JP2015089181A - 回転電機、コイルおよびコイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導体群のシールド性能を向上することができる回転電機、コイルおよびコイルの製造方法を提供する。【解決手段】回転電機は、回転子または固定子の一部にコイルを用いる。コイルは導体群、半導電のシールド層、対地絶縁用の主絶縁層、補強層を備える。導体群は複数の導体素線を束にしたものである。半導電のシールド層は導体群の周囲に形成されている。対地絶縁用の主絶縁層はシールド層の外側に配置されている。補強層は主絶縁層とシールド層との間に形成されている。補強層は主絶縁層とシールド層とを接着して補強する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、回転電機、コイルおよびコイルの製造方法に関する。

例えば発電機などの回転電機には、ロータまたはステータのいずれかにコイルを使用するものがあり、コイルの耐久性の向上が望まれている。

ロータまたはステータに用いられるコイルは、複数の銅線からなる導体群の外側にシールド層を設け、そのシールド層の外側に主絶縁層を形成している。

シールド層と導体は、電気的な接続が保たれ、シールド層の表面は、導体と同電位に保たれるとともに、主絶縁層の外周側のアース電位と、一定の電界が形成される。

一般的には、主絶縁層はマイカをエポキシ樹脂で含浸させたものを硬化させたものであり、シールド層との界面にはマイカ層が存在する。

特開２０００−０６９７０２号公報

しかしながら、近年、過酷な運転環境で使用されるコイル、例えば揚水発電機などのように起動停止回数を多く繰り返す発電機のコイルには、より一層高品位の絶縁特性が求められている。特にＩＥＥＥ１３１０に規定されるような、コイル単独でのヒートサイクル試験においては、試験後にシールド層と主絶縁層との間にわずかな浮き（隙間）が生じ、導体群のシールド性能が悪くなり、誘電損失の変化量が大きくなってしまうという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、導体群のシールド性能を向上することができる回転電機、コイルおよびコイルの製造方法を提供することにある。

実施形態の回転電機は、回転子または固定子の一部にコイルを用いる。コイルは導体群、半導電のシールド層、対地絶縁用の主絶縁層、補強層を備える。導体群は複数の導体素線を束にしたものである。半導電のシールド層は導体群の周囲に形成されている。対地絶縁用の主絶縁層はシールド層の外側に配置されている。補強層は主絶縁層とシールド層との間に形成されている。補強層は主絶縁層とシールド層とを接着して補強する。

実施形態の立軸バルブ水車発電機の構成を示す図である。 立軸バルブ水車発電機のコイルの構成を示す斜視図である。 図２のコイルの断面図である。 図３の要部Ａの拡大図である。 補強層の構造を示す図である。 マイカテープの構造を示す図である。 主絶縁層の構造を示す図である。 一般的なコイルの層構造でのせん断接着強度試験（改良前）を示す図である。 実施形態のコイルの層構造でのせん断接着強度試験（改良後）を示す図である。 改良前と改良後のせん断接着強さを比較した図である。 一般的なコイルの層構造での引き剥がし試験（改良前）を示す図である。 実施形態のコイルの層構造での引き剥がし試験（改良後）を示す図である。 改良前と改良後の引き剥がし強さを比較した図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
（実施形態）
図１は回転電機の一つの実施の形態の立軸バルブ水車発電機の構成を示す断面摸式図、図２は図１の立軸バルブ水車発電機に用いられるコイルの構造を示す斜視図、図３はコイルの断面図、図４は図３の要部Ａの拡大図である。

図１に示すように、この例の立軸バルブ水車発電機は、縦方向に続く水路内に埋設されており、水路を流れる水流により水車ランナー１２を回転させ、その回転エネルギーを水車ランナー１２に直結された発電機へ伝達して発電する発電機である。

すなわち、この立軸バルブ水車発電機は、外側ケーシング１７ａとその内側に配置されたバルブ１との間に設けられた水路に流水し、この流水の力により水車ランナー１２を回転させてその回転エネルギーをバルブ１内に収容された発電機本体９へ伝えて発電する発電機である。

この立軸バルブ水車発電機は、外側ケーシング１７ａの内側に中空構造のバルブ１を備えており、外側ケーシング１７ａとバルブ１間に水路（水の流れを矢印で示す）が形成されている。つまり水路中にバルブ１を含めた発電機本体９が組み込まれている。なおバルブ１の外壁をケーシング１７ともいう。

