン絶縁システム１０８は、接着剤１１２を用いて複数のターン絶縁部１０９の１つを複数の銅コイル１０６の１つに接着することによって、銅コイル１０６間に形成することができ、その結果、各ターン絶縁システム１０８が銅コイル１０６のうちの２つの間に形成される。各ターン絶縁部１０８は、接着剤１１２を用いて２つの銅コイル１０６の少なくとも１つに接着することができる。接着剤１１２は、ワンパートビスフェノールＡ型エポキシ、ポリアミドイミド、ポリエステル、又は高温ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つを含むことができる。銅コイル１０６にターン絶縁部１０９を接着するためにワンパートビスフェノールＡ型エポキシ、ポリアミドイミド、ポリエステル、又は高温ノボラックエポキシを使用することは、本明細書で記載される１つ又は複数の方法により達成される。ウェッジ１１４をロータスロット１０４の開放端部１１６に挿入することができる。

図３を参照すると、本発明の１つの実施形態における方法のフロー図が示される。図３に示すように、Ｓ１において、銅コイル１０６を清浄化することができる。清浄化は、銅コイル１０６からオイル、グリス、ダスト、及び他の汚染物を除去することができる。清浄化は、アルカリ洗浄剤を用いて、又は銅コイル１０６からオイル、グリス、ダスト、及び他の汚染物を除去する他の何れかの好適な方法を用いて実施することができる。

Ｓ２において、清浄化の後、銅コイル１０６を溶液中で酸化することによって、銅コイル１０６上に酸化銅層を形成することができる。溶液は、亜塩素酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、リン酸三ナトリウム、及び純粋のうちの１つを含むことができる。亜塩素酸ナトリウムの溶液は、純粋１リットル中に約３０グラム／リットルの濃度を有することができる。水酸化ナトリウムの溶液は、純粋１リットル中に約１０グラム／リットルの濃度を有することができる。リン酸三ナトリウムの溶液は、純粋１リットル中に約５グラム／リットルの濃度を有することができる。純粋の溶液は、約１０００グラム又は１リットルを有することができる。形成期間は、約４分〜約４５分の時間期間とすることができ、好まし範囲は約１５分〜約３０分である。溶液の溶液温度は、約４５℃〜約７０℃の範囲とすることができ、好ましい範囲は約５０℃〜約６０℃である。この酸化銅層の形成は、約３０分及び約４５分間それぞれにおいて約５０℃であったときに、約１５０ｎｍ〜約５ミクロンの範囲、より具体的には約１７０ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲の厚みをもたらすことができる。

Ｓ３において、形成後、銅コイル１０６をリンスする。リンス処理は、水でリンスした後、純粋でのリンス処理を含むことができる。水は、水温が約２５℃〜約５０℃とすることができる。Ｓ４において、リンス処理後、銅コイル１０６を乾燥させる何らかの好適な方法（例えば、高温空気吹きつけ）を用いて銅コイル１０６を乾燥させることができる。

Ｓ５において、乾燥後、ターン絶縁システム１０８を銅コイル１０６の片側に取り付ける。銅コイル１０６の片側へのターン絶縁システム１０８の取り付けは、接着剤１１２を用いてターン絶縁部１０９を取り付けることを含むことができる。接着剤１１２は、ターン絶縁部１０９又は銅コイル１０６上にブラシで塗るか、含浸させるか、又は何らかの他の好適な方法で塗布することができる。接着剤１１２は、約２０，０００時間にて外挿したときに温度指数が少なくとも１３０℃〜１５５℃を有することができ、好ましい温度は１５５℃である。接着剤１１２は、接着剤重量の５％が減少したときに、約３００℃の劣化温度を有することができる。一般に、これらの特性を有する接着剤１１２は、当業者には明らかであろう。接着剤１１２は、高耐熱エポキシ接着剤を含むことができる。接着剤１１２は、ワンパートビスフェノールＡ型エポキシ、ポリアミドイミド、ポリエステル、又は高温ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つを含むことができる。ターン絶縁部１０８は、ガラス繊維強化ノボラックエポキシ、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化高温エポキシのうちの少なくとも１つを含むことができる。ガラス繊維強化ノボラックエポキシは、少なくとも１６０℃のガラス転移温度を有することができ、後硬化が２００℃の高さとすることができる。ターン絶縁部１０８は、約２０，０００時間の外挿時に約２８０〜２４０℃の温度指数を有することができる。ターン絶縁部１０８は、ターン絶縁部重量が５％減少したときに少なくとも３３０℃の劣化温度を有することができる。一般に、これらの特性を有するターン絶縁部１０８は、当業者には明らかであろう。ターン絶縁部１０８は、約１０ミル〜約１４ミルの厚みを有することができる。

