JP2019033202A - 巻線構造、コイル、変圧器及び回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の周囲の空隙に生じる電位差に起因する部分放電の発生を効果的に抑えることができる電気機器の巻線構造、コイル、変圧器及び回転機を提供すること。【解決手段】電気機器のための巻線構造（１）は、導電線（２）と、導電線の外周上に配置され、絶縁性樹脂からなる絶縁層（３）と、絶縁層の外周上に配置され、絶縁性樹脂に導電性材料を添加した第１導電層（４）と、第１導電層の外周上に配置された樹脂層（５）と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、巻線構造、コイル、変圧器及び回転機に関する。

変圧器に代表される電気機器では、高電圧となるコイルの導体の周囲をエポキシ樹脂等の固体絶縁物で封止している。しかし、導体の周囲に空隙が存在しないように封止することが困難である。導体の周囲に空隙が存在した状態で電気機器を稼働すると、コイル間に発生する電位差に起因して部分放電が発生し、電気機器の長期信頼性が低下するという問題が発生する。

このような問題を解決するために、空隙を少なくするために、樹脂モールドコイルの製造方法において、導体の周囲の空隙への樹脂の含浸性を高めることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されている通り、芯部の外周に導線が複数層をなすように巻き付けられた多重コイルにおいて、積層された導線間で電位差を持つようになる。この電位差を絶縁するために各層の間に層間絶縁材を介在させている。このため、導体と層間絶縁材との間に空隙が形成される。導体のターン数が１００前後であると、粘性の高い熱硬化性樹脂を軸方向内側に含浸させ、空隙を減らすことは容易でなかった。

そこで、特許文献１に記載された樹脂モールドコイルの製造方法では、液状の熱硬化性樹脂を通すための連通孔を複数有する層間絶縁材（紙）を、コイルの各層の間に介在させ、熱硬化性樹脂が、最外層の層間絶縁材の連通孔を通ってコイルの内部に侵入し、さらに、内部各層の層間絶縁材の連通孔を順次通ってコイルの径方向に含浸していき、各層の空隙部に流入する。この結果、熱硬化性樹脂の軸方向内側への含浸に比べて、空隙をより一層減らすことを実現している。

特開２０１６−２０７７４１号公報

一方、電気機器の長期信頼性を確保する観点からは、更なる部分放電の発生の抑制が要請される。特許文献１に記載の技術によれば、巻線の周囲の空隙をある程度まで低減することは可能であるが、完全になくすことは極めて困難であり、製造コストの観点から工業的に有効な手段とは必ずしも言えない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、巻線の周囲の空隙に生じる電位差に起因する部分放電の発生を効果的に抑えることができる電気機器の巻線構造、コイル、変圧器及び回転機を提供することを目的の一つとする。

本発明における巻線構造の一態様は、電気機器のための巻線構造であって、導電線と、前記導電線の外周上に配置され、絶縁性樹脂からなる絶縁層と、前記絶縁層の外周上に配置され、前記絶縁性樹脂に導電性材料を添加した第１導電層と、前記第１導電層の外周上に配置された樹脂層と、を具備することを特徴とする。

この構成により、第１導電層の電位を、中性点電位又は接地電位にすることにより、第１導電層が、電流が流れない電位をとるようになる。これにより、樹脂層と中性点電位又は接地電位との電位差、或いは、樹脂層と隣接する巻線の樹脂層との電位差を低く保持できることから、巻線周囲の空隙に生じる電位差を３００Ｖ以下に抑え、部分放電の発生を抑制することができる。