バルブ１の部分は、部位毎にバルブノーズ２、固定子枠３という言い方をする。バルブ１の部分には、監査路（図示せず）が設けられている。監査路は発電機内部にアクセスするための通路である。

固定子枠３の内壁部には、固定子鉄心４に固定子巻線５を挿入した固定子６が密着固定されている。また固定子枠３の内側には、回転子軸７（シャフトともいう）とともに回転する回転子８が設けられており、これらの部材により発電機本体９が構成される。

回転子軸７の下部には水路にランナーを露出させた水車ランナー１２が支持されている。水車ランナー１２は、水の圧力をランナーが受けてランナーを支持する回転子軸７を回転させる。

この立軸バルブ水車発電機は、運転時に固定子巻線５や固定子鉄心４などの発電機本体９の発熱部（回転子軸７を含む）を、バルブ１内の空気を循環させることで冷却する空冷方式をとっている。

空冷方式には、バルブ１内に空気冷却器を設置して発電機本体９にて加温された冷却風を冷却する方式と、バルブ１の内壁部に設けられた冷却フィンにて冷却風を冷却する冷却フィン方式があるが、この例の立軸バルブ水車発電機の場合、冷却フィン方式が採用されている。

冷却フィン方式の立軸バルブ水車発電機では、回転子８のファン効果を送風源として利用し、機内に機内空気１０を循環させる。

より詳細には、この立軸バルブ水車発電機は、機内空気１０が固定子鉄心４に設けた半径方向のダクトと、固定子巻線５のエンド部を通って発電機本体９を冷却して加温されて、固定子鉄心４と固定子枠３との間に設けたステー構造からなる通風流路１３と、固定子枠（胴部）３とバルブノーズ（ノーズ部）２の接続部を密閉して覆うジョイント部通風流路１４とを通って、固定子枠（胴部）３の内壁部およびバルブノーズ（ノーズ部）２の内壁部に設けた胴部冷却フィン１１ａおよびノーズ部冷却フィン１１ｂなどで冷却されてバルブ１内を循環するよう構成されている。

胴部冷却フィン１１ａおよびノーズ部冷却フィン１１ｂは、固定子枠３の内壁部およびバルブノーズ（ノーズ部）２の内壁部の周方向に所定の間隔を保って複数のフィンがそれぞれ軸方向に溶接され、放射状に設けられている。

胴部冷却フィン１１ａおよびノーズ部冷却フィン１１ｂは、発電機本体９で加温された機内空気１０（冷却風）が各フィンに当たりその熱をバルブ１の外壁部の水路の流水中に放熱し、機内空気１０を冷却する。

ここで、上記固定子巻線５として用いるコイルの構成とコイルの製造方法について説明する。
図２乃至４に示すように、コイルは、複数の導体素線２１、内部シールド層２２、主絶縁層２４、補強層２３などを備える。

導体素線２１は例えば銅線などであり、例えば２段複数列に積み重ねて束にして導体群とされている。
内部シールド層２２は複数の導体素線２１の束（導体群）の周囲に密着して導体群を包む（覆う）ように形成された半導電のシールド層である。

補強層２３は、図５に示すように、テープ基材のガラス布（ガラス繊維）にエポキシ樹脂を塗布または含浸させたテープ状の部材２５であり、その厚みは例えばＴ１とする。補強層２３は主絶縁層２４と内部シールド層２２との間（界面）に配設（形成）されている。補強層２３は主絶縁層２４と内部シールド層２２とを接着して補強する。

補強層２３としては、ガラス布（ガラス繊維）にエポキシ樹脂を含浸させた後に加熱乾燥して半固化状態（プリプレグ）にしたものを用いる。プリプレグにした補強層２３（ガラス布）を、内部シールド層２２の表面に、一定のテンションを加えながら導体外周にそって巻き回すことで、内部シールド層２２と粘着される。このようにプリプレグ化した補強層２３（ガラス布）を繊維強化プリプレグという。

その後、マイカテープ３１を巻き回して多重に積層し（多層化し）、加熱することにより一体化させて主絶縁層２４を形成する。
すなわち、プリプレグの状態の補強層２３を内部シールド層２２の周囲に配設した後にマイカテープ３１を補強層２３の外面に多重に巻き回し、マイカテープ３１と補強層２３を共に加熱して硬化させて主絶縁層２４を形成する。

このように、複数の導体素線２１を束にした導体群の周囲に内部シールド層２２を形成し、ガラス繊維にエポキシ樹脂を塗布または含浸させた後、加熱乾燥してプリプレグ化した補強層２３を形成し、プリプレグ化した補強層２３の外周に主絶縁層２４を形成することでコイルを製造する。

