JP3674406B2

JP3674406B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP3674406B2
Application number: JP23915899A
Authority: JP
Inventors: 正園部; 英明森; 三郎宇佐美; 滋夫天城; 恭臣八木; 智也角田; 満小野田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: JP2000224792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機に係り、特に絶縁物の熱伝導率向上による機器のコンパクト化に好適な回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転電機に用いられる絶縁物、例えば固定子巻線の主絶縁の熱伝導率の向上を図ったものとしては、CIGTE,1994 Session,28-Aug-3 Sep.,11,101,「An Improved Insulation System for the Newest Generation of Stator Windings of Rotating Machines」に記載のものがある。上述のものは、酸化アルミニウムなどの高い熱伝導率を有する微少粒子状の絶縁物を主絶縁に充填し、固定子巻線全体の熱抵抗を低減させている。また、特開昭６３−１１０９２９号公報及び特許第１２７３６４号公報（１９８７）にはマイカ接着層に高熱伝導性粒子又は粒子とガラス繊維を複合して添加した主絶縁材が記載されている。
【０００３】
更に、マイカ製テープとガラス繊維とを張り合わせた絶縁材が特許第411834号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように固定子巻線の熱抵抗を低減させても、発電容量の増加に伴って熱負荷が増加した場合、固定子巻線の熱抵抗を低減させることができなかった。発電容量が増加すると一般的には固定子巻線に発生する電圧が高くなり、所望の電気絶縁特性が得られるように主絶縁の厚みを大きくする必要がある。特に主絶縁の単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が低い場合には、主絶縁の厚みを大きくする。従って、同一のマシンサイズで発電容量を増加させようとしても、上述のように主絶縁の厚みを大きくしなければならず、必然的に機器の大型化が避けられなかった。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みなされたものであり、主絶縁及び他の絶縁材を構成する絶縁材の絶縁破壊電圧と熱伝導率とを調整して、必要な絶縁材の厚さあるいは容積を小さくして、回転電機のコンパクト化及び低コスト化を図ることを目的とするものである。また、導体に絶縁物が施された状態で絶縁物の熱伝導率の測定が行える熱伝導率測定方法の提供を目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本的な特徴は、固定子巻線を構成する主絶縁が実質的に粒状の充填材を含まない薄片状の無期絶縁材を熱硬化性樹脂で接着した第１の絶縁層と、繊維状のクロス絶縁材と粒状の高熱伝導性充填材を樹脂に分散，硬化した第２絶縁層との積層体を有し、その初期絶縁破壊電圧Ｖが２０ｋＶ／mm以上で、積層体の厚さ方向の熱伝導率λが０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋ、好ましくは０.５−１Ｗ／ｍ・Ｋとの積Ｖλが７≦Ｖλ≦２０(ＭＶＷ／ｍ²・Ｋ）となるように設定したものである。上記の熱伝導率λを得るため、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性の微粒子を繊維クロスとともに、樹脂に充填又は混合し、上記Ｖλの値を満足する絶縁材を得る。第１の絶縁層は、マイカなどの絶縁耐力を確保する高絶縁の薄片状絶縁物例えば、マイカ片を熱硬化性樹脂で接着したものである。この第１絶縁層には、薄片状絶縁物が層状に整列して接着されるように、また薄片状絶縁物の破壊を防ぐため、粒状の硬い絶縁物を実質的に添加しない。この点は前記公知例と全く異なった思想に基づいている。
【０００７】
第２の絶縁層は、ガラス繊維等の繊維クロスを含む。繊維クロスは絶縁層に機械強度を与え、かつ主絶縁を構成する複合積層体をテープにするために必要である。クロスは織布でも不織布でも良い。粒状の高熱伝導性絶縁材は主絶縁テープに高熱伝導性を与えるために不可欠で、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料が選ばれる。このクロスと粒状填材を熱硬化性樹脂に分散，硬化する。第１と第２の絶縁層は必要に応じ、それぞれ１層以上積層する。この積層体の厚さ方向の熱伝導率を０.３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋ、より好ましくは０.５ −１Ｗ／ｍ・Ｋとなるように、樹脂の量を選択する。樹脂の量は、積層体の初期絶縁破壊電圧を左右する。樹脂量を少なくし過ぎると、選られたテープの初期絶縁破壊電圧が不十分となり、樹脂が多すぎると絶縁テープの熱伝導率が不十分となる。絶縁テープ中の樹脂量はおおよそ２０ないし５０重量％がよい。
【０００８】
第２の絶縁層を構成する絶縁材はスペーサ絶縁としても用いることができる。第２の絶縁層の熱伝導率が０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋで、初期絶縁破壊電圧が２０ｋＶ以上となるように樹脂量と充填材の量を調整する。
