JP3105256B2 - 支持体と巻線要素とからなる含浸構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、強磁性で導電性の支持体と巻線要素とか
らなり、例えば、約20MVA以上、殊に50MVA以上の電気的
入力及び出力を持つ大型電気機械において使用される構
造、特にタービン発電機において固定子として使用され
る構造に関する。

この種の構造における巻線要素は、通常、少なくとも
１つの良導電性金属線或いは金属棒、特に多数のこのよ
うな金属棒を備えた導体を有し、電気的に半導電性の保
護層によって包まれている絶縁層によって取り囲まれて
いる。巻線要素の絶縁層は、一般に、充填材で含浸され
るべき或いは含浸された雲母を含んだ素材からなる。こ
の素材は、通常、導体の上に巻かれた雲母粉末をベース
としたテープであり、充填材は合成樹脂、特に熱硬化性
エポキシ樹脂、例えばエポキシ樹脂及び無水酸化物の混
合物である。巻線要素の金属線或いは金属棒は流動性冷
却媒体を通すために中空にされることもある。巻線要素
としては棒状の導体、特に両端で折れ曲がったほぼ直線
状の導体を持つバーコイル及び金属線を巻回してなる導
体を備えた型コイルが公知である。型コイルは、通常、
それぞれ別の溝に挿入されるほぼ直線状の２つのセグメ
ントを持っている。バーコイルは、通常、大出力の発電
機、例えばタービン発電機において使用され、型コイル
は小出力の発電機に特に使用される。

大型発電機の巻線要素を備えたコンポーネントを製作
するための最も普及した方法は、巻線要素をコンポーネ
ントに装着する前に既にその絶縁層の含浸を行い、この
含浸体を特別のプレス型で硬化させて必要な外形を持つ
ようにした巻線要素を用意する必要がある。ところで最
近、巻線要素をその支持体に組み込んでから初めて充填
材を含浸する、いわゆる全含浸法が使用されるようにな
ってきた。この全含浸法を導入することにより、今まで
必要であったプレス等による精密な形状の形成が大幅に
不要とすることができた。また全含浸法では巻線要素を
挿入する支持体の溝が殆ど完全に充填材で満たされるの
で、巻線要素は、今まで常に必要であった特別の閉塞手
段を必要とすることなく、支持体の溝の中に殆ど全不動
に固定することができる。

支持体と巻線要素とからなる全含浸構造の設計に当た
っては、充填材の含浸の際及びそれに続く充填材の硬化
の際にも、そしてまた後の運転の際にも、電気機械にお
いて通常の周囲温度から100℃以上までの温度の変動を
受けるということを考慮しなければならない。さらに、
（通常強磁性の金属からなる）支持体と、（一般にエポ
キシ樹脂からなる）充填材との熱膨張係数が互いに異な
ることから、熱応力が発生し、充填材中に亀裂が生ずる
おそれも十分に考慮しなければならない。このために、
各巻線要素とこの巻線要素が装着されている溝の少なく
とも１つの溝壁との間に、その強度が溝内の他の層の強
度に比べて明らかに小さい隔離層を挿入することが従来
公知である。この場合、好ましいことに亀裂はこの隔離
層に発生する。このような亀裂におけるコロナ放電（こ
れは特に大型電気機械の固定子側に存在する危険であ
る）を回避するために、隔離層は、互いに接続された電
気的に少なくとも弱伝導性の２つの層の間に挿入される
ことによりシールドされる。巻線要素に直接接する弱導
電性の層には、その場合、一般に元々所謂「コイル側コ
ロナ放電シールド」として巻線要素に付設されている保
護層を当てることができる。隔離層の背後の保護層に対
向して存在する他の少なくとも弱導電性の層の機能は、
場合によって溝壁自体が引き受ける。しかしながら、補
助的な導電性或いは弱導電性中間層を挿入することもで
きる。