なお、補強層２３には、プリプレグ化していないガラス布（ガラス繊維）を用いてもよく、その場合は、ガラス布を巻き回した後に、エポキシ樹脂等の接着樹脂を塗布もしくは含浸処理を行うことによって内部シールド層２２とガラス布との間を樹脂により埋める処理を行ってもよい。

主絶縁層２４は内部シールド層２２の外側に、図６に示すように、マイカを主材とするマイカシート３２にエポキシ樹脂を含浸させた１枚のマイカテープ３１を多重に巻き回して、図７のように積層して形成した対地絶縁用の絶縁層である。１枚のマイカテープ３１の厚みは例えばＴ２とする。

主絶縁層２４に用いるマイカテープ３１が、例えば接着樹脂量の少ないドライタイプの場合は、プリプレグ化していないガラス布を巻き回した後に引き続きドライタイプのマイカテープ３１を巻き回し、その後に含浸処理を一括して実施してもよい。

ここで、本実施形態の効果について説明する。
図８、図９はせん断接着強さ試験を行う試験体の例であり、図１０は２つの試験体によるせん断接着強さ試験結果（測定データ）を示す図である。

図８に示すように、２枚の銅板７０の間に、ガラス層７３（主絶縁層７３を想定）と一般的なマイカ層７２（主絶縁層７３の最内層を想定）と内部シールド用のテープ７１（内部シールド層２２を想定）を積層した試験体（比較元）を作成し、両端の銅板７０を上下方向Ｂへ引っ張り試験を行った。

また図９に示すように、２枚の銅板７０の間に、マイカ層７２（主絶縁層７３の最内層を想定）とプリプレグ化したガラス布の層７３（以下「ガラスプリプレグ層７３」と称す）（補強層２３を想定）と内部シールド用のテープ７１（内部シールド層２２を想定）を積層した試験体（本実施形態）を作成し、両端の銅板７０の端部を上下方向Ｂへ引っ張り試験を行った。

そして、図８の試験体（比較元）でせん断接着強さの試験を行った場合と、図９の試験体（本実施形態）でせん断接着強さの試験を行った場合との試験結果を図１０に示す。

図１０に示すように、棒グラフ４１は一般的な構成（比較元）のせん断接着力を示し、棒グラフ４２は本実施形態のコイルの構成（ガラスプリプレグ層７３を用いた補強層２３と内部シールド層２２）でのせん断接着力を示す。

互いの棒グラフ４１，４２を比較すると、比較元のせん断接着力に対して、ガラスプリプレグ層７３を用いた補強層２３の内部シールド層２２へのせん断接着力が１．５倍程度向上していることがわかる。

図１１、図１２は引き剥がし試験を行う試験体の例であり、図１３は２つの試験体による引き剥がし試験結果（測定データ）を示す図である。

図１１に示すように、一般的なマイカ層７２の表面に内部シールド用のテープ７１（内部シールド層２２を想定）を貼り付けて、テープ７１の先端を矢印Ｃの方向へ引き上げた場合と、図１２に示すように、ガラスプリプレグ層７３の表面に内部シールド用のテープ７１（内部シールド層２２を想定）を貼り付けて、テープ７１の先端を矢印Ｃの方向へ引き上げた場合について、それぞれ強度のデータを測定し、互いの測定結果を比較するために生成したグラフを図１３に示す。ここでは、引き剥がし力を測定する試験に準拠して試験を実施した。

図１３に示すように、棒グラフ５１は、一般的な構成での引き剥がし力であり、棒グラフ５２は、本実施形態の構成での引き剥がし力を示すものである。

これら２つのグラフ５１、５２を比較すると、比較元の引き剥がし力に対して、ガラスプリプレグ層７３を用いた補強層２３の内部シールド層２２との間での引き剥がし力が５．５倍以上向上していることがわかる。

また、一般的に使用されるマイカテープは、様々な厚みのものがあり、したがってマイカ層の厚みも、各種類のマイカテープによって様々である。

使用するマイカテープ３１のマイカ層３３の厚みと補強層２３の厚みの比率が適切でないと、良好な電気絶縁特性と耐ヒートサイクル特性の両立が難しい。

補強層２３の厚みＴ１（図５参照）と主絶縁層２４の最内層のマイカテープ３１の厚み（図６参照）との比率が例えば１／３よりも小さいと、補強層２３の耐ヒートサイクル特性効果が低減した。