【０００９】
上記のＶλを満足するように、樹脂中に添加する絶縁材の量を調節し、必要な熱伝導率を確保し、絶縁破壊電圧が低下しないようにする。このように、Ｖλを上述の範囲に設定した主絶縁により構成した固定子巻線を回転電機に用いると、水素により機内を冷却する回転電機の場合、回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と固定子の軸長との積の比は４０ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下となり、回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と回転軸の支持間の長さとの積の比は５０ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下となる。空気により機内を冷却する回転電機の場合、回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と固定子の軸長との積の比は７０ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下となり、回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と回転軸の支持間の長さとの積の比は８５ｍ³・rpm／
ＭＶＡ以下となる。
【００１０】
また、本発明は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する絶縁物を固定子巻線のエンド部の巻線間に挟めるスペーサ，回転子を構成する絶縁物、例えばスロット絶縁や絶縁ブロック或いはリテニングリング絶縁に充填又は混合し、回転電機の熱伝導率の向上を図る。
【００１１】
また、本発明は、無機材料又は有機材料繊維を織り込んだテープを基材とする絶縁被覆電線にも適用でき、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する絶縁物を絶縁樹脂中に充填又は混入することにより、絶縁被覆電線の熱伝導率の向上を図る。主絶縁は５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する微粒子状，繊維状及び薄片状の絶縁物を単独でまたは組み合わせて熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂中に充填又は混入し、絶縁材としての初期絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／mm以上で、熱伝導率が０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋとなるように形成したものである。５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する微粒子状又は繊維状の絶縁物を熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂又はゴムに充填又は混入し、熱伝導率が０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋの絶縁材を形成し、これをスペーサとして固定子巻線のエンド部の巻線間に挟んでもよい。
【００１２】
本発明では、回転電機等に形成された被測定物に断熱ブロック部材を当接し、断熱ブロック部材の一つの平面又は局面に熱線又は箔ヒータあるいはそれらを組み合わせた加熱部材を当接し、加熱部材によりブロック部材を加熱し、ブロック部材の温度変化を測定することにより被測定物の熱伝導率を測定する。
【００１３】
本発明において用いられる熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性の絶縁材料としては、窒化ホウ素，窒化アルミニウム，窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化ベリリウム，炭化ケイ素などがある。特に熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、体積抵抗が１０¹³Ωcm以上の酸化アルミニウム，窒化ホウ素，酸化マグネシウムなどが良い。これらは、平均粒径が２０μｍ以下の粒子の形状で用いる。ガラス繊維あるいは他の有機，無機繊維を基材とする絶縁材が知られているが、これらの繊維を上記粒状絶縁材と共に樹脂中に混在させる。
【００１４】
主絶縁には、高い絶縁破壊電圧が要求されるから、薄片状無機材料を接着樹脂で張り合わせた絶縁材（これは特に耐圧を分担する）と、上記繊維又は粒子の一方あるいは両者を樹脂中に分散した絶縁材とを積層した複合絶縁材が使用される。マイカのようにやや脆い無機絶縁材を薄片状絶縁物として使用する場合、この絶縁層中に上記粒子や繊維をなるべく混入しないようにする。混入すると、薄片状マイカを層状に配列できなくなり、絶縁耐力が低下し、またマイカを破壊して、絶縁耐力を低下する恐れがある。
【００１５】
主絶縁に比べ、耐圧があまり要求されないスペーサなどの絶縁材としては、短繊維又は粒子を樹脂に分散して形成した絶縁材を使用する。繊維状の充填材は、ガラスクロスなどの織布，不織布あるいは短繊維の形で充填することができる。繊維クロスはスペーサの機械的強度を維持するために、必要な材料である。このような絶縁材は複数層積層しても用いることができる。特にガラスクロスなどの織布を用いた場合は、積層して必要な厚さの絶縁材にする。
【００１６】