大型発電機のコンポーネントの製作に際して全含浸法
を適用する際のその他の構成は、国際特許出願公開第WO
91/01059号公報やヨーロッパ特許出願公開第0379012号
公報に記載されている。これらの文献は強磁性で導電性
の支持体と、巻線導体とからなる構造の製作に全含浸を
前述の方法で適用したものに関するものであり、さらに
後者の公報は、巻線導体の支持体による支持が、全含浸
により生ずる長所を充分利用しながらいかに実現され得
るかについて言及している。

大型発電機のコンポーネントを製作する際における全
含浸法については、ドイツ連邦共和国特許出願公開第36
36008号公報や米国特許第3990029号明細書にも記載され
ている。これらの文献も、勿論、巻線導体の構成に関す
るものであるが、その絶縁層は支持体に装着される際に
既に含浸が完了しているものである。

電気機械の巻線要素及び巻線の製作に関して並びに電
気的及び熱的に負荷の大きい電気機械における絶縁につ
いては、ハー・セグヴェンツ著の書籍「電気機械の巻線
の製作」、シュプリンガー出版社、ウイーン及びニュー
ヨーク、1973年においても言及されている。また電気機
械の絶縁にとって非常に重要な材料「雲母」についての
詳細な論述は、ハー・ヴェー・ロッター著「雲母及び雲
母製品」、シーメンス、アクチエンゲゼルシャフト、ベ
ルリン及びミュンヘン1985年にも見られる。特にこの文
献には、雲母薄片及び雲母粉末片を使用する実際例が示
されている。なおここで「雲母薄片」とは、大きな雲母
結晶を剥離することにより得られる雲母の薄片を意味す
るものとし、「雲母粉末片」とは特に、雲母の微粉末か
らなる紙状の製品を意味するものとする。雲母薄片及び
雲母粉末片は、和紙、ガラス繊維或いはプラスチック繊
維等を基板とした雲母製品からなる雲母テープとして使
用される。第二の参照文献によれば、雲母粉末片は熱的
にかつ電気的に負荷の大きい電気機械において絶縁を形
成するのに適した製品である。というのは、雲母薄片か
らなる絶縁は、そのばね作用に基づき、そしてまた雲母
薄片がさらに剥離する傾向にあることから、雲母粉末片
より中空室を作る傾向が遥に大きく、従って場合によっ
ては絶縁中にコロナ放電を招くことがあるからである。

強磁性で導電性の支持体と棒状導体とからなり、全含
浸法で充填物を含浸し、上述したように各棒状導体とこ
の導体が挿入される溝の少なくとも１つの溝壁との間に
隔離層を配置し、この隔離層をコロナ放電を回避するた
め電気的にシールドする構成は、国際出願公開第WO91/1
059号公報に既に示されている。この隔離層は、充填材
に濡れない物体の助けを借りて形成される。この種の物
体は繊維布或いは箔を積層したもの或いは含浸したもの
で、必要に応じて孔明け等により充填材に対して透過性
としたものである。隔離層のシールドを保証するため
に、隔離層は電気的に弱導電性の２つの層の間に置かれ
る。これらの層の電気的接続は、隔離層を通じて互いに
接触することにより或いは弱導電性の２つの層に接触す
る金属性の接触導体を使用することにより形成される。

この発明は、強磁性で導電性の支持体と、この支持体
の溝に挿入されている巻線要素とよりなる構造であっ
て、全含浸法により充填材が含浸され（その際巻線要素
の絶縁層は含浸されている）、かつ各巻線要素とこの巻
線要素が挿入されている溝の少なくとも１つの溝壁との
間に充填材に対して透過性の隔離層が設けられ、さらに
各巻線要素の保護層と溝壁とが隔離層を通して互いに電
気的に接続され、その際前記含浸を妨げるような隔離材
を使用する必要がなく、時としてその中に生ずる渦流に
より局地的な温度上昇を招くことのあるような特別の金
属性接触導体を必要としないものを提供するという課題
に基づいている。