また、補強層２３の厚みＴ１（図５参照）と主絶縁層２４の最内層のマイカテープ３１の厚み（図６参照）との比率が１／２よりも大きいと、耐ヒートサイクル特性の効果は得られるものの、電界の集中する導体近傍に配置される最内層付近でのマイカテープ３１の体積分率を減ずることから課電寿命特性が低下する。

これらのことから、補強層２３の厚みＴ１と、主絶縁層２４を多層で構成するマイカテープ３１一枚の厚みＴ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）は１／３〜１／２が好ましい。多重に巻いたマイカテープ３１のうち特に最内層のマイカテープ３１の厚みが重要であり、この最内層のマイカテープ３１の厚みと補強層２３の厚みとの比率を基準とすることがよい。

一例として、主絶縁層２４の最内層のマイカテープ３１の厚み：０．１３ｍｍに対して補強層２３の厚み：０．０５ｍｍとする。なおこの例は一例に過ぎず他の数値の組み合わせであってもよい。

このようにこの実施形態によれば、導体素線２１の束の外側に半導電の内部シールド層２２を設け、その外側に対地絶縁のマイカテープ３１を多重に巻き回した主絶縁層２４を配置し、主絶縁層２４と内部シールド層２２との間に、エポキシ樹脂を塗布または含浸させたガラス布の層である補強層２３を設けたことで、せん断接着強さと引き剥がし強さを向上することができる。

すなわち、主絶縁層２４と内部シールド層２２との間に補強層２３を設けて層間の接着力を高めたことで、コイルのせん断方向の接着力と引き剥がし方向の耐力とを共に向上でき、この結果、複数の導体素線１１からなる導体群のシールド性能を向上することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。

上記実施形態では、固定子巻線５のコイルについて説明したが、回転子８側にコイルがある場合は、回転子８のコイルに適用してもよい。
また、上記実施形態では、補強層２３の基材にガラス布を用いたが、この他、アミラド繊維、アルミナ繊維などを用いてもよい。
さらに、上記実施形態では、立軸バルブ水車発電機を例にして説明したが、大容量の揚水発電機の固定子のコイルや可変速揚水発電電動機の回転子のコイルについても良好なヒートサイクル特性が得られることはいうまでもない。つまり耐ヒートサイクル特性に優れた回転電機を提供することができる。

５…固定子巻線、６…固定子、２１…導体素線、２２…内部シールド層、２３…補強層、２４…主絶縁層、３１…マイカテープ。

Claims (7)

1. 回転子または固定子の一部にコイルを用いた回転電機において、
   前記コイルが、
   複数の導体素線を束にした導体群と、
   前記導体群の周囲に形成された半導電のシールド層と、
   前記シールド層の外側に配置された対地絶縁用の主絶縁層と、
   前記主絶縁層と前記シールド層との間に形成され、前記主絶縁層と前記シールド層とを接着して補強する補強層と
   を具備する回転電機。
2. 前記補強層が、ガラス繊維にエポキシ樹脂を塗布または含浸させた後、加熱乾燥してプリプレグ化したものである請求項１に記載の回転電機。
3. プリプレグの状態の前記補強層を、前記シールド層の周囲に配設した後にマイカテープを前記補強層の外面に多重に巻き回し、前記マイカテープと前記補強層を共に加熱し硬化させて前記主絶縁層を形成した請求項２に記載の回転電機。
4. 前記マイカテープは、マイカシートにエポキシ樹脂を含浸させた後、硬化させて形成したものである請求項３に記載の回転電機。
5. 前記補強層の厚みと前記主絶縁層を多重に巻いて構成する一枚の前記マイカテープの厚みとの比率が１／３〜１／２である請求項３または請求項４のいずれかに記載の回転電機。
6. 回転電機の回転子または固定子に用いられるコイルにおいて、
   複数の導体素線を束にした導体群と、
   前記導体群の周囲に形成された半導電のシールド層と、
   前記シールド層の外側に配置された対地絶縁用の主絶縁層と、
   前記主絶縁層と前記シールド層との間に形成され、前記主絶縁層と前記シールド層とを接着して補強する補強層と
   を具備するコイル。
7. 回転電機の回転子または固定子に用いられるコイルの製造方法において、
   複数の導体素線を束にした導体群の周囲に半導電のシールド層を形成する工程と、
   ガラス繊維にエポキシ樹脂を塗布または含浸させた後、加熱乾燥してプリプレグ化した補強層を形成する工程と、
   プリプレグ化した前記補強層の外周に主絶縁層を形成する工程と
   を有するコイルの製造方法。

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