本発明における巻線構造の一態様において、前記樹脂層が、前記絶縁性樹脂からなることが好ましい。

本発明における巻線構造の一態様において、前記樹脂層が、前記絶縁性樹脂に導電性材料を添加した第２導電層であることが好ましい。

本発明における巻線構造の一態様において、前記第１導電層と前記第２導電層に添加される導電性材料は同じ組成であることが好ましい。

本発明における巻線構造の一態様において、前記第２導電層は、前記第１導電層よりも前記導電性材料の含有率が低いことが好ましい。

本発明における巻線構造の一態様において、前記導電性材料が、グラフェン又はカーボンナノチューブ或いはこれらの混合物であることが好ましい。

本発明における巻線構造の一態様において、前記絶縁層の厚さが前記樹脂層の厚さよりも大きいことが好ましい。

本発明におけるコイルの一態様は、上記記載の巻線構造を有する巻線を用いたことを特徴とする。

本発明におけるコイルの一態様は、上記記載の巻線構造を有する巻線を前記第２導電層どうしが接触するように巻き回したことを特徴とする。

本発明におけるコイルの一態様において、前記巻線及び前記巻線の前記第１導電層の電位を中性点電位又は接地電位にするための接続部を備えることが好ましい。

本発明における変圧器の一態様において、上記記載のコイルを用い、且つ、前記第１導電層の電位を三相交流式の中性点電位とすることを特徴とする。

本発明における回転機の一態様において、上記記載のコイルを用い、且つ、前記第１導電層の電位を前記コイルと共に前記コイルに用いられた巻線が巻き付けられたスロットの電位と等電位とすることを特徴とする。

本発明における変圧器の一態様において、上記記載のコイルを用い、且つ、前記第１導電層の電位を前記コイルの表面電位と等電位とすることを特徴とする。

本発明によれば、巻線の周囲の空隙に生じる電位差に起因する部分放電の発生を効果的に抑えることができる電気機器の巻線構造、コイル、変圧器及び回転機を提供することができる。

本実施の形態に係る巻線構造を示す模式図である。 本実施の形態に係る巻線構造を有する巻線を用いたコイルを示す模式図である。 本実施の形態に係る巻線構造を有する巻線を用いたコイルにおいて、巻線の折り返し部分が近接した部位を示す模式図である。 本実施の形態に係る巻線構造に適用される端部接続構造を示す模式図である。 本実施の形態に係る巻線構造を有する巻線が接続される中性点の一例を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る電気機器のための巻線構造について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明に係る巻線構造については、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

本実施の形態では、電気機器の一例として変圧器及び回転機を例に挙げて説明するがこれに限定されない。

＜巻線構造＞
図１は、本実施の形態に係る巻線構造を示す模式図である。図１に示すように、巻線構造１は、導電線（芯線）２を備えている。

本実施の形態において、導電線２は、銅、銅合金などの良電体を線状に引き伸ばしたワイヤであり、被覆がない裸電線であることが好ましい。導電線２は、より具体的には、例えば、直径０．５〜８ｍｍの銅線又は銅合金線等の金属導線である。

導電線２の外周上には、絶縁層３が設けられている。絶縁層３は、例えば、ポリアミドイミド及びポリウレタンのような熱硬化性の絶縁性樹脂で構成されている。

絶縁層３の厚さは、特に限定されないが、例えば、２０００Ｖの高電圧が導電線２にかかった場合にも第１導電層４（後述）との間の絶縁が保たれるように、絶縁性樹脂の種類等を考慮して適宜選択される。

絶縁層３の外周上に第１導電層４が配置されている。第１導電層４は、例えば、絶縁層３に用いられる絶縁性樹脂に導電性材料を添加して導電化して得ることができる。

導電性材料は、例えば、炭素系導電性材料である。炭素系導電性材料は、例えば、カーボン粉末、グラフェン、又は、カーボンナノチューブ或いはそれらの混合物である。これらのうち、グラフェン、又は、カーボンナノチューブ或いはそれらの混合物であることが好ましい。カーボン粉末等に比べ、コイルの作製に必要な引張強度と可撓性を高めることができるからである。

基材となる絶縁性樹脂であるポリアミドイミド又はポリウレタンに、炭素系導電性材料を、例えば、重量パーセント比で１５％以上６０％以下添加することにより、絶縁性材料からなる層に導電性を付与することができる。

第１導電層４の厚さは、特に限定されないが、巻き付け曲げ時にひび割れを生じないことを目的とし、巻線直径の１／２０以下に抑えることが望ましい。また、導電性を確保するために、第１導電層４を５マイクロメートル以上の厚みになるように構成することが望ましい。