この発明によれば、強磁性で導電性の支持体と、この
支持体の溝に挿入される巻線要素とを備え、各巻線要素
が、良導電性の導体とこの導体を取り囲む含浸性の絶縁
層とこの絶縁層を包む弱導電性の含浸性保護層とから成
り、各巻線要素とこの巻線要素が挿入される溝の少なく
とも１つの溝壁との間に含浸可能な隔離層が配置されて
いる構造において、隔離層は巻線要素と溝壁との間に平
面状に存在する雲母薄片から成り、多数の弱導電性の橋
絡片が隔離層を貫通して保護層を溝壁に電気的に接続し
ていることを特徴とする。

この発明は、雲母片の剥離性を有利に利用することを
特に可能にする。雲母結晶、従って雲母結晶から得られ
た雲母薄片は、その結晶構造に基づいて特別の剥離面で
さらに剥離する傾向がある。そしてその場合、雲母薄片
は多数の、そしてそれに応じて厚さを減少した互いに重
なる薄片に剥離する。この性質は、収縮プロセスによる
剥離形成が集中する領域をこの発明による構造の各溝中
に形成するために利用される。この構造の含浸性は雲母
薄片の使用によっては妨げられない。全含浸の際充填材
は雲母薄片間を通して流動し、或いは鱗状に重なり合う
雲母薄片の間の間隙を横切ることができる。

さらにこの発明は、時間的に変化する磁界によって溝
内に生成される渦流を大幅に防止する。というのは、良
導電性の接触導体に代わって、隔離層を通して電気的接
続を形成する弱導電性の接触導体が使用されるからであ
る。従って、この発明による構成は、特に電気的に高効
率の発電機の固定子を製作するのに好適である。このよ
うな発電機においては、支持体の溝内に発生する交番磁
界がかなり大きく、それ故良導電性の接触導体の使用は
その中に生ずる高い渦流により不利である。

この発明による構成において雲母薄片は含浸可能な基
板の上に或いはその中に保持されるのがよい。含浸可能
な紙或いは含浸可能な織物に雲母薄片を備えた雲母箔或
いはテープが、場合によっては２つのこのような基板の
間に雲母薄片を挟んでなる製品が有効である。いずれの
場合にも、基板としては弱導電性の織物を使用するのが
有利である。このような織物は種々の形状で提供され
る。例えば、弱導電性のプラスチックからなり、導電性
の顔料（例えば煤）を混合することによって導電性とな
った織物或いは弱導電性のコーティングを持つ繊維によ
って形成される。

なお、ここで「電気的に弱伝導性（弱導電性）」とい
う概念は、この発明においては、次のように理解される
べきである。即ち、平面的に広がった、薄い導電体（箔
或いは織物片）がその表面を流れる電流に対する抵抗に
関する所謂「表面比抵抗」によって特徴付けられる。こ
の表面比抵抗はこの導電体が成り立っている物体の比抵
抗とその厚さの商に相当し、従ってその側面に対して垂
直もしくは平行に電流が流れる方形の電気抵抗に等し
い。他の形状に形成された平面体の電気抵抗はその表面
比抵抗をある因数で乗じたものに相当し、その場合この
因数は導電体の形状に関係し、特に導電体の広がりには
依存しない。織物等の表面比抵抗が発電機における代表
的なそしてそれ自体公知のコロナ放電保護装置の表面比
抵抗にほぼ等しい値を持っているときに、この織物はこ
の発明の意味における所謂「弱導電性」と見做されるべ
きである。特に、その表面比抵抗が２キロオーム乃至10
0キロオーム、より好ましくは５キロオーム乃至30キロ
オームの間にある導電性の織物が好適である。所謂「弱
導電性」という特性表現は樹脂含浸をした織物に関する
ものである。通常、樹脂含浸は織物の表面比抵抗を、そ
の樹脂が含浸前に互いに接触していた繊維間に絶縁を形
成することにより、著しく上昇させる。実際には樹脂含
浸が導電性或いは弱導電性の織物の表面比抵抗を10倍に
上昇させることが示されている。

