JP4173416B2 - 回転機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機並びに発電機等の回転機に関するもので、特にコイルで発生した熱を絶縁材料と固定子鉄心を介して放熱する構造の回転機に関するものである。

近年、電動機及び発電機などの回転機は高出力化が進み、コイルの発熱量は増加の傾向にある。コイルの発熱を効率よく放熱することで、小型・高出力な回転機を実現することができる。発熱源となるコイルには電流を流すために、コイル表面を電気絶縁しているが、コイルが巻かれている電磁鋼板等で構成された固定子鉄心との間も電気絶縁する必要がある。このため、固定子鉄心に多数設けられたスロットに絶縁性の樹脂フィルムで構成されるスロットライナを挿入してコイルを巻きまわした後、熱伝導性を高め電磁振動を抑えるために、樹脂あるいは無機セラミックスのフィラを含有した樹脂を含浸・加熱硬化している。

一方、放熱構造としては、固定子鉄心外周部のハウジングに放熱フィンを設けた空冷方式と固定子鉄心外周部のハウジングに冷却媒体通路を設け冷却水又は冷却油を循環する液冷方式等がある。これらの構造において、コイルの放熱性を高めるためには、コイルと固定子鉄心間の熱抵抗、特に熱伝導率の低い樹脂フィルムで構成されるスロットライナの熱抵抗を低減する必要がある。従来のスロットライナはポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム、芳香族ポリアミドシートなどが用いられており、熱伝導率は０．１〜０．２Ｗ/ｍＫ程度と低く、熱抵抗がコイル、電磁鋼板等に比べて極端に高い。また、機械的強度を高めるために、従来のアラミド紙にＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）及びＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等をエポキシ系樹脂あるいはナイロン系樹脂等で貼り合わせた複合絶縁材を用いており、さらに熱抵抗が増加する傾向にある。

この問題を解決するために、例えば下記特許文献１では、熱伝導率４．１９Ｗ/ｍＫの熱伝導性シリコンシートをスロットライナとして用い、従来のスロットライナにおける熱抵抗が大幅に低減されている。

上記のような絶縁処理が施された固定子を用いた回転機において、高温での運転が繰り返されると、コイル、スロットライナ、含浸樹脂、固定子鉄心それぞれの熱膨張による伸びの差により、スロットライナ及び含浸樹脂には熱応力が加わる。最悪の場合にはスロットライナあるいは含浸樹脂にクラックが発生して電気絶縁耐力が著しく低下し、絶縁破壊を起こす懸念があった。特に、含浸樹脂にクラックが発生した場合は、そのクラックがスロットライナまで到達し、スロットライナの電気絶縁耐力まで低下してしまう問題もあった。このような欠点を解決するために、加熱硬化型シリコーンレジンを片面に塗布して離型処理したスロットライナをコイルと固定子鉄心との間に挿入して、スロットライナと固定子鉄心間が簡単に剥離するようにし、熱応力を緩和するようにしたものが知られている。
特開平６−３８４２２号公報

小型・高効率・高出力な回転機を実現するためには、絶縁材料であるスロットライナの熱伝導性と絶縁信頼性を両立させる必要がある。熱伝導性シリコンシートを用いることで熱抵抗を低減し、コイルの放熱性を改善した従来技術は、スロットライナに離型性がなく運転時の熱応力は低減しないため、スロットライナの絶縁信頼性に問題が残る。一方で、スロットライナに離型性を持たせて、運転時の熱応力を低減し、スロットライナの絶縁信頼性を向上させた従来技術は、スロットライナの表面処理工程が必要となり、製造コストが増大する。また、スロットライナ表面へ均一に離型剤を塗布しないと、離型されない個所が生じ、その個所で応力集中を引き起こすため、スロットライナにクラックが発生する可能性が高くなる。

本発明は、上記従来技術の欠点を解決するためになされたもので、絶縁信頼性を確保しつつ熱抵抗を低減したスロットライナを用いることで、コイルで発生した熱が固定子鉄心に伝わり易くし放熱性を向上させて、小型・高効率・高出力な回転機を得ることを目的とする。

