JP3422674B2 - 絶縁コイルおよびこれを用いた回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高熱伝導率と高耐
電圧を兼ね備えた絶縁コイルおよびこれを用いた回転電
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイカ層の間の樹脂層中には、充
填材として窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化硅素、
酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウ
ム、炭化硅素等の５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する充
填材の９０重量％が、粒径０.１〜１５μｍの粒子を含
む絶縁層でコイル導体を絶縁した絶縁コイル（特開昭６
３−１１０９２９号公報）が知られているが、絶縁層の
厚さ方向の熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上、絶縁破壊強
さが２５ｋＶ／ｍｍ以上を両立させることが難しかっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】小型，高出力の回転電
機、または、コイルの中空導体内に水などの冷媒を通し
て冷却する直接冷却方式でなく、コイル絶縁層の外側に
空気あるいは水素ガスを通して冷却する間接冷却方式の
高出力の回転電機では、コイル絶縁層の厚さ方向の高熱
伝導率化と、高耐電圧化の両立が必要であった。

【０００４】本発明の目的は、高熱伝導率と高耐電圧を
兼ね備えた絶縁コイル並びにこれを用いた回転電機を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【０００６】（１） マイカ２０〜５０体積％と、高熱
伝導充填粒子（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ以上）１０〜４０
体積％およびその補強材と、これらの隙間を充填する樹
脂からなる絶縁層でコイル導体が絶縁処理されている絶
縁コイルにおいて、前記高熱伝導充填粒子は、その９０
重量％が粒径０.１〜２０μｍであり、該充填粒子の粒
径を最大径から最小径へ向けて１.１９：１.００の等比
級数状の粒径を境に分類し、該充填粒子の全量に対して
各範囲内に入る比率を粒径の頻度としたヒストグラム
が、一つの大きなピークを有し、その他のピークの大き
さが前記ピークの１／３以下である粒径分布を有する絶
縁コイルにある。

【０００７】（２） マイカ２０〜５０体積％と、高熱
伝導充填粒子（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ以上）１０〜４０
体積％およびその補強材と積層構造を成し、これらの隙
間を充填する樹脂とからなる絶縁層でコイル導体が絶縁
処理されている絶縁コイルにおいて、前記高熱伝導充填
粒子は、その９０重量％が粒径０.１〜２０μｍであ
り、該充填粒子の粒径を最大径から最小径へ向けて１.
１９：１.００の等比級数状の粒径を境に分類し、該充
填粒子の全量に対して各範囲内に入る比率を粒径の頻度
としたヒストグラムが、一つの大きなピークを有し、そ
の他のピークの大きさが前記ピークの１／３以下であ
り、高熱伝導充填粒子の最大粒径が、マイカとその隙間
を埋める樹脂からなるマイカ層の厚さの１／４以下であ
る絶縁コイルにある。

【０００８】（３） 上記絶縁コイルを用いたことを特
徴とする回転電機にある。

【０００９】

【発明の実施の形態】マイカと高熱伝導充填粒子、およ
び、これらを載置する補強材が積層構造をなし、これら
の隙間を埋める樹脂からなる前記絶縁層は、高耐電圧を
維持する部分は主にマイカと樹脂の層で、高熱伝導率化
を図る部分は高熱伝導充填粒子と樹脂の層である。その
ため、高熱伝導充填粒子と樹脂の層はできるだけ熱伝導
率が高いことが望ましい。なお、前記補強材としては、
クロス、不織布、フイルムあるいはこれらを組み合わせ
たものが望ましい。

【００１０】高熱伝導充填粒子と樹脂の層の熱伝導率を
高めるためには、該層における高熱伝導充填粒子が占め
る体積比率を高めればよい。しかし、この体積比率を高
めると充填粒子の分散が難しくなり、ボイド等が残り易
くなるため耐電圧特性を低下させる。

【００１１】そこで本発明者らは上記充填粒子と樹脂の
層の熱伝導率を高めるための充填粒子の粒度分布につい
て検討を行った。その結果、高熱伝導充填粒子の粒径を
最大径から最小径へ向けて１.１９：１.００の等比級数
状の粒径を境に分類して、該充填粒子全量に対して各範
囲内に入る比率を粒径の頻度として整理したヒストグラ
ムにおいて、粒径の頻度が一つの大きなピークを有し、
他のピークは前記ピークの１／３以下である高熱伝導充
填粒子を用いることにより、該層の熱伝導率より高める
ことを見出した。