さらに、第１導電層４の外周上には、最外層として樹脂層５が配置されている。樹脂層５は、絶縁性樹脂からなる絶縁層であってもよいし、絶縁性樹脂に導電性材料を添加した導電層（以下、第２導電層と記載する）であってもよい。

樹脂層５に用いられる絶縁性樹脂としては、絶縁層３及び第１導電層４を構成する絶縁性樹脂と同様のものを用いることができる。

また、樹脂層５を第２導電層とするには、上記第１導電層４において説明したように、例えば、絶縁性樹脂に導電性材料を添加して導電性を付与する。

樹脂層５を第２導電層とした場合、第２導電層は、第１導電層４よりも導電性材料の含有率が低いことが好ましい。樹脂層５は、コイルの芯部に巻線を巻き回す際に第１導電層４が擦過により亀裂を発生するのを防止し、巻線を取り扱いやすくする観点から、第１導電層４よりも強靭性及び可撓性に優れていることが好ましいからである。

樹脂層５の厚さは、特に限定されないが、絶縁層３の厚さよりも薄くすることが望ましく、特に絶縁層３の１／３以下の厚みにすることが好ましい。言い換えれば、絶縁層３の厚さは、樹脂層５の厚さよりも大きいことが好ましい。

＜全固体絶縁巻線＞
上記巻線構造１のように、絶縁のためのすべての層が空隙を含まない固体からなる絶縁構造を、全固体絶縁と呼ぶ。全固体絶縁では空気を含まないのですべての電位差が固体にかかる点で、ほとんどの電位差が空気に加わるガス絶縁、及び、ほとんどの電位差が固体に加わるが、空気を含むため空気に一部の電位差が加わる複合絶縁（既存の固体絶縁）とは相違している。このような絶縁構造は、巻線に高電圧（例えば２０００Ｖ）がかかる場合に特に有益である。

＜巻線の製造方法＞
以下、巻線構造１を有する巻線の製造方法の一例について説明する。まず、導電線２として、所定の径に延伸し、ワイヤ状に成形した銅線を一方のリールから送り出し、対向する他方のリールで巻き取る。これらのリールの間に加工ラインを施設する。

加工ラインには、絶縁層３、第１導電層４、及び、樹脂層５に対応して、３つの被覆処理部が連続して配置されている。１つの被覆処理部は、溶融した樹脂（絶縁性樹脂又は導電性材料を添加した絶縁性樹脂）（以下、樹脂溶液と記載する）を収容し、走行する銅線が樹脂溶液に浸漬される溶液槽と、溶液槽から引き出された溶融樹脂が塗工された銅線を乾燥する乾燥炉と、を具備する。

３つの被覆処理部のそれぞれにおいて、銅線の表面に溶融樹脂が塗工され、これを乾燥して被覆層が形成される。この結果、上記巻線構造１を有する巻線を連続的に製造することができる。

本実施の形態に係る巻線構造１を有する巻線の製造方法は、上述の製造方法に限定されるものではない。例えば、浸漬による被覆層の形成に代えて、押出機を用いた被覆層の形成を行ってもよい。

＜コイル＞
図２は、本実施の形態に係る巻線構造１を有する巻線を用いたコイルを示す模式図である。図２に示すように、コイル１０は、巻線構造１を有する巻線１１を、絶縁材料からなる芯部１２の外周に複数層（図２では、４層だが、限定されない）をなすように巻き付けた多重コイルである。さらに、コイル１０では、各層の間に層間絶縁材１３を介在させている。

図２に示すコイル１０において、巻線１１と巻線１１とが接触する箇所にくさび形状の隙間が生じる。このような隙間では、巻線１１と巻線１１との距離が無段階に変化するため、最も放電しやすい距離（大気圧、常温下では８〜９μｍ）の部位が形成され易く、この部位で放電が発生しやすい。

また、図２に示すコイル１０では、例えば、巻線１１の折り返し部分が近接した部位（図２中破線で囲んだ部分）では、層間、すなわち層間絶縁材１３を介して隣接する巻線１１と巻線１１との間の電位差が２層分のターン数だけ電位差を持つようになる。