第１絶縁層及び第２絶縁層中の樹脂の量は、樹脂＋充填材の合計量の１０ないし２５重量％が良い。樹脂の量が１０重量％未満であると、絶縁材の熱伝導性は高くなるが、絶縁耐圧が不十分となる。大容量の回転電機の主絶縁としては、
２０ｋＶ／mm以上の耐圧が必要とされるから、絶縁耐力を十分確保するため、樹脂量を１０重量％以上とする。
【００１７】
一方、樹脂量が２５重量％を超えると、高熱伝導充填材の量が不足して、絶縁材の熱伝導性が不十分となり、主絶縁層を厚くする必要があり、機器が大型化する。第１，第２の絶縁層を有する積層型の絶縁材において、充填材＋樹脂に対する樹脂の量は２０ないし５０重量％が好ましい。
【００１８】
本発明において用いられる樹脂としては、主絶縁は主としてエポキシ樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，アルキッド樹脂，ポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂を用いる。スペーサとして本発明が提案する絶縁材を使用する時は、熱可塑性樹脂たとえば飽和ポリエステル樹脂、あるいはゴム性のアクリルブタジエン共重合体などを用いることができる。
【００１９】
主絶縁を回転電機の導体に形成する方法は、従来公知の方法が利用できるが、詳細は実施例の中で説明する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２１】
図１乃至図３は本実施の形態のタービン発電機の構造を示す。図において１は固定子枠である。固定子枠１の内周側には固定子鉄心２を設けている。図２のように固定子鉄心２は、薄いリング状の珪素鋼板を複数枚積層し形成した鉄心ブロック１４と、周方向に一定ピッチでスペーサ１６を複数配置したものとを複数積層してなる円筒形状のものである。このようにスペーサ１６を介して珪素鋼板を複数積層することにより、固定子鉄心２には半径方向に連通した通風ダクト１７を周方向及び軸方向に複数形成することができる。
【００２２】
固定子鉄心２の内周面側には軸方向に連続したスロット１８を周方向に複数設けている。スロット１８の各々には固定子巻線３を収納している。図２のようにスロット１８の各々は径方向に縦長の長方形断面形状を有するものであり、固定子巻線３は絶縁物１９を介して径方向に２段積層された状態でそこに収納されている。また、スロット１８の各々は固定子鉄心２の内周面側が開放している。このため、スロット１８の各々の固定子巻線３よりも固定子鉄心２の内周面側には収納した固定子巻線３がスロット１８の各々から飛び出さないように、固定子巻線３の収納後、絶縁物１９を介してウェッジ２０を挿入している。固定子巻線３自体の構成については後述する。
【００２３】
固定子鉄心２の内周側には空隙、いわゆるエアギャップを介して回転子鉄心４を回転可能なように設けている。回転子鉄心４は回転軸７を一体形成したものである。回転軸７は回転子鉄心４の両側端面の中心部から軸方向に延び、固定子枠１の両端を塞ぐエンドブラケット１０の内周側に設けた軸受装置８によって回転自在に支承されている。回転軸７の回転子鉄心４の両端側にはファン９を設けている。ファン９は回転軸７と共に回転し、機内に封入した冷却媒体を機内循環するようになっている。
【００２４】
回転子鉄心４の外周面側には軸方向に連続したスロット２１を周方向に複数設けている。スロット２１の各々の底部側には軸方向に連通したサブスロット２７を設けている。スロット２１の各間にはサブスロット２７と回転子鉄心４の外周面とを連通する通風スロット２８を複数設けている。スロット２１の各々には回転子巻線５を収納している。図３のようにスロット２１の各々は径方向に縦長の長方形断面形状を有するものである。回転子巻線５は長方形状の巻線導体２２とターン絶縁２３とを交互に径方向に複数積層したものである。
【００２５】
回転子巻線５とスロット２１の間にはスロット絶縁２４を配置している。スロット２１の各々は回転子鉄心４の外周面側が開放している。このため、収納した回転子巻線５がスロット２１の各々から飛び出さないようにスロット２１の各々の回転子巻線５よりも回転子鉄心４の外周面側には収納した回転子巻線５がスロット２１の各々から飛び出さないように、回転子巻線５の収納後、絶縁ブロック２５を介してウェッジ２６を挿入している。回転子巻線５の両端は回転子鉄心４の両端においてリテニングリング絶縁を介してリテニングリング６によって強固に固定されている。
【００２６】
固定子枠１と固定子鉄心２との間の空間には冷却器１１を複数設けている。冷却器１１は機内に封入されている冷却媒体、例えば空気や水素を冷却するために設けられている。回転軸７の一方端には回転子巻線５に電力を供給するための集電装置１２を接続している。集電装置１２は回転子巻線５に接続され回転軸７と共に回転するスリップリングの外周面上にカーボンブラシを押圧接触させて回転する回転子巻線５に電力を供給するものである。発電によって得られた電力は固定子枠１の外側に設けられたターミナル１３から取り出される。
【００２７】
次に、本実施の形態の冷却方法について説明する。本実施の形態では固定子巻線３の内部に冷却水を流通させたり、機内に封入された空気や水素などの冷却媒体をファン９によって機内循環させたりして機内を冷却している。具体的に前者のものは固定子巻線３の巻線導体を中空とし、固定子巻線３の両端にクリップと呼ばれる箱体を取り付け、一方側のクリップから冷却水を供給し、冷却水を固定子巻線３内部を流通させて冷却し、他方側のクリップから冷却し終えた冷却水を排出するというものである。
【００２８】