【００１２】これによって前記絶縁層の厚さ方向の熱伝
導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上、かつ、絶縁破壊強さが２５
ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁コイルを実現することができたの
である。

【００１３】また、前述の粒径の頻度が一つの大きなピ
ークを持ち、他のピークはこのピークの１／３以下であ
る高熱伝導充填粒子の最大粒径が、マイカとその隙間を
埋める樹脂のマイカ層の厚さ以上になると、これをコイ
ル導体に巻回して絶縁処理する際に、粒径の大きい高熱
伝導充填粒子がマイカの配列を乱し耐電圧特性を低下さ
せる。そこで、高熱伝導充填粒子の最大粒径をマイカと
その隙間を埋める樹脂とからなるマイカ層の厚さの１／
４以下とするで、上記問題を解決することができた。以
下に実施例に基づき本発明を具体的に説明する。

【００１４】

【実施例】〔実施例 １〕集成マイカを水中分散してマ
イカ粒子とし、抄紙機にて抄造して厚さ０.０８ｍｍの
集成マイカ箔を作製した。裏打ち材として厚さ０.０３
ｍｍのガラスクロスを用い、ノボラク型エポキシ樹脂１
００重量部に対しＢＦ₃モノエチルアミン３重量部を加
えた接着剤で、集成マイカ箔と裏打ち材を張り合わせた
シートを作製した。

【００１５】次に、粒径０.２４〜１８.５μｍのアルミ
ナ粒子の粒径が、最大径から最小径へ向けて１.１９：
１.００の等比級数状の粒径を境に分類して、アルミナ
粒子全量に対し各範囲に入る比率を粒径の頻度として整
理したヒストグラムにおいて、粒径の頻度が一つの大き
いピークを持ち、他のピークと最大ピークの比が１／３
より小さい０.０３の図１に示す充填粒子Ａを選択し
た。

【００１６】次いで、ノボラク型エポキシ樹脂１００重
量部に対しＢＦ₃モノエチルアミン３重量部を加えた接
着剤に、上記充填粒子Ａと接着剤とを重量比で２：１に
混合し、これに１５重量％のメチルエチルケトンを加え
て充填粒子Ａの分散液を作製した。

【００１７】前記集成マイカ箔，裏打ち材，充填粒子Ａ
および接着剤樹脂分との総重量に対し、上記充填粒子Ａ
が３０〜３３重量％となるように前記シートにロールコ
ーターで塗布し、アルミナ粒子入りマイカシートを作製
した。このシートを幅３０ｍｍに切断し、アルミナ粒子
入りマイカ絶縁テープを作製した。

【００１８】上記マイカ絶縁テープを、予め素線間絶縁
処理を行った図２に示すの断面４０ｍｍ×１０ｍｍ×長
さ１０００ｍｍのコイル導体１に、半掛け７回巻いた
後、１１０℃で１５分加熱した後、圧力５ＭＰａで加圧
後、１７０℃，６０分加熱し、対地絶縁層２を形成した
コイルを作製した。

【００１９】この対地絶縁層２の構成を図３の模式断面
図を用いて説明する。対地絶縁層２は、コイル導体１側
から順に隙間を接着剤で充填したマイカ層３と、ガラス
クロス裏打ち材４の周囲を、充填粒子Ａの隙間を接着剤
で充填したアルミナ充填樹脂５で埋めた層が交互に積層
されている。なお、充填粒子Ａの最大粒径とマイカ層３
の厚さの比は０.２２であった。

【００２０】上記コイルの絶縁破壊電圧と熱伝導率の測
定結果を表１に示す。熱伝導率は０.５Ｗ／ｍＫ以上、
絶縁破壊強さも２５ｋＶ／ｍｍ以上であった。なお、絶
縁破壊電圧はＪＩＳ Ｃ２１１６に従い、また、熱伝導
率は最内層にＰＴＦＥフイルムを巻いて絶縁処理した箇
所から直径５０ｍｍの円盤状試験片を採取し、厚さ方向
の値を試験片表裏の温度差と、定常状態で貫通する熱量
とを熱貫流センサで測定して算出する装置（ダイナテッ
ク社製Ｃ−ＭＡＴＩＣ）により求めた。

【００２１】

【表１】

【００２２】〔実施例 ２〕実施例１で用いた集成マイ
カ箔と裏打ち材を張り合わせたシートに、実施例１と同
じヒストグラムにおいて、粒径の頻度が一つの大きいピ
ークを持ち、他のピークと最大ピークの比が１／３より
小さい０.０３の図４に示す充填粒子Ｂを、ノボラク型
エポキシ樹脂１００重量部に対してＢＦ₃モノエチルア
ミン３重量部を加えた接着剤に、その両者の重量比が
２：１となるよう配合し混合した。