本発明者らは、スロットライナを特定の積層構造とすることで上記目的が達成されることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明は、複数の電磁鋼板を積層した固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周側に空隙を介して回転する回転子と、前記固定子鉄心に設けられた導線を保持するためのスロットと、前記スロット内にスロットライナを挿入し導線を巻き回して形成されたコイルとを有し、コイルに熱硬化性樹脂を含浸して固化されている回転機の発明であり、コイル側から高熱伝導樹脂シートと、第１の樹脂フィルムと、前記第１の樹脂フィルムと互いに滑性（離型性）を有する第２の樹脂フィルムで構成され、前記第１の樹脂フィルムと前記第２の樹脂フィルムとの間に離型性を有する界面が形成されたスロットライナを用いたことを特徴とする。

これにより、スロットライナの熱抵抗は低減でき、第１の樹脂フィルムと第２の樹脂フィルムの界面が互いに滑性（離型性）を有しているため、運転時の熱応力を緩和し、スロットライナの絶縁信頼性を向上させることができる。

ここで、前記高熱伝導樹脂としては、熱伝導率が１．０Ｗ/ｍＫ以上である樹脂が好ましく用いられる。
又、前記第１の樹脂フィルム及び第２の樹脂フィルムとしては、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から選択される１種以上が好ましく例示される。

本発明によれば、コイルを固定子鉄心のスロットへ挿入する際に配置されるスロットライナをコイル側から高熱伝導樹脂シートと、第１の樹脂フィルムと、前記第１の樹脂フィルムと互いに滑性（離型性）を有する第２の樹脂フィルムとした構成にすることによって、スロットライナにおける絶縁信頼性を確保しつつ熱抵抗を低減した。これによって、コイルから発生する熱の放散性の良い、また絶縁信頼性の高い、小型・高出力・高効率の回転機を提供する。

本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
（実施例１）
本発明に示す発電機について説明する。図１に本実施例１の発電機の構成を示す断面図を示す。なお、回転子は外形を示している。この発電機は、主として、１対のハウジング部１Ａ，１Ｂをボルト２で互いに連結して構成されたハウジング、ハウジングに１対の軸受３を介して回転可能にそれぞれ支持された回転軸４、回転軸４に固定された回転子６、及び回転子６の外周に位置し回転子６との間に隙間７を形成してハウジングに固定された固定子８を有する。回転軸４は、例えば、その端部がベルトプーリ等を通じてエンジンの出力軸に連結されたり、あるいは、タービン軸等の回転軸を構成したりしている。回転子６は、永久磁石を備える回転子でも、永久磁石を用いないコイルを有する回転子であってもよい。

固定子８は積層された電磁鋼板に設けられたコイルを組み込むための溝であるスロットに導体の周囲へ絶縁被膜を付けた導線束で構成されるコイル９が巻きつけられている。コイル９は固定子８の端面のスロット外で折り返され、他のスロットへ入る形で巻き回されている。固定子８の端面で巻き回されているコイルには、樹脂１１が含浸され加熱硬化されてコイルエンド１２を形成している。図示していないが、ハウジング１の冷却空気吸入口からコイルエンド１２、回転子６と固定子８の空隙７を通るように冷却空気が循環され、コイルエンド１２及び回転子６を冷却している。また、図示していないが、ハウジング１には冷却媒体通路を設け冷却水を循環させて固定子８を冷却している。

図２に固定子８の部分断面図を示す。固定子８は複数のスロット１０を備える固定子鉄心５と、この固定子鉄心５のスロット１０に挿入した複数のコイル９から成る。固定子鉄心５は、薄いリング状の珪素鋼板を積層し形成される円筒形状のものである。固定子鉄心５の内径面側には回転機回転軸方向に連続したスロット１０を周方向に２４スロット設けている。スロット１０の各々には銅線の周囲へ絶縁被膜を付けた複数の導体で構成されるコイル９が挿入されている。図２のＡ部拡大図に示すように、コイル９はスロット１０内でスロットライナ１３によって包まれ、樹脂１１で加熱硬化されている。