後者のものは機内に封入されている空気や水素などの冷却媒体を冷却器１１によって冷却し、冷却された冷却媒体をファン９によって機内流通し、各部分を冷却するというものである。さらに詳細に説明すると、冷却器１１によって冷却された冷却媒体はファン９の排気側から回転子鉄心４端部の回転子巻線５と回転軸７との間、固定子鉄心２と回転子鉄心４との間のエアギャップ、固定子巻線３のコイルエンド部の空間に導かれて各部分を冷却する。尚、図２，図３の矢印は冷却媒体の流れを示す。
【００２９】
回転子鉄心４端部の回転子巻線５と回転軸７との間に導かれた冷却媒体は回転子巻線５の端部を冷却する。回転子巻線５の端部を冷却した冷却媒体はサブスロット２７，通風スロット２８を流通し回転子鉄心４を内部から冷却する。回転子鉄心４を冷却した冷却媒体は固定子鉄心２と回転子鉄心４との間のエアギャップに導かれる。
【００３０】
エアギャップに導かれた冷却媒体は固定子鉄心２の内周側及び回転子鉄心４の外周側を冷却する。これらを冷却した冷却媒体は上述の回転子鉄心４内部からエアギャップに導かれた冷却媒体と合流し、通風ダクト１７を流通して固定子鉄心２を内部から冷却する。固定子鉄心２の内部を冷却した冷却媒体は固定子枠１と固定子鉄心２との間の空間を流通し、冷却器１１によって冷却される。
【００３１】
固定子巻線３のコイルエンド部の空間に導かれた冷却媒体は固定子巻線３のコイルエンド部を冷却し、固定子鉄心２の外周側に至る通風路を流通して固定子鉄心２の外周側に導かれる。固定子鉄心２の外周側に導かれた冷却媒体は通風ダクト１７を流通して固定子鉄心２を内部から冷却する。固定子鉄心２を内部から冷却した冷却媒体はエアギャップに導かれ、上述のエアギャップに導かれた冷却媒体と合流し、通風ダクト１７，固定子枠１と固定子鉄心２との間の空間を流通し、冷却器１１によって冷却される。
【００３２】
尚、本実施の形態では機内に封入された冷却媒体を機内に設けた冷却器によって冷却する例について説明したが、機外に設けた冷却器によって冷却した冷却媒体を機内に送り込み、冷却後、その冷却媒体を回収し、冷却器によって冷却して再び機内に送り込む方式を用いても構わない。
【００３３】
次に、固定子巻線３の構造をさらに詳細に説明する。図４は本実施の形態の固定子巻線３の構造を示す。固定子巻線３は素線絶縁を施した長方形断面形状の素線をｍ行ｎ列（ｍ，ｎは任意の整数）並べて形成した巻線導体２９と、巻線導体２９の外周側に施された主絶縁３０から構成したものである。主絶縁３０はテープ状又はシート状の絶縁材を巻線導体２９の外周部に複数回巻き、樹脂を含浸させて加熱硬化させて形成したものである。テープ状又はシート状の絶縁材の巻く回数は主絶縁３０の厚み、すなわち得られる耐電気絶縁特性をどの程度にするかによって決まる。主絶縁１５の最外周にはコロナ放電を防ぐコロナシールドを巻いている。
【００３４】
次に、主絶縁１５を形成する絶縁材の構造について説明する。図５は本実施の形態の絶縁材の構造を示す。絶縁材はマイカ層３１，基材層３２及び樹脂層３３の積層体である。マイカ層３１は電気絶縁強度を確保するものであり、マイカ箔を有している。基材層３２は機械的強度を確保するものであり、ガラス繊維を織り込んだものである。樹脂層３３はマイカ層３１と基材層３２に含浸され硬化される樹脂からなるものであり、その中には充填材を充填又は混入している。
【００３５】
充填材は５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの電気絶縁物であって、高熱伝導微粒子状又は短繊維状又は薄片状のものである。尚、基材層３２としては酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの繊維をクロスに織り込んだ状態のものであってもよい。また、樹脂層３３は基材層３２側に積層されていても、マイカ層３１側に積層されていてもよく、両側であってもよい。
【００３６】
上述の絶縁材は次のように製造したものである。以下、その一実施例を説明する。まず、水中分散したマイカ粒子を抄紙機により抄造し製作した集成マイカ箔（重さ１６５ｇ／ｍ²），ガラスクロス（重さ３５ｇ／ｍ²）を用意し、これらにノボラック型エポキシ樹脂１００重量部に対しＢＦ₃モノエチルアミン３重量部を加えてなる樹脂（含浸量８５ｇ／ｍ²）を含浸し、接着して集成マイカシート（マイカ層３１と基材層３２からなる積層体）を得る。
【００３７】
この後、酸化アルミニウムの粒子体とノボラック型エポキシ樹脂１００重量部に対しＢＦ₃モノエチルアミン３重量部を加えてなる樹脂とを、酸化アルミニウムの粒子体と樹脂との重量比が２：１となるように混合し、これにメチルエチルケトン１０重量％を加え、集成マイカシートの基材層３２側面にロールコータで塗工量が２５６ｇ／ｍ²となるように塗工する。
【００３８】
この後、乾燥炉内でメチルエチルケトンを揮発，除去してシート状の絶縁材を得る。テープ状の絶縁材を得るためにはシート状の絶縁材を３０mm幅にスリットすることにより得られる。上述のように得られたテープ状の絶縁材はプリプレグテープとも呼ばれ、その中に含まれている樹脂量は絶縁材全体の３１.４重量％、マイカ層３１に含まれている樹脂量は絶縁材全体の１２.９重量％、基材層
３２に含まれている樹脂量は絶縁材全体の１５.０重量％であり、次のように巻線導体２９に施される。
【００３９】
まず、巻線導体２９の外周側に上述のように得られたテープ状の絶縁材を一部重ねて巻く。この後、絶縁材の外周側に離型テープを巻く。この後、周囲に成形治具を取り付け、成形治具を介して外表面より外力を与え、絶縁材中に含まれている樹脂の一部を排出しつつ所定の温度で加熱し、絶縁材中に含まれている樹脂を硬化する。これにより、巻線導体２９の外周側には主絶縁３０が形成され、固定子巻線３が得られる。
【００４０】
