JP2014212646A

JP2014212646A - 回転電機およびその製造方法

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Publication number: JP2014212646A
Application number: JP2013088432A
Authority: JP
Inventors: 崇原川; Takashi Harakawa; 史雄澤; Fumio Sawa; 雅司小林; Masashi Kobayashi; 佐久間将実; Masasane Sakuma; 将実佐久間; 康浩後藤; Yasuhiro Goto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-11-13

Abstract

【課題】コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、鉄心表面の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイルの冷却性能を高めることができる回転電機およびその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、回転電機固定子鉄心スロットにコイル３が挿入された回転電機において、スロットを有する鉄心１と、前記鉄心１のスロットに挿入されるコイル３と、前記鉄心１のスロット内面の凹凸による空隙に充填される充填材４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機およびその製造方法に関する。

従来の回転電機は、固定子コイルを効率的に冷却するためにコイル−鉄心間の熱抵抗を低減する手法がある。鉄心スロット表面は積層鉄心の積層ズレによって形成される凹凸がある。また、コイルは運転時の電磁振動によって位置ズレや摩耗等を起こすことのないよう鉄心との間に繊維強化材を挿入することで固定を行っている。これらによりコイルと鉄心の非接触部分が多く存在し、熱抵抗となり、コイルで発生した熱を鉄心側に伝達させるのを妨げている。

これに対して、コイル−鉄心間の空隙を高熱伝導樹脂で含浸・硬化して充填することが提案されている。

また、コイル−鉄心間に弾性材料を弾性繊維強化材で包んだ材料を挿入し、コイル挿入時の染み出しによってコイル−鉄心間を充填することが提案されている。

特開２００９−２２０８８公報特開２０１０−１５４７３１公報

上述した回転電機では、コイルと鉄心を接着してしまうため、運転時コイルが熱伸びしたときに導体から鉄心の間で剪断力がはたらき、絶縁破壊に至る要因となりえるという課題がある。

また、固定子冷却ダクトに弾性材料が流入し鉄心冷却効率を低下させる可能性があるという課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、鉄心表面の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイルの冷却性能を高めることができる回転電機およびその製造方法を提供することである。

実施形態の回転電機は、回転電機固定子鉄心スロットにコイル３が挿入された回転電機において、スロットを有する鉄心１と、前記鉄心１のスロットに挿入されるコイル３と、前記鉄心１のスロット内面の凹凸による空隙に充填される充填材４とを備える。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機固定子鉄心スロットのコイルとの接触部を示す図。第１の実施形態における実験系の断面外略図を示す図。第１の実施形態における定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を示す図。本発明の第２の実施形態に係る回転電機固定子鉄心スロットのコイルとの接触部を示す図。第２の実施形態における実験系の断面外略図を示す図。第２の実施形態における定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を示す図。第３の実施形態における定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を示す図。本発明の第４の実施形態に係る回転電機固定子鉄心スロットのコイルとの接触部を示す図。第４の実施形態における実験系の断面外略図を示す図。第４の実施形態における定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を示す図。

以下、実施形態の回転電機を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機固定子鉄心スロットのコイル３との接触部を示す。本実施形態は、抜き板１ａ、１ｂ・・・を積層して構成した鉄心１と、鉄心１のスロットに挿入されるコイル３と、抜き板１ａ、１ｂ・・・のズレによってできる凹凸による空隙と、抜き板１ａ、１ｂ・・・端部のソリによってできる空隙と、当該空隙を充填する充填材４によって構成される。

このような構成により、鉄心２の表面にある凹凸部分が充填材４によって充填されることでコイル３−鉄心１間の熱抵抗である空隙を低減できる。

コイル３は10 mm×50 mmのアルミバーにt0.025 mmのフッ素樹脂テープをハーフラップで一回巻回した外側にガラス基材とマイカなどの絶縁材料をエポキシなどの接着剤で一体化したt0.2mmのプリプレグマイカテープをハーフラップで10回巻回した後、150℃で液圧モールドによって加熱硬化して作製した。硬化したコイル３は絶縁層５を幅45 mm×70 mmで切り出した。

鉄心１は打ち抜きによって製作したt0.35 mmの無方向性電磁鋼板を打ち抜き方向が揃うように積層し、任意の治具によって挟み込むように固定して作製した。このとき打ち抜き面が前記絶縁層５との接触面となるようにし、この面が鉄心１のスロット内壁を模擬した。

充填材４は(株)エービーシー商会製仕上げ材ei（エポキシ樹脂）を用い、鉄心打ち抜き面に塗布し硬化させた。このとき充填材の塗布方法は、刷毛塗りでも良いし、スプレー等を用いて噴射しても良い。