スロットライナ１３は、図３に示すような断面構成をしており、高熱伝導樹脂シート１４と、第１の樹脂フィルム１５ａと、第１の樹脂フィルム１５ａと互いに滑性（離型性）を有する第２の樹脂フィルム１５ｂで構成される。第１の樹脂フィルム１５ａと第２の樹脂フィルム１５ｂは、互いに滑性（離型性）を有すれば、同じ材質であっても、異なる材質であってもよい。また、第１の樹脂フィルム１５ａと第２の樹脂フィルム１５ｂは熱伝導率が低いため、高熱伝導樹脂シート１４よりも厚さが薄いほうがよい。高熱伝導樹脂シート１５はスロット１０へ挿入する際の作業性をよくし、機械的強度を高めるため、第１の樹脂フィルム１５ａと接着されている。コイル９をスロットライナ１３で包み、固定子鉄心５のスロット１０に挿入する際は、高熱伝導樹脂シート１４はコイル側に配置されるようにスロット１０内に挿入される。

高熱伝導樹脂シート１４として、以下のようなものがある。
発熱体と放熱体の熱伝導面は平滑でないことが多く、こうした熱伝導性の樹脂組成物に柔軟性が求められる。こうした柔軟性を備えた熱伝導性樹脂組成物として、窒化硼素やアルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等の熱伝導性の高い充填材をシリコーンゴムやシリコンオイルといった樹脂材料に充填した組成物が知られている。特に熱伝導性の充填材の粒子形状が球形ではなく、非球径形や繊維形である場合、単位重量当たりの表面積が大きく、樹脂材料に充填する場合、粒子同士が接触しやすく、熱の通り道となるパスを形成しやすいため、球状の充填材を充填する場合よりも高い熱伝導性の組成物とすることが可能であることも知られている。

又、ポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）は、優れた耐熱性、難燃性、剛性、耐薬品性、電気絶縁性および耐湿熱性などを有する。しかしながら、ＰＰＳ自体は熱伝導性が低いことから、例えば、平均粒子径が５μｍ以下のアルミナ粉末および繊維状強化材をＰＰＳに配合することや、特定のポリエステル樹脂、ＰＰＳ、ガラス繊維、繊維状強化材、板状フィラーおよびアルミナを含む粒状強化材を配合して鮮映性、耐熱性に優れたランプリフレクター用樹脂組成物や、ＰＰＳに対しα結晶粒子径が５μｍ以上のαアルミナを配合することにより、あるいはさらに繊維状充填材を併用することにより、流動性を損なうことなく熱伝導性が向上することが提案されている。

高熱伝導樹脂シート１４として、具体的には、株式会社信越化学製の放熱ゴムシート（商品名：ＴＣ−ＢＧ、熱伝導率：５Ｗ/ｍＫ）、日立化成製の高熱伝導低弾性接着フィルム（商品名：ＧＦ−3600、熱伝導率：１〜２.５Ｗ/ｍＫ）がある。
第１の樹脂フィルム１５ａ及び第２の樹脂フィルム１５ｂとして、例えば株式会社東レ製のポリエステルフィルム複合ポリフェニレンサルファイドフィルム（商品名：ＴＬＴ）、東レ・デュポン株式会社製のポリイミドフィルム（商品名：カプトン）がある。

本実施例１は高熱伝導樹脂シート１４として放熱ゴムシートＴＣ−ＢＧ、第１の樹脂フィルム１５ａ及び第２の樹脂フィルム１５ｂとしてカプトン（商品名）を用いた。一例として放熱ゴムシートは厚さ１５０μｍを選択した。また、カプトン（商品名）は熱伝導率が低いため、なるべく薄い方がよく、市販品の中から一例として厚さ７.５μｍを選択した。まず、表１に本実施例１のスロットライナ１３の熱伝導率、熱抵抗を１次元の伝熱のみを考慮して計算した結果を示す。本実施例１のスロットライナ１３の熱伝導率は１.１Ｗ/ｍＫであり、従来のカプトンを用いたスロットライナ１３の熱伝導率０.１２Ｗ/ｍＫに比べて１０倍程度の熱伝導率を有している。