次に、固定子巻線の主絶縁の絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλに対するとマシンサイズの関係を説明する。図６は固定子巻線の主絶縁の絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλ＝５(ＭＶＷ／ｍ²・Ｋ）を１００％（基準）としたときの固定子巻線の主絶縁の絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλに対するマシンサイズの関係を示す。図６において実線３４は機内の冷却に水素を用いた場合、実線３５は機内の冷却に空気を用いた場合である。ここで、絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積ＶλはＶ／（１／λ）＝（絶縁抵抗）／（熱抵抗）を意味し、図６から明らかなように絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλを大きくするとマシンサイズが小さくなる関係にある。
【００４１】
ところで、固定子巻線の主絶縁の厚みは発生電圧に対して絶縁破壊を起こさないように十分な厚みをもたせる必要があるが、上述のように得られた固定子巻線の主絶縁は初期絶縁破壊電圧Ｖを２０ｋＶ／mm以上とすることができるので、例えば発生電圧２０ｋＶに対する最低限必要な主絶縁の厚みδは２０ｋＶ／（２０ｋＶ／mm）＝１mmとなる。尚、主絶縁の絶縁破壊電圧は運転年月に応じて低くなるので、主絶縁の厚みは安全余裕度を考えて決める必要がある。
【００４２】
また、上述のように得られた固定子巻線の主絶縁は５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの高熱伝導微粒子状又は短繊維状又は薄片状の絶縁物が充填又は混入されており、その熱伝導率を０.３Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができる。尚、主絶縁の熱伝導率は冷却の面から大きい方がよいが、熱伝導率を高くするために酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの絶縁物の充填量又は混入量を多くし過ぎるとマイカ層及び基材層を保護し強度を確保する樹脂層の割合が少なくなり、機械的強度が低下する。また、冷却媒体の熱伝達による熱抵抗が相対的に大きくなり、熱伝導率λを大きくしても固定子巻線の温度上昇の低減率は小さくなる。
【００４３】
以上のことから本実施の形態においては、固定子巻線の主絶縁の絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλが７≦Ｖλ≦２０(ＭＶＷ／ｍ²・Ｋ），熱伝導率λが０.３Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの高熱伝導微粒子状又は短繊維状又は薄片状の絶縁物の充填量又は混入量を調節する。
【００４４】
また、上述のように得られた固定子巻線の主絶縁の初期絶縁破壊電圧Ｖが２０ｋＶ／mm以上であり、その最低値の２０ｋＶ／mmを考慮すると、固定子巻線の主絶縁の厚さ方向の熱伝導率λは０.３５≦λ≦１(Ｗ／ｍ・Ｋ）とすることが好ましい。さらに温度分布のバラツキによる安全余裕度を考えると、固定子巻線の主絶縁の熱伝導率λは０.５≦λ≦１(Ｗ／ｍ・Ｋ）とすることが好ましい。
【００４５】
次に、本実施例の電機巻線と比較例の電機巻線との交流絶縁破壊電圧試験結果を表１に基づいて説明する。比較例の電機巻線には、次のように製作した高熱伝導絶縁テープで形成した高熱伝導絶縁を有する電機巻線を用いた。その高熱伝導絶縁テープの製作は、次の通りである。
【００４６】
まず、水中分散したマイカ粒子を抄紙機により抄造して製作した集成マイカ箔２（重さ１６５ｇ／ｍ²），ガラスクロス４（重さ３５ｇ／ｍ²）を用意し、これらにノボラック型エポキシ樹脂１００重量部に対しＢＦ₃モノエチルアミン３重量部を加えてなる樹脂（含浸量４０ｇ／ｍ²）を含浸し、接着して集成マイカシート（マイカ層３と補強材層５との積層体）を得た。
【００４７】
この後、アルミナ粒子，ノボラック型エポキシ樹脂１００重量部に対しＢＦ₃モノエチルアミン３重量部を加えてなる樹脂を、アルミナ粒子と樹脂との重量比が３.５：１となるように混合し、これにメチルエチルケトン１０重量％を加え、集成マイカシートの補強材層側面にロールコータで塗工量が２３０ｇ／ｍ²となるよう塗工した。この後、乾燥炉内でメチルエチルケトンを揮発，除去して高熱伝導絶縁シートを得た。この後、高熱伝導絶縁シートをスリッタにて３０mm幅にスリットし、高熱伝導絶縁テープ１を得た。
【００４８】
このように製作した比較例の高熱伝導絶縁テープにおいては、その中の全樹脂量は、高熱伝導絶縁テープ全体の１９.３重量％であった。また、マイカ層中の樹脂量は、高熱伝導絶縁テープ全体の７.１重量％、高熱伝導充填材層中の樹脂量は、高熱伝導絶縁テープ全体の１０.４重量％であった。
【００４９】
この後、上記のようにして製作した高熱伝導絶縁テープを用いて電機巻線を製作した。製作方法は、本実施例と同様であり、その説明は省略する。
【００５０】
交流絶縁破壊電圧試験にあたっては、本実施例の電機巻線，比較例の電機巻線それぞれの外周にアルミニウム箔を巻き付けて電極とし、それぞれの電機巻線のアルミニウム電極と巻線導体の間に交流電圧を加え交流絶縁破壊電圧を測定した。この結果は、表１に示す通りになった。
【００５１】
【表１】

【００５２】
表１から明らかなように、本実施例の電機巻線は、比較例の電機巻線よりも交流絶縁破壊電圧が高かった。これは、マイカが層状に欠陥なく成層され，高熱伝導充填材層中の樹脂量が材料全体の１０〜２５重量％の範囲内にある高熱伝導絶縁テープを用いて電機巻線の高熱伝導絶縁被覆を形成したためである。電機巻線の高熱伝導絶縁被覆の形成の際、その加圧過程において、高熱伝導絶縁テープ中に含まれている微小な気泡を、高熱伝導絶縁テープ中の樹脂の一部と共に充分に排出できたためであった。