図３は、本実施の形態に係る巻線構造１を有する巻線１１を用いたコイル１０において、巻線１１の折り返し部分が近接した部位を示す模式図である。図３に示すように、折り返し部分において、隣接する２つの巻線１１の電位と２層目の巻線１１の電位との間に３５０Ｖ以上の電位差が存在すると、巻線１１と巻線１１、又は、巻線１１と層間絶縁材１３との間のくさび形状の隙間（図３中、記号Ｘで示す）で放電に至る可能性が高い。

そこで、本実施の形態に係る巻線構造１では、導電線２（図１参照）の外周上に、絶縁層３を介して、第１導電層４を配置し、第１導電層４の電位を中性点電位又は接地電位にする、本発明の接続部の一例である中性点接続部２１を設けている。図３中、記号Ｏは、中性点電位又は接地電位を示している。

このように第１導電層４の電位を、中性点電位又は接地電位にすることにより、第１導電層４が、電流が流れない電位をとるようになる。これにより、導電線２と第１導電層４との電位差を低く保持できることから、くさび形状の隙間Ｘの空隙に生じる電位差を３００Ｖ以下に抑え、部分放電の発生を抑制することができる。

電気機器において、中性点は、電気的に中性な状態であり、中性点電位は電流が流れない電位である。一方、接地電位は必ずしも電気的に中性な状態ではなく、電流が流れる電位である場合もある。本実施の形態では、接地電位は、電流が流れない電位である場合を意味する。

部分放電を抑制するために、すべてのくさび形状の隙間を樹脂で封止するには、高粘度の絶縁性樹脂を含浸させるために、真空含浸のための大掛かりな設備が必要になる。

また、部分放電を抑制するために、導電線２の断面積を大きくし、電流を多く流すことが有効であるが、巻線１１の材料コストが高くなる。

これに対して、本実施の形態に係る巻線構造１（図１参照）によれば、部分放電の発生を、樹脂封止を必ずしも行わなくても防止できるので、樹脂封止を省略することにより、大幅に製造コストを下げながらも、巻線１１の材料コストを上げることなく、電気機器の長期信頼性を確保することができる。或いは、樹脂封止によって、例えば、上述のくさび形状の隙間に存在する空隙が残ったとしても、部分放電の発生を抑制できるので、製造コスト及び材料コストを上げることなく、電気機器の長期信頼性を確保することができる。

＜中性点接続部＞
次に、上述の中性点接続部２１（図３参照）の具体例について説明する。

まず、中性点接続部２１は、例えば、第１導電層４に電気的に接続された接点と、当該接点と電気機器の中性点又は接地点とを電気的に接続する導電部材とによって構成することができる。

（端部接続構造）
図４は、本実施の形態に係る巻線構造１に適用される端部接続構造を示す模式図である。図４に示すように、巻線１１の末端から所定の長さの部分において、絶縁層３、第１導電層４及び樹脂層（最外層）５（以下、単に被覆とも記載する）を除去し、導電線２をむき出しにする。以下、被覆が除去された巻線１１の部分を被覆除去部分と記載する。このような状態の巻線１１の末端に、端部接続構造３０を形成する。

図４に示すように、端部接続構造３０は、例えば、絶縁ブロック３１と、絶縁ブロック３１に埋設された接続リング３２と、で構成される。

絶縁ブロック３１は、絶縁性樹脂で構成されているが、絶縁層３、第１導電層４、樹脂層５を構成する絶縁性樹脂に比べて、硬化時に硬度が高いものを選択することが、後述する被覆のテーパ化の加工性の観点から、好ましい。

絶縁ブロック３１は、一方の端面（図４に示す左側の端面）から他方の端面（図４に示す右側の端面）に向って所定の深さまで、巻線１１の末端であって被覆を有する部分（以下、被覆部分と記載する）が挿入される挿入孔３３が形成されている。挿入孔３３の内径は、当該被覆部分の外径よりも僅かに大きくなっている。