この発明による構造のいずれの構成においても保護層
と溝壁とを接続する橋絡片は弱導電性の織物で形成され
る。例えば、弱導電性のテープを隔離層を横切るように
通し、その結果テープが巻線要素の保護層にも溝壁にも
接触するようにして形成することができる。特に、隔離
層に多数のスリットを設け、一本の弱導電性の織物テー
プを巻線要素に沿ってこの隔離層のスリットに順次通し
て、テープが断片的に交互に隔離層の両面にくるように
するのが良い。この場合の橋絡片は従って隔離層を挿通
するテープの断片である。

この発明による構造のその他の有利な構成は、弱導電
性の織物からなる中間層を隔離層と溝壁との間に挿入す
ることである。このような中間層は溝の完全な内張、即
ち溝の両壁と底とを被覆するものである。しかしなが
ら、場合によっては溝壁のただ１面のみを被覆するだけ
で充分である。このような中間層はまた巻線要素を支持
体中に固定するのにも貢献する。即ち、中間層を挿入す
ることによって隔離層がある程度の粗面を形成し、隔離
層に亀裂が生じた場合でもひょっとすると全溝を横断す
るような大面積の間隙が生ずることが回避されるからで
ある。このようにして隔離層においては亀裂が発生した
場合でも巻線要素の位置固定が達成され、有効である。

この発明においてその他の構成に無関係に中間層が設
けられるときには、中間層は隔離層の雲母薄片の基板と
して役立つ。従ってこの構成を構築する際に必要なコン
ポーネントの数が減少し、製造コストが下がる。

この発明による構造の有利な構成としては、場合によ
っては他の実施例に付け加えることもできるが、各巻線
要素をそれぞれ固有の隔離層で包囲することである。こ
の場合隔離層は溝に挿入前の巻線要素の準備の際に形成
される。これにより隔離層の溝への挿入が非常に簡単に
なる。溝に装着されるべきすべてのコンポーネントが、
容易にかつ狭いスペース関係により何ら妨げられずに、
巻線要素にその溝への挿入前に取り付けられるからであ
る。各巻線要素の隔離層は巻線要素に多数巻に巻回され
た雲母薄片を含むテープとするのが有利である。

弱導電性の橋絡片は、弱導電性の織物からなるテープ
で形成し、隔離層を形成するテープと交互に上下するよ
うに巻線要素に巻回するようにして巻線要素に沿って固
定するのが有利である。

さらに、隔離層によって包囲された巻線要素の上に弱
導電性の織物の形の中間層を付けるのが有効である。例
えば、巻線要素の隔離層の上を弱導電性のテープで巻回
する。

この発明による構造はいかなる実施例においても、充
填材、特にエポキシ樹脂もしくはエポキシ樹脂と無水酸
化物との混合物で含浸した大型発電機の部分として、特
にその固定子として特に好適である。

充填材、特にエポキシ樹脂、エポキシ樹脂と無水酸化
物との混合物或いはエポキシ樹脂を基材とする他の調合
材で含浸、硬化したこの発明による構造のいかなる実施
例も、各溝がその溝壁に対してほぼ平行な、そしてその
強度が溝内の他の層のそれより小さい少なくとも１つの
シールドされた隔離層を備えることにより、熱による収
縮プロセスにより亀裂が生じても、その亀裂は優先的に
隔離層に、しかも不利益な結果を伴うことなく生ずる点
で特長を有する。