【００２３】これに１５重量％のメチルエチルケトンを
加え、集成マイカ箔，裏打ち材，充填粒子Ｂおよび接着
剤樹脂との総重量に対して充填粒子Ｂが３０〜３３重量
％となるように前記シートにロールコータで塗布し、ア
ルミナ粒子入りマイカシートを作製した。

【００２４】このシートを幅３０ｍｍに切断し、アルミ
ナ粒子入りマイカ絶縁テープを作製した。このマイカ絶
縁テープを、実施例１で用いた図２に示すコイル導体１
に半掛け７回巻いた後、実施例１と同様に加熱，加圧し
て対地絶縁層２を形成したコイルを作製した。

【００２５】充填粒子Ｂの最大粒径とマイカ層３の厚さ
の比は０.２２であった。このコイルの絶縁破壊電圧と
熱伝導率の測定結果を表１に示す。熱伝導率は０.５Ｗ
／ｍＫ以上、絶縁破壊強さも２５ｋＶ／ｍｍ以上であっ
た。なお、絶縁破壊電圧並びに熱伝導率は実施例１と同
じ手法により求めた。

【００２６】〔実施例 ３〕実施例１で用いた集成マイ
カ箔と裏打ち材を張り合わせたシートに、実施例１と同
じヒストグラムにおいて、粒径の頻度が一つの大きなピ
ークを持ち、他のピークと最大ピークの比が１／３より
小さい０.２８である図５に示す充填粒子Ｃと、実施例
２で用いた接着剤を重量比２：１となるよう混合した。

【００２７】これに１５重量％のメチルエチルケトンを
加え、集成マイカ箔，裏打ち材，充填粒子Ｃ，およびそ
の隙間を埋める接着剤樹脂の総重量に対し、充填粒子Ｃ
が３０〜３３重量％となるように前記シートにロールコ
ータで塗布し、アルミナ粒子入りマイカシートを作製し
た。このシートを幅３０ｍｍに切断し、アルミナ粒子入
りマイカ絶縁テープを作製した。

【００２８】上記のマイカ絶縁テープを、実施例１で用
いた図２に示すコイル導体１に半掛け７回巻いた後、実
施例１と同様に加熱，加圧して対地絶縁層２を形成した
コイルを作製した。

【００２９】充填粒子Ｃの最大粒径とマイカ層３の厚さ
の比は０.１８であった。このコイルの絶縁破壊電圧と
熱伝導率の測定結果を表１に示す。熱伝導率は０.５Ｗ
／ｍＫ以上、絶縁破壊強さも２５ｋＶ／ｍｍ以上であっ
た。なお、絶縁破壊電圧並びに熱伝導率は実施例１と同
じ手法により求めた。

【００３０】〔比較例 １〕実施例１で用いた集成マイ
カ箔と裏打ち材を張り合わせたシートに、粒径０．２４
〜２２μｍのアルミナ粒子の粒径を、最大径から最小径
へ向けて１．１９：１.００の等比級数状の粒径を境に
分類してアルミナ粒子全量に対して、各範囲内に入る比
率を粒径の頻度として整理したヒストグラムにおいて、
頻度の２番目のピークと最大ピークの比が１／３より大
きな０.３６の図６に示す充填粒子Ｄを、実施例１と同
様にアルミナ粒子入りマイカシートを作製した。このシ
ートを幅３０ｍｍに切断しマイカ絶縁テープを作製し
た。

【００３１】上記のマイカ絶縁テープを、実施例１で用
いた図２に示すコイル導体１に半掛け７回巻いた後、実
施例１と同様に加熱，加圧し、対地絶縁層２を形成した
コイルを作製した。

【００３２】なお、充填粒子Ｄの最大粒径とマイカ層３
の厚さの比は０.２６であり、１／４より大きい。ま
た、このコイルの絶縁破壊電圧と熱伝導率の測定結果を
表１に示す。熱伝導率は０.５Ｗ／ｍＫ以下であり、絶
縁破壊強さも２５ｋＶ／ｍｍ以下であった。

【００３３】〔比較例 ２〕実施例１で用いた集成マイ
カ箔と裏打ち材を張り合わせたシートに、実施例１のア
ルミナ粒子のヒストグラムにおいて、頻度の２番目のピ
ークと最大ピークの比が１／３より大きな０.７９の図
７に示す充填粒子Ｅを、実施例１と同様にしてアルミナ
粒子入りマイカシートを作製した。このシートを幅３０
ｍｍに切断しマイカ絶縁テープを作製した。