また、挿入孔３３の先端（図４に示す右側の末端）から絶縁ブロック３１の他方の端面に向って所定の深さまで、テーパ孔３４が形成されている。テーパ孔３４の後端（図４に示す左側の末端）の内径は、絶縁層３の外径と概ね一致している。一方、テーパ孔３４の先端（図４に示す右側の末端）の内径は、導電線２の外径よりも僅かに大きくなっている。したがって、テーパ孔３４は、後端から先端に向って内径が徐々に小さくなっている。

さらに、絶縁ブロック３１において、テーパ孔３４の先端から絶縁ブロック３１の他方の端面にわたって、漏斗状の拡径部３５が形成されている。拡径部３５の後端（図４に示す左側の末端）の内径は、テーパ孔３４の内径と概ね一致している。一方、拡径部３５の先端（図４に示す右側の末端）の内径は、特に限定されないが、後端の内径よりも大きくなっている。したがって、拡径部３５は、後端から先端に向って内径が徐々に大きくなっている。

絶縁ブロック３１には、挿入孔３３とテーパ孔３４との境界部付近に、接続リング３２が埋設されている。接続リング３２は、金属導体、例えば、銅又は銅合金で構成されている。接続リング３２の内周面には、その径方向内側に向って突出するエッジ３２ａが連続的に形成されている。エッジ３２ａの先端部での内径は、巻線１１の第１導電層４の外径と概ね一致している。

さらに、絶縁ブロック３１の所定の箇所、本実施の形態では、図４に示す下側には、リード線３６を通し、リード線３６の末端を接続リング３２に半田３７で半田付けするための接点用孔３８が形成されている。リード線３６の接続リング３２への接続方法は半田付けに限定されず、他の方法であってもよい。

接続リング３２の埋設は、例えば、以下のように行うことができる。まず、絶縁ブロック３１の材質として、熱溶融性の絶縁性樹脂を選択する。そして、鋳型を用いて絶縁ブロック３１を射出成型する際、当該鋳型の所定の箇所に接続リング３２を設置しておく。

上述のような構成からなる端部接続構造３０において、図４に示すように、巻線１１の被覆除去部分が、絶縁ブロック３１の一方の端部側から、挿入孔３３、テーパ孔３４及び拡径部３５を順次通って、他方の端部側まで至り、突出するように、巻線１１の末端を絶縁ブロック３１に挿入していく。

すると、まず、巻線１１の、被覆除去部分及び被覆部分の境界、すなわち被覆の端面において、接続リング３２のエッジ３２ａに当たり、樹脂層（最外層）５が除去される。さらに、巻線１１を挿入していくと、被覆の端面は、まず、絶縁ブロック３１に形成された挿入孔３３の先端部と、テーパ孔３４の後端側の開口部とがなす角部３３ａに突き当たる。第１導電層４を構成する絶縁性樹脂（基材）の硬度は、絶縁ブロック３１を構成する絶縁性樹脂よりも低い。また、テーパ孔３４の後端の内径は、絶縁層３の外径と概ね一致している。このため、巻線１１をさらに挿入すると、被覆のうち第１導電層４が角部３３ａによって除去される。

なお、除去された被覆は、接点用孔３８から絶縁ブロック３１の外に出る。

次に、第１導電層４が除去され、絶縁層３が露出した巻線１１をテーパ孔３４内に押し込んでいく。絶縁層３を構成する絶縁性樹脂の硬度は、絶縁ブロック３１を構成する絶縁性樹脂よりも低い。このため、絶縁層３は、テーパ孔３４の内面に沿って変形し、テーパが付けられる。これを被覆のテーパ化と呼ぶ。

このようにして、巻線１１の末端を絶縁ブロック３１へ挿入していくことにより、樹脂層５、第１導電層４の除去及び被覆のテーパ化が行われる。また、接続リング３２のエッジ３２ａと第１導電層４とが接触した状態となる。この結果、接続リング３２と第１導電層４との導通が得られる。

被覆のテーパ化により、絶縁層３と絶縁ブロック３１とが相互に密着するため空気が入り難く空隙が生じにくいので、この部位での部分放電を抑制することができる。

なお、樹脂層５及び第１導電層４の除去及び被覆のテーパ化の作業性の観点から、巻線１１の末端の絶縁ブロック３１への挿入は、例えば、圧入又は締め込みにより充分な外力を加えながら行うことが望ましい。