Ｓ６において、取り付け後、ターン絶縁部１０８及び接着剤１１２と共に銅コイル１０６を硬化する。異なる接着剤１１２はある時間期間にわたる様々な温度で硬化することができることは、当業者には容易に理解されるであろう。ワンパートビスフェノールＡ型エポキシでは、好ましくは、約４時間を超えずに約９０℃〜約１２０℃の硬化温度で硬化することができる。ポリアミドイミドでは、好ましくは、約２〜３時間で約１８０℃〜約２１０℃の硬化温度で硬化することができる。ポリエステルでは、好ましくは、約４時間を超えずに約１５０℃〜約１７０℃の硬化温度で硬化することができる。高温ノボラックエポキシでは、好ましくは、約４時間を超えずに約１５０℃〜約１７０℃の硬化温度で硬化することができる。

Ｓ７において、硬化後、複数の銅コイル１０６は、スロットセル絶縁体１１０の間のロータスロット１０４内でスタックすることができ、Ｓ８において、スタック後、ウェッジ１１４をロータスロット１０４の開放端部１１６にて挿入することができる。

本明細書で提示される方法は、発電機の銅コイルを巻き直すのに用いることができることは、当業者には容易に理解されるであろう。発電機の銅コイルは、分解し、清浄化し、ロータ上に巻き直すまえに本明細書で記載されるように処理することができる。

本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することを意図している。

１００ 界磁コイル巻線組立体
１０２ ロータ
１０４ 複数のロータスロット
１０６ 銅コイル
１０８ ターン絶縁システム
１０９ ターン絶縁部
１１０ スロットセル絶縁体
１１２ 接着剤
１１４ ウェッジ
１１６ 開放端部

Claims (20)

1. 界磁コイル巻線組立体の製造方法であって、
   複数の銅コイルを清浄化するステップと、
   清浄化後、前記銅コイルの各々を溶液中で酸化することによって前記銅コイルの各々に酸化銅層を形成するステップと、
   形成後、前記銅コイルの各々をリンスするステップと、
   リンス後、前記銅コイルの各々を乾燥させるステップと、
   乾燥後、ターン絶縁部及び接着剤を含むターン絶縁システムを前記銅コイルの各々に取り付けるステップと、
   を含み、前記ターン絶縁部が、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つを含み、
   前記方法が更に、
   取り付け後、前記銅コイルの各々を前記ターン絶縁システムと共に硬化するステップと、
   ロータの複数のロータスロットの各々において前記ターン絶縁システムと共に前記複数の銅コイルをスタックするステップと、
   を含む、方法。
2. 前記清浄化ステップが、アルカリ洗浄剤を用いて実施される、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶液が、亜塩素酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、リン酸三ナトリウム、純水のうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記形成の持続時間が、約４分〜約４５分の時間期間である、請求項１に記載の方法。
5. 前記溶液の溶液温度が、約４５℃〜７０℃の範囲である、請求項１に記載の方法。
6. 前記酸化銅層の厚みが、約１５０ｎｍ〜約５ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
7. 前記リンスするステップが、水を用いてリンスした後、純粋を用いてリンスするステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記水が、約２５℃〜約５０℃の水温度を有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記接着剤が、少なくとも１３０℃の温度指数を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記接着剤が、ワンパートビスフェノールＡ型エポキシ、ポリアミドイミド、ポリエステル、又は高温ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
11. 前記硬化ステップの硬化温度が、ワンパートビスフェノールＡ型エポキシにおいては約４時間を超えずに約９０℃〜約１２０℃であり、ポリアミドイミドにおいては約２〜３時間で約１８０℃〜約２１０℃であり、前記ポリエステルにおいては約４時間を超えずに約１５０℃〜約１７０℃であり、高温ノボラックエポキシにおいては約４時間を超えずに約１５０℃〜約１７０℃である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ターン絶縁部が、ガラス繊維強化ノボラックエポキシ、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化高温エポキシのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
13. 複数の銅コイルを清浄化するステップと、
    清浄化後、銅コイルを溶液中で酸化することにより前記銅コイル上に酸化銅層を形成するステップと、
    形成後、前記銅コイルをリンスするステップと、
    リンス後、前記銅コイルを乾燥させるステップと、
    乾燥後、ターン絶縁部及び接着剤を含むターン絶縁システムを前記銅コイルに取り付けるステップと、
    取り付け後、前記銅コイルを前記ターン絶縁システムと共に硬化させるステップと、
    を含む、方法。
14. 前記清浄化ステップが、アルカリ洗浄剤を用いて実施される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記溶液が、亜塩素酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、リン酸三ナトリウム、純水のうちの１つを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記形成の持続時間が、約４分〜約４５分の時間期間である、請求項１３に記載の方法。
17. 前記溶液の溶液温度が、約４５℃〜７０℃の範囲である、請求項１３に記載の方法。
18. 前記酸化銅層の厚みが、約１５０ｎｍ〜約５ミクロンの範囲である、請求項１３に記載の方法。
19. 前記接着剤が、ワンパートビスフェノールＡ型エポキシ、ポリアミドイミド、ポリエステル、又は高温ノボラックエポキシのうちの少なくとも１つである、請求項１３に記載の方法。
20. 前記ターン絶縁部が、ガラス繊維強化ノボラックエポキシ、ガラス繊維強化ポリアミドイミド、ガラス繊維強化ポリエステル、又はガラス繊維強化高温エポキシのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の方法。