図に示した実施例を参照してこの発明の詳細を説明す
る。この実施例は本発明にとって重要な特徴を浮き上が
らすために一部簡略化して及び／或いは誇張して示して
ある。

図１はこの発明の簡単な一実施例、 図２はこの発明の更に異なる一実施例、 図３及び図４はこの発明の特に良好な実施例において
使用される巻線要素の異なる面を示す。

図１は、鋼板16を互いに重ね合わせて形成された強磁
性で導電性の支持体１と、この支持体１の溝３に挿入さ
れている２つの巻線要素２とよりなる構成の断片を示
す。溝３は楔15で閉塞されている。各巻線要素２は良導
電性の導体４を備えており、この導体４は絶縁層５によ
って囲まれ、この絶縁層５はその上にテープを巻回して
なる保護層６を備えている。図では各巻線要素２の導体
４は単に素体として示されているが、大型発電機では、
通常、各巻線要素は多数の金属棒或いは金属線を備え、
その中の少なくとも一部は流動性冷却媒体、例えば空
気、水素或いは水を通すために中空に形成されている。
各巻線要素２の保護層６の上には隔離層８が巻回されて
いる。この隔離層８は紙或いは繊維からなる基板11上に
雲母薄片10を有するテープで形成されている。なお、基
板11を図示するために隔離層８の雲母薄片10は省略され
ている。保護層６と１つの溝壁７との間の弱導電性の橋
絡片９を形成するために、弱導電性のテープ12が隔離層
８とともに巻線要素２の上に、テープ12が交互に隔離層
８の上下にくるように巻回されている。このようにして
テープ12は保護層６にも溝壁７にも接触する。テープ12
の隔離層８を挿通した部分が橋絡片９を形成する。図示
の例では各巻線要素２は隔離層８によって完全に取り囲
まれているので、機械的に強度の小さいこの発明による
層は唯一つの溝壁７と巻線要素２との間だけでなく、各
巻線要素２と溝壁７との間並びに下側の巻線要素２と溝
底14との間にも存在する。

図２は、支持体１とこの支持体１の溝３に挿入されて
いる２つの巻線要素２とよりなるこの発明による構成の
他の実施例を示す。溝３は楔15で閉塞されている。各巻
線要素２は導体４、絶縁層５及び保護層６を備えてお
り、隔離層８によって取り囲まれている。溝壁７と巻線
要素２との間には導電性、好ましくは弱導電性織物から
なる中間層13が挿入されており、この中間層13は上述し
たように隔離層８の性質をさらに改善する。中間層13は
ただ溝壁７を覆うように図示されているが、Ｕ字形の中
間層を使用して、溝の両壁７及びさらに溝底14を覆うよ
うにすることも非常に容易に考えられ、場合によっては
また有効である。

この発明による構成の特に有利な実施例は、図３の平
面図及び図４の図３の面に対する垂直方向の断面図に示
されるように巻線要素２を構成することである。即ち、
巻線要素２（この例ではバー巻線）は導体４、絶縁層５
及び保護層６とを備え、隔離層８により包囲されてい
る。隔離層８自体は中間層13によって取り囲まれてい
る。保護層６と中間層13とを電気的に接続するために、
隔離層８にはスリット17が設けられ、このスリットに弱
導電性のテープ12が交互に隔離層８の上下にくるように
挿通され、その結果テープは中間層13にも保護層６にも
電気的に接触している。橋絡片９は、このテープ12のス
リット17を挿通する部分で形成される。この発明によれ
ば、ただ図３及び図４に示された構造を支持体に装着す
るだけでよい。支持体に挿入されるべきすべてのコンポ
ーネントは巻線要素２と既に一体化されている。絶縁層
５、保護層６、隔離層８そして中間層13は、導体４上に
場合によっては弱導電性及び／或いは雲母を含有するテ
ープを順次巻回することにより作られることは容易に理
解される。このような可能性は既に図１及び図２から明
らかであり、図３及び図４による構成に適用できること
は自明である。