その後、図４に示すように、絶縁ブロック３１の拡径部３５を塞ぎ、且つ、被覆除去部分の導電線２を包み込むようにして、ワニス状の絶縁接着剤３９で固定する。

上述のような構成からなる端部接続構造３０により、巻線１１の端部において、接点の一例である接続リング３２及び導電部材の一例であるリード線３６を介して、第１導電層４と中性点又は接地点との電気的な接続を確立することができる。

また、巻線１１の端部において、導電線２及び第１導電層４が空気に接し、例えば２０００Ｖの高電圧が導電線２にかかったとき、両者の距離が近いと空気による絶縁が十分ではなく放電を生じてしまう。端部接続構造３０では、テーパ孔３４の深さの分だけ、導電線２及び第１導電層４の距離を確保している。また、テーパ孔３４内に位置する絶縁層３、テーパ孔３４の近傍の絶縁ブロック３１及び絶縁接着剤３９により、導電線２及び第１導電層４の間を固体絶縁できる。この結果、導電線２に高電圧がかかっても第１導電層４との間で放電が生じるのを抑制することができる。

端部接続構造３０は、樹脂層（最外層）５を剥離し、第１導電層４を接続リング３２に接触させることができるので、樹脂層５が絶縁層である場合に特に有益であるが、樹脂層５が導電性材料を含む第２導電層である場合にも樹脂のテーパ化や接続リング３２による中性点接続の作業性の観点から有益である。

上記説明したような端部接続構造３０は、高電圧がかかるコイル１０において、端部接続構造３０自体での部分放電を抑制するのに特に有効である。しかし、本発明の巻線構造を有する巻線を用いたコイルのための端部接続構造は、これに限定されるものではない。

（表面接触を利用した中性点接続）
次に、樹脂層（最外層）５の表面の接触を利用した中性点接続部について説明する。この場合、樹脂層５を、絶縁性材料に導電性材料を添加した第２導電層とする。以下の説明では、樹脂層５を第２導電層５と記載する。

第１導電層と第２導電層に添加される導電性材料は同じ組成であっても違う組成であってもよいが、同じ組成であることが好ましい。

図２に示すコイル１０のように、多重コイルにおいて、巻線１１は、芯部１２の外周に、その軸方向に沿って、互いに接触させながら巻き回される。このとき、最外層である第２導電層５が、隣接する巻線１１の間で互いに接触する。コイル１０をその軸方向に沿った切断面（図２参照）で見たとき、図３に示すように、隣接する巻線１１の第２導電層５どうしの接点（Ａ）を順次介して電気が導通するようになる。

したがって、芯部１２の外周に巻線１１を繰り返して巻き回し（例えば、１００ターン）、コイル１０の径方向で最も内側に位置する巻線１１と、最も外側に位置する巻線１１とで導電線２を介した電気の導通距離が極めて長くなったとしても、隣接する第２導電層５どうしの接点（Ａ）を順次介した電気の導通距離は最短で確保することができる。コイル１０の径方向で内側に位置する巻線１１の第２導電層５と、外側に位置する巻線１１との電位差は、導電線２を介した電気の導通距離に応じて大きくなる。しかし、表面接触を利用した中性点接続によれば、コイルの径方向で内側に位置する巻線１１の第２導電層５の電位を、外側に位置する巻線１１の第２導電層５の電位（以下、表面電位と記載する）に近づけることができる。

そして、第２導電層５は、第１導電層４の周面上に直接設けられている（図１参照）。したがって、第１導電層４は、巻線１１がコイル１０の径方向のどの位置にあっても、隣接した巻線１１どうしの第２導電層５を順次介して、コイル１０の表面電位と等電位になる。さらに、コイル１０の表面の巻線１１の第２導電層５の電位を中性点電位又は接地電位（図２中、記号Ｏで示す）にする中性点接続部２１を設けることにより、第１導電層４の電位は中性点電位又は接地電位にすることができる。この結果、コイル１０における部分放電を抑制できるようになる。