【００３４】上記のマイカ絶縁テープを、実施例で用い
た図２に示すコイル導体１に半掛け７回巻いた後、実施
例１と同様に加圧，加熱し、対地絶縁層２を形成したコ
イルを作製した。

【００３５】充填粒子Ｅの最大粒径とマイカ層３の厚さ
の比は０.２２であり、１／４より小さい。このコイル
の絶縁破壊電圧と熱伝導率の測定結果を表１に示す。絶
縁破壊強さは２５ｋＶ／ｍｍ以上であったが、熱伝導率
は０.５Ｗ／ｍＫ以下であった。

【００３６】〔比較例 ３〕実施例１で用いた集成マイ
カ箔と裏打ち材を張り合わせたシートに、アルミナ粒子
の１００％が粒径０.２９〜７４μｍであり、アルミナ
粒子の粒径を最大径から最小径へ向けて１.１９：１.０
０の等比級数状の粒径を境に分類し、アルミナ粒子全量
に対して各範囲内に入る比率を粒径の頻度として整理し
たヒストグラムにおいて、粒径の頻度が２番目のピーク
と最大ピークの比が０.２４の図８に示す充填粒子Ｆを
用い、実施例１と同様に作製した図２に示すコイルの対
地絶縁層２を形成した。

【００３７】充填粒子Ｆの最大粒径とマイカ層３の厚さ
の比は０.８７であり、１／４より大きい。このコイル
の絶縁破壊電圧と熱伝導率の測定結果を表１に示す。熱
伝導率は０.５Ｗ／ｍＫ以上であるが、絶縁破壊強さは
２５ｋＶ／ｍｍ以下であった。

【００３８】〔実施例 ４〕図９は、本発明による一実
施例の発電機の概略を示す部分断面図である。該発電機
は、軸受け２０を保持する固定子枠１００と固定子枠に
固定された固定子と、固定子の内部にあって軸受け２０
に回転自在に支持され回転する回転子とから構成され
る。

【００３９】固定子は、固定子鉄心３０と固定子コイル
４０とからなる。実施例１に用いたアルミナ粒子入りマ
イカ絶縁テープを、予め素線間絶縁処理を行ったコイル
に半掛け７回巻いた後、１１０℃で１５分加熱後、圧力
５ＭＰａで加圧し、１７０℃，６０分加熱して、対地絶
縁処理しコイルを作製した。

【００４０】次いで、図１０に示すように固定子のスロ
ット溝５０に対地絶縁層７を施した固定子コイルを組み
込み、固定子のスロット溝５０と固定子コイルの間にガ
ラス繊維強化プラスチックスばね６を挿入する。

【００４１】楔８と固定子コイル４０との間にガラス繊
維強化プラスチックスシート７０を入れ、さらにガラス
繊維強化プラスチックスばね９を挟み込み固定子コイル
をスロット溝５０に固定した。この固定子に回転子を組
み込み発電機を作製した。

【００４２】比較のため同じサイズの導体に比較例１の
アルミナ粒子入りマイカ絶縁テープで絶縁処理したコイ
ルを作製し、この固定子に回転子を組み込み発電機を作
製した。

【００４３】これらの発電機の運転試験を行った結果、
本実施例の発電機の抵抗法により測定した固定子コイル
の温度が、１５５℃に達する際の固定子導体電流量は、
比較例１の発電機に比べて、５％多く通電できることを
確認した。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、コイル絶縁層の厚さ方
向の高熱伝導率化と高耐電圧化を両立した絶縁コイルを
得ることができ、これを用いて、小型で高出力回転電
機、コイル絶縁層の外側に空気あるいは水素ガスを通し
て冷却する間接冷却方式の高出力回転電機を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に用いたアルミナ粒子の粒度分布を示
すヒストグラム図。