強磁性で導電性の支持体と巻線要素とからなるこの発
明による構成は、そのいかなる実施構造も、大型電気機
械、特に固定子のコンポーネントを製作するための全含
浸法の要件に、必要な製作コストの点でもまた運転条件
の点に関しても特に合致する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クレムザー、ギユンター ドイツ連邦共和国 デー−4330 ミユー ルハイム／ルール カツセンベルク 37 (72)発明者 デイトツン、ノルベルト ドイツ連邦共和国 デー−4330 ミユー ルハイム／ルール アクチエンシユトラ ーセ 258 (72)発明者 ミユラー、ライナー ドイツ連邦共和国 デー−4030 ラチン ゲン リンネパー ヴエーク 18 (72)発明者 シユトツベ、フエルデイナント ドイツ連邦共和国 デー−4330 ミユー ルハイム／ルール フエルクリンガー シユトラーセ 13アー (56)参考文献 特開 昭55−83434（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−106046（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 3/30 - 3/52

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】強磁性で導電性の支持体（１）と、この支
   持体（１）の溝（３）に挿入される巻線要素（２）とを
   備え、各巻線要素（２）が、良導電性の導体（４）とこ
   の導体（４）を取り囲む含浸性の絶縁層（５）とこの絶
   縁層（５）を包む弱導電性の含浸性保護層（６）とから
   成り、各巻線要素（２）とこの巻線要素（２）が挿入さ
   れる溝（３）の少なくとも１つの溝壁（７）との間に含
   浸可能な隔離層（８）が配置されている構造において、
   隔離層（８）は巻線要素（２）と溝壁（７）との間に平
   面状に存在する雲母薄片（10）から成り、多数の弱導電
   性の橋絡片（９）が隔離層（８）を貫通して保護層
   （６）を溝壁（７）に電気的に接続していることを特徴
   とする支持体と巻線要素とからなる構造。
2. 【請求項２】雲母薄片（10）が含浸可能な基板（11）の
   上に或いはその中に保持されている請求項１記載の構
   造。
3. 【請求項３】基板（11）が弱導電性の織物である請求項
   ２記載の構造。
4. 【請求項４】橋絡片（９）が弱導電性の織物からなる請
   求項１乃至３の１つに記載の構造。
5. 【請求項５】橋絡片（９）が弱導電性の織物からなる少
   なくとも１つのテープ（12）で形成されており、そのテ
   ープ（12）は隔離層（８）を数回にわたって挿通して保
   護層（６）にも溝壁（７）にも電気的に接続されている
   請求項４記載の構造。
6. 【請求項６】隔離層（８）と溝壁（７）との間に弱導電
   性の織物からなる中間層（13）が挿入されている請求項
   １乃至５の１つに記載の構造。
7. 【請求項７】中間層（13）が溝壁（７）を覆っている請
   求項６記載の構造。
8. 【請求項８】隔離層（８）が中間層（13）に固定されて
   いる請求項６又は７記載の構造。
9. 【請求項９】各巻線要素（２）が隔離層（８）によって
   包囲されていることを特徴とする請求項１記載の構造。
10. 【請求項１０】各隔離層（８）が巻線要素（２）に多数
    回巻回されたテープである請求項９記載の構造。
11. 【請求項１１】橋絡片（９）を形成するため、弱導電性
    の織物からなるテープ（12）が隔離層（８）と交互に上
    下になるように巻線要素（２）に取り付けられている請
    求項10記載の構造。
12. 【請求項１２】各巻線要素（２）について隔離層（８）
    が弱導電性の織物からなる中間層（13）によって包囲さ
    れている請求項９乃至11の１つに記載の構造。
13. 【請求項１３】中間層（13）が隔離層（８）の上に巻回
    された、弱導電性の織物からなるテープである請求項12
    記載の構造。
14. 【請求項１４】充填材で含浸され、各溝（３）が、溝壁
    （７）に対してほぼ平行な、電気的にシールドされ、強
    度が溝（３）内の他の層のそれより小さい少なくとも１
    つの隔離層（８）を有する請求項１乃至13の１つに記載
    の構造。
15. 【請求項１５】充填材で含浸され、大型発電機の一部と
    して使用される請求項１乃至14の１つに記載の構造。