ここでは、変圧器に用いられる多重コイルを例に挙げて説明したが、回転機において、スロットに巻線を繰り返して巻き回した回転子においても同様の課題があり、本実施の形態に係る巻線１１を用い、表面接触を利用した中性点接続を適用することにより、解決することができる。

＜電気機器への応用＞
以下、上述の巻線１１を用いたコイル１０を、電気機器の一例である変圧器及び回転機に用いる場合について説明する。

部分放電は、個々のエネルギーは小さいが、長時間継続するとオゾンを生じ、巻線の被覆に用いられる絶縁性樹脂が酸化により分子切断され、絶縁性が低下し、短絡を生じ、変圧器や回転機の破損に至る。

変圧器に関しては、図２を参照して説明したような多重円筒コイルが主に用いられる。したがって、上述のように、コイルの巻線の折り返し部分が近接した部位での部分放電が生じやすい。

一方、回転機に関しては、例えば、巻線を、櫛歯状のスロット（鉄心）に巻き付けて使用する。このため、コイルとスロットとの間で部分放電が生じることがある。

したがって、図１に示すような巻線構造１を有する巻線１１（図２参照）を用い、第１導電層４の電位を中間点電位又は接地電位にすることで、変圧器及び回転機の破損を防止することができる。

変圧器において、例えば、コイル１０（図２参照）に用いた巻線１１の第１導電層４（図１参照）を、中性点接続部２１を介して、変圧器の中性点に接続し、第１導電層４の電位を中性点電位とする。

この場合、中性点接続部２１は、図２を参照して説明したように、コイル１０の表面電位が中性点電位となるように、コイル１０の最外層を構成する巻線１１の第２導電層５を、変圧器の中性点に接続する。また、隣接する第２導電層５どうしの接点を順次介して電気的な導通を確保する。さらに、第２導電層５に直接接する第１導電層４と電気的な接触を確保する。これにより、第１導電層４の電位を、コイル１０の表面電位、すなわち中性点電位とすることができる。

図５は、本実施の形態に係る巻線構造１を有する巻線１１が接続される中性点の一例を示す模式図である。図５に、変圧器に用いられる三相のコイル５１、５２、５３を示す。コイル５１、５２、５３は、それぞれＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルである。三相のコイル５１、５２、５３は、互いに１２０度の位相差で三相交流式の中性点ＯにＹ結線されている。中性点Ｏの電位は、電気的に中性であり、電流が流れない電位である。したがって、上述のコイル１０の最外層を構成する巻線１１の第２導電層５（図２参照）を、図５中の一点鎖線で示すように、三相交流式の中性点Ｏに接続することで、第１導電層４の電位を三相交流式の中性点電位にすることができる。

回転機に関しては、スロットに巻線構造１（図１参照）を有する巻線であって、樹脂層（最外層）５が第２導電層５である場合、巻線とスロットとの接点で電気的な導通を確保できる。したがって、第１導電層４は、隣接する第２導電層５どうしの接点を順次介して、スロットに電気的に接続されるので、第１導電層４の電位は、スロットの電位（以下、スロット電位と記載する）と等電位になる。さらに、コイル１０の表面電位を中性点電位又は接地電位（図２中、記号Ｏで示す）にする中性点接続部を設けることにより、第１導電層４の電位は中性点電位又は接地電位にすることができる。この結果、コイルにおける部分放電を抑制できるようになる。

以上説明したように、本実施の形態に係る巻線構造１（図１参照）によれば、第１導電層４の電位を、中性点電位又は接地電位にすることにより、第１導電層４が、電流が流れない電位をとるようになる。これにより、導電線２と第１導電層４との電位差を低く保持できることから、空隙に生じる電位差を３００Ｖ以下に抑え、部分放電の発生を抑制することができる。

第１導電層４を、絶縁性樹脂に導電性材料を添加して構成しているため、空隙がなく可撓性に優れているので、部分放電の要因となり難い。

第１導電層４をメッキ又はスパッタリング等で形成される金属被膜で構成することも考えられる。しかし、金属被膜は、コイルの芯部に巻線を巻き回す際の曲げや引張によって亀裂を発生したり、部分的に熱抵抗の増加によって破断が生じたりする可能性がある。このような亀裂や破断は空隙が生じる要因となり、空隙がない層を実現することが技術的に極めて困難であり、現実的でない。