図２は、第１の実施形態における実験系の断面外略図を示す。熱源６は導体の発熱を模擬しておりTOSHIBA製ヒータ（HP-103K）を用いた。ヒータの上部に絶縁層５を配置し、さらにその上部に前記鉄心１を打ち抜き面が絶縁層５と接触するように配置した。絶縁層５と鉄心１の上部を除く箇所は断熱材によって断熱した。鉄心の冷却は自然冷却とした。温度の測定は熱源６と絶縁層５の接触部および鉄心部で行い、KEYENCE製データロガー（NR-600）によって温度変化を観察した。図３は定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を示す。その結果、従来品に比べ第１の実施形態の熱抵抗は約５％低減した。

本実施形態によれば、コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、鉄心１表面の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイル３の冷却性能を高めることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機固定子鉄心スロットのコイル３との接触部を示す。第１の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態は第１の実施形態の充填材４とコイル３の間に介在物７を配置した構成となる。

このような構成により、コイル３表面や充填材４表面の凹凸によって形成される空隙を充填することでコイル３−鉄心１間の熱抵抗である空隙を低減できる。

充填材４は(株)エービーシー商会製仕上げ材ei（エポキシ樹脂）を用い、鉄心１打ち抜き面に塗布し硬化させた。このとき充填材４の塗布方法は、刷毛塗りでも良いし、スプレー等を用いて噴射しても良い。または、充填材４を含浸したプリプレグ基材を押し付けても良い。

介在物７はゼオン化成(株)製t0.5 mm高熱伝導シート（TIMS-NZ2）を用いた。

図５は、第２の実施形態における実験系の断面外略図を示す。第２の実施形態と同様に試験を行い、測定した温度から定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を図６に示す。その結果、第１の実施形態に比べて第２の実施形態の熱抵抗は９％低減した。

本実施形態によれば、コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、コイル３表面または充填材４の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイル３の冷却性能を高めることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、第２の実施形態の図４、図５の介在物７を繊維強化材７ａとしたものである。本実施形態は第１の実施形態の充填材４とコイル３の間に繊維強化材７ａを配置した構成となる。

このような構成により、コイル３−鉄心１間に繊維強化材7aがあっても鉄心２の表面にある凹凸部分が充填材４によって充填されることでコイル３−鉄心１間の熱抵抗である空隙を低減できる。

繊維強化材７ａはガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸硬化させた表面抵抗を10³~10⁶Ωに調整した材料である。

第１の実施形態と同様に試験を行い、測定した温度から定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を図７に示す。その結果、従来品に比べ第３の実施形態の熱抵抗は２％低減した。

本実施例によれば、コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、鉄心１表面の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイル３の冷却性能を高めることができる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る回転電機固定子鉄心スロットのコイル３との接触部を示す図である。第１の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態は第１の実施形態の充填材４とコイル３の間に繊維強化材７ａ，弾性体７ｂを配置した構成となる。

このような構成により、繊維強化材７ａや充填材４表面の凹凸によって形成される空隙を充填することでコイル３−鉄心１間の熱抵抗である空隙を低減できる。

介在物７ａはガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸硬化させた繊維強化材７ａで表面抵抗を10³〜10⁶Ωに調整した材料である。弾性体７ｂはゼオン化成(株)製t0.5 mm高熱伝導シート（TIMS-NZ2）を用いた。

図９は、第４の実施形態における実験系の断面外略図を示す。第１の実施形態と同様に試験を行い、測定した温度から定常状態における導体〜鉄心間の熱抵抗を算出した結果を図１０に示す。その結果、第３の実施形態に比べ第４の実施形態の熱抵抗は１０％低減した。

本実施形態によれば、コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、充填材４または繊維強化材７ａ表面の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイル３の冷却性能を高めることができる。

（第５の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の充填材４に黒鉛、炭化ケイ素、炭化ホウ素などの炭素系材料を充填し、表面抵抗を10³~10⁶Ωに調整した構成となる。

さらに、本実施形態によれば、循環電流の発生を抑制することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の回転電機およびその製造方法によれば、コイル−鉄心間の剪断力による絶縁破壊を防止し、鉄心の冷却性能を維持しながら、鉄心表面の凹凸によって形成される空隙による熱抵抗を低減し、コイルの冷却性能を高めることができる。

本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
３コイル
４充填材
５絶縁層
６熱源
７介在物
７ａ繊維強化材
７ｂ弾性体

Claims

回転電機固定子鉄心スロットにコイルが挿入された回転電機において、
スロットを有する鉄心と、
前記鉄心のスロットに挿入されるコイルと、
前記鉄心のスロット内面の凹凸による空隙に充填される充填材と
を備えた回転電機。
前記充填材は、エポキシ樹脂である請求項１記載の回転電機。
前記コイルと前記充填材との間に少なくともひとつ以上の介在物を設けた請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転電機。
前記介在物のうち少なくともひとつは弾性体である請求項３記載の回転電機。
前記充填材に炭素系材料を充填し、表面抵抗を10³〜10⁶Ωにした請求項２記載の回転電機。
回転電機固定子鉄心スロットにコイルが挿入された回転電機の製造方法において、
鉄心のスロット内面の凹凸による空隙に充填材を塗布し硬化させ、
前記鉄心のスロットにコイルを挿入する
回転電機の製造方法。