【００５３】
従って、本実施例の電機巻線は、電気的特性に優れた緻密な高熱伝導絶縁被覆を有しているので、高電圧で運転される回転電機に対して高い信頼性を提供できる。
【００５４】
次に、上述のように主絶縁の絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλを設定した本実施の形態の固定子巻線を用いた場合の温度上昇低減効果を説明する。図７はその温度上昇低減効果を示すグラフであり、従来技術と比較できるようになっている。図７において棒３７は機内の冷却に水素を用いた場合であり、従来技術と比べて温度上昇が３０％以上低減している。ここで、固定子巻線の発熱量は電流の二乗に比例するので、３０％以上低減は固定子巻線の電機子電流を√１.３＝１.１５倍にできることを意味し、通風冷却構造を変更すること無しに出力の増加を達成できる。従って、新設の設備はもちろん、従来の発電設備でも固定子巻線を本実施の形態の固定子巻線に巻き替えすことにより出力の増大を図ることができる。
【００５５】
棒３８は機内の冷却に空気を用いた場合であり、従来技術と比べて１５％以上低減している。この場合も上述と同様に考えることができる。従って、１５％以上低減は固定子巻線の電機子電流を√１.１５＝１.０７倍にできることを意味し、上述と同様に通風冷却構造を変更すること無しに出力の増加を達成できる。
【００５６】
次に、タービン発電機の発電容量に対するマシンサイズの関係を説明する。図８は回転数当たりの発電容量（横軸）に対する回転子の直径の二乗と固定子の軸長との積、すなわち発電に関わる部分の体積（縦軸）を示している。尚、機内の冷却に空気を用いた場合と水素を用いた場合では、水素を用いた方が熱伝導率及び比熱が大きいため冷却能力が高く、同一マシンサイズでも大きな発電容量を達成できる。また、マシンサイズは回転数当たりの発電容量に対して比例関係にある。
【００５７】
機内の冷却に水素を用いた場合は実線４１のようになり、回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と固定子の軸長との積の比を４０ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下とすることができる。機内の冷却に空気を用いた場合は実線４０のようになり、回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と固定子の軸長との積の比を７０ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下とすることができる。
【００５８】
以上のことから本実施の形態では、回転子表面における流体との摩擦損失を含む機械損失の増大を抑えながら１５０ＭＶＡを超え３００ＭＶＡクラスの空気冷却発電機及び２００ＭＶＡを超え５００ＭＶＡクラスの水素冷却発電機が実現できる。尚、７ｍ³以上のマシンサイズは機械損失による冷却流体の温度上昇が大きくなるので、現実的なマシンサイズにおけるタービン発電機の実現が困難である。すなわち破線３９が限界となる。
【００５９】
また、図８に示す関係は回転数当たりの発電容量に対する回転子の直径の二乗と回転軸の支持間の長さ（軸受支持間の距離）との積の比の関係で示し、機内の冷却に水素を用いた場合は５０ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下、機内の冷却に空気を用いた場合は８５ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下となる。
【００６０】
次に、上述の絶縁材の構成をタービン発電機内の他の絶縁物に適用した場合におけるその絶縁物の構成を説明する。図９はタービン発電機内の他の絶縁物の構成を示す。ここで、他の絶縁物とはスロット絶縁２４，絶縁ブロック２５，リテイニングリング絶縁，固定子巻線３のコイルエンド部の巻線間に挟まれるスペーサなどである。これらの絶縁物はガラス繊維を織り込んだ基材層３２と、樹脂層３３を複数積層してなる積層体であり、樹脂層３３には５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムなどの高熱伝導微粒子状又は短繊維状又は薄片状の絶縁物を充填又は混入している。
【００６１】
本実施の形態では上述のように５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムなどの高熱伝導微粒子状又は短繊維状又は薄片状の絶縁物を樹脂層３３に充填又は混入しているので、スロット絶縁２４，絶縁ブロック２５，リテイニングリング絶縁，固定子巻線３のコイルエンド部の巻線間に挟まれるスペーサなどの熱伝導率を向上することができる。このように各絶縁物の熱伝導率を向上すると、例えばスロット絶縁２４及び絶縁ブロック２５の熱伝導率を向上すると回転子巻線５の温度を低減することができる。熱伝導率が従来の２倍程度になれば、温度上昇値を３０％程度低減でき、タービン発電機の出力を√１.３＝１.１５倍増加することができる。
【００６２】
また、固定子の温度上昇に余裕があるときは、タービン発電機の予防保全において回転子巻線を更新する際、上述のスロット絶縁を用いることにより、１５％程度の出力増加を達成することができる。また、直接冷却の回転子に対して用いることもできるが、直接冷却の回転子ではスロット絶縁を介して冷却する割合が低いので、界磁巻線の温度低減効果は１０％程度になる。尚、機内の冷却に空気を用いた場合は、スロット絶縁とスロット又はスロット絶縁と回転子巻線との間の隙間の空気の熱抵抗によりこの効果はさらに小さくなる。