また、第１導電層４の周面上に樹脂層５を設けている。樹脂層５は、コイル１０の芯部１２（図２参照）に巻線１１を巻き回す際に第１導電層４が擦過により亀裂を発生するのを防止すると共に、樹脂層５自体も空隙がなく可撓性にも優れているので、巻線１１の強靭性をより一層高め、しかも取り扱いやすく、コイル１０の製造の作業性を低下させることがない。

さらに、樹脂層５を、絶縁性樹脂に導電性材料を添加した第２導電層５とすることにより、図２に示すコイル１０のような多重コイルなどにおいて、巻線１１を繰り返し巻き回す場合、隣接する巻線１１の第２導電層５どうしを接触させることにより、電流密度及び熱抵抗を低下させることができる。

また、巻線構造１を有する巻線を用いたコイルを適用した変圧器及び回転機において、第１導電層４の電位を中性点電位又は接地電位にすることにより、第１導電層４に大容量の電流が流れるのを回避でき、第１導電層４の破損を防止できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている部材などの大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

例えば、上記実施の形態では、図５を用いて、第１導電層４（図１参照）を三相交流式の変圧器の中性点に接続する場合について説明したが、単層二線式の交流電力ケーブル及び直流二線式の電力ケーブルの中間電位に第１導電層４を接続してもよい。

本発明の巻線構造によれば、巻線の周囲の空隙に生じる電位差に起因する部分放電の発生を効果的に抑えることができるという効果を奏し、特に、変圧器及び回転機に好適に用いることができる。

１ 巻線構造
２ 導電線
３ 絶縁層
４ 第１導電層
５ 樹脂層（第２導電層）
１０、５１、５２、５３ コイル
１１ 巻線
１２ 芯部
１３ 層間絶縁材
２１ 中性点接続部（接続部）
３０ 端部接続構造
３１ 絶縁ブロック
３２ 接続リング
３９ 絶縁接着剤

Claims (13)

1. 電気機器のための巻線構造であって、
   導電線と、
   前記導電線の外周上に配置され、絶縁性樹脂からなる絶縁層と、
   前記絶縁層の外周上に配置され、前記絶縁性樹脂に導電性材料を添加した第１導電層と、
   前記第１導電層の外周上に配置された樹脂層と、
   を具備することを特徴とする巻線構造。
2. 前記樹脂層が、前記絶縁性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の巻線構造。
3. 前記樹脂層が、前記絶縁性樹脂に導電性材料を添加した第２導電層であることを特徴とする請求項１に記載の巻線構造。
4. 前記第１導電層と前記第２導電層に添加される導電性材料は同じ組成であることを特徴とする請求項３に記載の巻線構造。
5. 前記第２導電層は、前記第１導電層よりも前記導電性材料の含有率が低いことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の巻線構造。
6. 前記導電性材料が、グラフェン又はカーボンナノチューブ或いはこれらの混合物であることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の巻線構造。
7. 前記絶縁層の厚さが前記樹脂層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の巻線構造。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の巻線構造を有する巻線を用いたことを特徴とするコイル。
9. 請求項３から請求項７のいずれかに記載の巻線構造を有する巻線を前記第２導電層どうしが接触するように巻き回したことを特徴とするコイル。
10. 前記巻線及び前記第１導電層の電位を中性点電位又は接地電位にするための接続部を備えることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のコイル。
11. 請求項８から請求項１０のいずれかに記載のコイルを用い、且つ、前記第１導電層の電位を三相交流式の中性点電位とすることを特徴とする変圧器。
12. 請求項８から請求項１０のいずれかに記載のコイルを用い、且つ、前記第１導電層の電位を前記コイルと共に前記コイルに用いられた巻線が巻き付けられたスロットの電位と等電位とすることを特徴とする回転機。
13. 請求項９に記載のコイルを用い、且つ、前記第１導電層の電位を前記コイルの表面電位と等電位とすることを特徴とする変圧器。

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