【図２】実施例１の対地絶縁処理を行った絶縁コイルの
模式断面斜視図。

【図３】実施例１のコイル絶縁層の模式断面図。

【図４】実施例２で用いたアルミナ粒子の粒度分布を示
すヒストグラム図。

【図５】実施例３で用いたアルミナ粒子の粒度分布を示
すヒストグラム図。

【図６】比較例１で用いたアルミナ粒子の粒度分布を示
すヒストグラム図。

【図７】比較例２で用いたアルミナ粒子の粒度分布を示
すヒストグラム図。

【図８】比較例３で用いたアルミナ粒子の粒度分布を示
すヒストグラム図。

【図９】実施例４の発電機の概略を示す部分断面図。

【図１０】実施例４の発電機の固定子スロット溝近傍の
断面鳥瞰図。

【符号の説明】

１…コイル導体、２…対地絶縁層、３…マイカ層、４…
ガラスクロス裏打ち材、５…アルミナ充填樹脂、６…ガ
ラス繊維強化プラスチックスばね、７…対地絶縁層、８
…楔、９…ガラス繊維強化プラスチックスばね、２０…
軸受け、３０…固定子鉄心、４０…固定子コイル、５０
…スロット溝、６０…回転子鉄心、７０…ガラス繊維強
化プラスチックスシート、１００…固定子枠。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森川 慶一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭63−110929（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−13445（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−99249（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−9779（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 3/30 H01F 5/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイカ２０〜５０体積％と、高熱伝導充
   填粒子（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ以上）１０〜４０体積％
   およびその補強材と、これらの隙間を充填する樹脂から
   なる絶縁層でコイル導体が絶縁処理されている絶縁コイ
   ルにおいて、前記高熱伝導充填粒子は、その９０重量％
   が粒径０.１〜２０μｍであり、該充填粒子の粒径を最
   大径から最小径へ向けて１.１９：１.００の等比級数状
   の粒径を境に分類し、該充填粒子の全量に対して各範囲
   内に入る比率を粒径の頻度としたヒストグラムが、一つ
   の大きなピークを有し、その他のピークの大きさが前記
   ピークの１／３以下である粒径分布を有することを特徴
   とする絶縁コイル。
2. 【請求項２】 マイカ２０〜５０体積％と、高熱伝導充
   填粒子（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ以上）１０〜４０体積％
   およびその補強材と積層構造を成し、これらの隙間を充
   填する樹脂とからなる絶縁層でコイル導体が絶縁処理さ
   れている絶縁コイルにおいて、 前記高熱伝導充填粒子は、その９０重量％が粒径０.１
   〜２０μｍであり、該充填粒子の粒径を最大径から最小
   径へ向けて１.１９：１.００の等比級数状の粒径を境に
   分類し、該充填粒子の全量に対して各範囲内に入る比率
   を粒径の頻度としたヒストグラムが、一つの大きなピー
   クを有し、その他のピークの大きさが前記ピークの１／
   ３以下であり、 高熱伝導充填粒子の最大粒径が、マイカとその隙間を埋
   める樹脂からなるマイカ層の厚さの１／４以下であるこ
   とを特徴とする絶縁コイル。
3. 【請求項３】 マイカ２０〜５０体積％と、高熱伝導充
   填粒子（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ以上）１０〜４０体積％
   およびその補強材と積層構造を成し、これらの隙間を充
   填する樹脂とからなる絶縁層でコイル導体が絶縁処理さ
   れている絶縁コイルを用いた回転電機において、 前記高熱伝導充填粒子は、その９０重量％が粒径０.１
   〜２０μｍであり、該充填粒子の粒径を最大径から最小
   径へ向けて１.１９：１.００の等比級数状の粒径を境に
   分類し、該充填粒子の全量に対して各範囲内に入る比率
   を粒径の頻度としたヒストグラムが、一つの大きなピー
   クを有し、その他のピークの大きさが前記ピークの１／
   ３以下である粒径分布を有することを特徴とする絶縁コ
   イルを用いた回転電機。
4. 【請求項４】 マイカ２０〜５０体積％と、高熱伝導充
   填粒子（熱伝導率：５Ｗ／ｍＫ以上）１０〜４０体積％
   およびその補強材と積層構造を成し、これらの隙間を充
   填する樹脂とからなる絶縁層でコイル導体が絶縁処理さ
   れている絶縁コイルを用いた回転電機において、 前記高熱伝導充填粒子は、その９０重量％が粒径０.１
   〜２０μｍであり、該充填粒子の粒径を最大径から最小
   径へ向けて１.１９：１.００の等比級数状の粒径を境に
   分類し、該充填粒子の全量に対して各範囲内に入る比率
   を粒径の頻度としたヒストグラムが、一つの大きなピー
   クを有し、その他のピークの大きさが前記ピークの１／
   ３以下であり、 高熱伝導充填粒子の最大粒径が、マイカとその隙間を埋
   める樹脂からなるマイカ層の厚さの１／４以下であるこ
   とを特徴とする絶縁コイルを用いた回転電機。