【００６３】
次に、本発明に係る絶縁被覆電線の実施の形態を説明する。図１０〜図１４は本実施の形態の絶縁被覆電線の構造を示す。絶縁被覆電線はタービン発電機の主要構成要素の一つである回転子の励磁機や電動機の固定子巻線などに用いられるものであり、図１２〜図１４に示す絶縁材により形成した絶縁被覆を有する、図１０のような丸形断面形状又は図１１のような矩形断面形状のものである。
【００６４】
図において４２は単線又は撚り線からなる導体である。撚り線は使用目的に応じて素線単位に絶縁被覆が施されている。導体４２の外周には絶縁被覆４３を施している。絶縁被覆４３は樹脂４４，樹脂４４に充填又は混入した基材４５及び基材４５の繊維同士の隙間に充填又は混入した充填剤からなるものである。基材４５は絶縁材の機械強度を確保するものであり、無機材料又は有機材料の繊維を織り込んだテープ状のものである。充填剤は５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する酸化アルミニウムなどの高熱伝導微粒子状又は薄片状の絶縁物である。尚、基材４５は図１３のようにロービング材（長繊維状のもの）、図１４のように短繊維状のものであってもよい。
【００６５】
本実施の形態によれば上述のように基材４５の繊維同士の隙間に熱伝導率の高い絶縁物を充填又は混入しているので、絶縁被覆の熱伝導率を向上することができる。尚、基材４５にはガラス繊維布が多く用いているが、初めから酸化アルミニウムなどの繊維布を用いれば、基材４５にわざわざ高熱伝導の絶縁物を充填又は混入しなくとも簡単に絶縁被覆の熱伝導率を向上することができる。
【００６６】
次に本発明に係る熱伝導率測定方法の実施の形態を説明する。図１５は本実施の形態の熱伝導率測定方法を実施するための装置構成を示すものであり、具体的にはタービン発電機に用いられる固定子巻線の主絶縁の熱伝導率の測定様子を示している。本実施の形態の熱伝導率測定方法は非定常熱線法を応用したものであり、主絶縁３０が巻線導体２９に施された状態で測定できる。以下、本実施の形態の熱伝導率測定方法について詳細に説明する。
【００６７】
まず、断熱ブロック４６の片面に熱線又は箔ヒータなどの加熱部材４７を２つ平行して貼り付ける。ここで、断熱ブロック４６は等方性の熱伝導率を有する材料により形成したものである。また、断熱ブロック４６の熱伝導率は予め定常熱流法により測定しておく。この後、加熱部材４７の中央部に熱電対などの温度センサ４８を配置する。本実施の形態では断熱ブロック４６，加熱部材４７，温度センサ４８をまとめたものを熱伝導測定ヘッドと呼ぶことにする。
【００６８】
熱伝導測定ヘッドの準備ができたならば、この熱伝導測定ヘッドを被測定物である固定子巻線３の側断面に押し当て当接させる。この後、パルス発生器４９から発生し増幅器５０によって増幅したパルス信号を一方の加熱部材４７に加えて加熱部材４７を過渡的に加熱する。そして、この時の温度変化を温度センサ４８により検出し測定器５１により測定する。測定器５１は日本機械学会論文集（Ｂ編），第４８巻，４３３号(昭５７−９），ｐｐ.１７４３−１７４９記載されている方法により、熱伝導測定ヘッドを押し付けた平面と、絶縁物の厚み方向の合成された熱伝導率が測定される。
【００６９】
上述の測定が終了したならば今度は、両方の加熱部材４７を加熱し、この時の温度変化を温度センサ４８により検出し測定器５１により測定する。この方法によれば２つ加熱部材４７で挟まれた絶縁物の面方向の熱流は小さくなり、絶縁物の厚み方向の熱流が大きくなるので、絶縁物の厚み方向の支配的な熱伝導率が測定される。従って、主絶縁３０が巻線導体２９に施された状態で主絶縁３０の熱伝導率の測定を行うことができる。
【００７０】
また、測定前にさまざまな物質に対して加熱部材を発熱させた場合の過渡温度解析を行い、上述の両測定の温度分布を最もよく表す熱伝導率をパラメータサーベイにより求めてこの値を真値とするようにすれば、主絶縁の熱伝導率の測定の際、マシンサイズの低減を図ることができるかどうかの検証も合せて行うことができる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明に係る回転電機によれば、固定子巻線の主絶縁の高い初期絶縁破壊電圧を十分に維持しつつ熱伝導率が向上するので、主絶縁等の厚さを減らすことができ、かつ機器の温度上昇を押えることができる。従って、マシンサイズの低減及びコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるタービン発電機の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の固定子側の構成を示す斜視図である。
【図３】図１の回転子側の構成を示す断面図である。
【図４】図２の固定子巻線の構造を示す斜視図である。
【図５】図４の主絶縁を形成するために用いられる絶縁材の構成を示す断面図である。
【図６】固定子巻線の主絶縁の絶縁破壊電圧Ｖと熱伝導率λとの積Ｖλに対するマシンサイズの関係を示す図である。
【図７】図５の絶縁材を用いて図４の固定子巻線の主絶縁を形成した場合における温度上昇低減効果を示す図である。
【図８】図５の絶縁材を用いて図４の固定子巻線の主絶縁を形成した場合におけるタービン発電機の発電容量とマシンサイズの関係を説明する図である。
【図９】図５の絶縁材に用いられる構成をタービン発電機内の他の絶縁物に適用した場合における絶縁物（例えば絶縁ブロック）の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態である丸形断面形状の絶縁被覆電線の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態である矩形断面形状の絶縁被覆電線の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１０又は図１１の絶縁被覆の一構成を示す断面図である。
【図１３】図１０又は図１１の絶縁被覆の一構成を示す断面図である。
【図１４】図１０又は図１１の絶縁被覆の一構成を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態である熱伝導率測定方法を説明するためのものであり、熱伝導率測定方法を実施するための装置構成を示す状態図である。
【符号の説明】
１…固定子枠、２…固定子鉄心、３…固定子巻線、４…回転子鉄心、５…回転子巻線、６…リテニングリング、７…回転軸、８…軸受装置、９…ファン、１０…エンドブラケット、１１…冷却器、１２…集電装置、１３…ターミナル、２９…巻線導体、３０…主絶縁、３１…マイカ層、３２…基材層、３３…樹脂層、４２…導体、４３…絶縁被覆、４４…樹脂、４５…基材、４６…断熱ブロック、４７…加熱部材。

Claims

固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に設けられた回転子とを備え、前記固定子は、外側が主絶縁によって覆われた固定子巻線が装着されてなり、機内を水素により冷却してなる回転電機において、
前記主絶縁は、実質的に粒状の充填材を含まない薄片状の伝導絶縁材を熱硬化性樹脂で接着した第１の絶縁層と、繊維状絶縁材と粒状の高熱伝導性充填材とを樹脂に分散，硬化した第２の絶縁層との積層体からなり、その主絶縁の厚さ方向の初期絶縁破壊電圧Ｖが２０ｋＶ／mm以上、前記積層体の厚さ方向の熱伝導率λが０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋであって、初期絶縁破壊電圧と熱伝導率との積Ｖ・λが７≦Ｖλ≦２０(ＭＶＷ／ｍ²・Ｋ) であり、かつ、回転数当たりの発電容量に対する前記回転子の直径の二乗と前記固定子の軸長との積の比が４０ｍ ³ ・ rpm ／ＭＶＡ以下であることを特徴とする回転電機。
固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に設けられた回転子とを備え、前記固定子は、外側が主絶縁によって覆われた固定子巻線が装着されてなり、機内を空気により冷却してなる回転電機において、
前記主絶縁は、実質的に粒状の充填材を含まない薄片状の伝導絶縁材を熱硬化性樹脂で接着した第１の絶縁層と、繊維状絶縁材と粒状の高熱伝導性充填材とを樹脂に分散，硬化した第２の絶縁層との積層体からなり、その主絶縁の厚さ方向の初期絶縁破壊電圧Ｖが２０ｋＶ／mm以上、前記積層体の厚さ方向の熱伝導率λが０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋであって、初期絶縁破壊電圧と熱伝導率との積Ｖ・λが７≦Ｖλ≦２０(ＭＶＷ／ｍ²・Ｋ) であり、かつ、回転数当たりの発電容量に対する前記回転子の直径の二乗と前記固定子の軸長との積の比が８５ｍ³・rpm／ＭＶＡ以下であることを特徴とする回転電機。
５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する粒子状及び短繊維状の絶縁物を単独又は組み合わせて熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂に充填又は混入して形成した絶縁材をスペーサとして前記固定子巻線のエンド部の巻線間に挟んだことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
回転子の内周側に空隙を介して回転可能に設けられた回転子を備え、該回転子は、回転子鉄心に複数形成されたスロットに収納された回転子巻線と、該回転子巻線と前記スロットとの間に配置されたスロット絶縁と、前記スロットの前記回転子巻線よりも前記回転子鉄心の外周側に配置されたウエッジと、前記回転子巻線との間に配置された絶縁ブロックと、前記回転子鉄心の軸方向両側で前記回転子巻線を固定するリテニングリングと、前記回転子巻線との間に配置されたリテニングリング絶縁とを備えた回転電機において、
前記スロット絶縁，絶縁ブロック及びリテニングリング絶縁は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する微粒子状及び／又は短繊維状の絶縁物を樹脂に充填又は混入して形成され、厚さ方向の熱伝導率が０.３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁材であることを特徴とする回転電機。
鉄心の外周側に設けられた複数のスロットに収納された導体と絶縁物が交互に前記鉄心の半径方向に積層された回転子巻線と、該回転子巻線と前記スロットとの間に介在するスロット絶縁と、前記回転子巻線を前記スロット内に固定するウエッジと、該ウエッジと前記回転子巻線との間に介在する絶縁ブロックと、前記鉄心の軸方向端部側で前記回転子巻線を固定するリテニングリングと、該リテニングリングと前記回転子巻線との間に介在するリテニングリング絶縁とを備えた回転電機の回転子において、
前記スロット絶縁，絶縁ブロック及びリテニングリング絶縁は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する粒子状絶縁物及び繊維クロスを樹脂中に分散，硬化して形成され、厚さ方向の熱伝導率が０.３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁材であることを特徴とする回転電機の回転子。