次に、第１のカプトン（商品名）１５ａと第２のカプトン（商品名）１５ｂの界面が互いに滑性（離型性）を有することで、運転中の熱応力を低減するとともに、含浸樹脂にクラックが発生してもスロットライナ１３の絶縁性が確保できることについて、スロット内のスロットライナと含浸樹脂を模擬したモデルの曲げ破壊試験で確認した。

第１のカプトン（商品名）と第２のカプトン（商品名）を重ねて含浸樹脂中に埋め込んで加熱硬化した樹脂板を作製した。この樹脂板から切り出した長さ１２０ｍｍ×幅１１ｍｍ×厚さ６．１５ｍｍの角棒状試験片を用いて、ＪＩＳ Ｋ7171-1994に準拠した３点曲げ試験を行った。試験温度は室温、支点間距離は８０ｍｍ、クロスヘッド速度は２ｍｍ/ｍｉｎである。第１のカプトン（商品名）１５ａと第２のカプトン（商品名）１５ｂを重ねた層のある試験片は、クラックが試験片底面から試験片上面に向かって進展し始めるが、第１のカプトン（商品名）と第２のカプトン（商品名）の界面でクラックは停止し、試験片は破断しなかった。また、試験片底面側の第２のカプトン（商品名）は樹脂と共にクラックが発生したが、試験片上面側の第１のカプトン（商品名）にはクラックが発生していなかった。

従って、本実施例１のスロットライナにおいては、第１のカプトン（商品名）と第２のカプトン（商品名）との界面が互いに滑性（離型性）を有しているため、運転中のスロットライナへの熱応力が低減され、また、含浸樹脂にクラックが発生しても第１のカプトン（商品名）と、第１のカプトン（商品名）と接着されている高熱伝導樹脂シートにはクラックが発生しないため、運転中のスロットライナの絶縁性は確保され、運転中の熱応力及び含浸樹脂のクラックに対する絶縁信頼性の高い回転機が実現できる。

表１のスロットライナの絶縁信頼性は、含浸樹脂のクラックに対してスロットライナの絶縁性が確保できる場合を○、含浸樹脂のクラックによりスロットライナの絶縁性が失われる場合を×とした。実施例１は含浸樹脂のクラックに対するスロットライナの絶縁性が確保できたため、スロットライナの絶縁信頼性は○と評価できる。なお、含浸樹脂にクラックが発生した場合、第２のカプトン（商品名）は含浸樹脂と共にクラックが発生するため、絶縁厚さとして考慮せず、できるだけ薄い方がよい。以下、比較例を示し本発明の効果を示す。

（比較例１）
実施例１と同様に製造される発電機において、図４に示すように、高熱伝導樹脂シート１４を使用せず、第１の樹脂フィルム１５ａと第２の樹脂フィルム１５ｂとしてカプトンを用いた従来のスロットライナ１３とした。カプトンは熱伝導率が低いため、なるべく薄い方がよく、実施例１のスロットライナと同様な厚さとするため、市販品の中から一例として厚さ１７５μｍ及び厚さ７.５μｍを選択した。実施例１と同様に、スロットライナ１３の熱伝導率、熱抵抗の計算と含浸樹脂のクラックに対するスロットライナ１３の絶縁信頼性の確認試験を行った。

表１に示すように、第１のカプトンと第２のカプトンで離型性を有する界面が形成されるため、運転中のスロットライナ１３に生じる熱応力が低減され、含浸樹脂にクラックが発生してもスロットライナ１３にはクラックが発生しない。しかし、スロットライナ１３の絶縁信頼性は向上するが、実施例１のスロットライナ１３の熱抵抗に対する比較例１のスロットライナ１３の熱抵抗比が１０であるため、熱抵抗が大きく、放熱性が極めて悪くなる。

（比較例２）
実施例１と同様に製造される発電機において、図５に示すように、高熱伝導樹脂シート１４として放熱ゴムシートＴＣ−ＢＧ、第１の樹脂フィルム１５ａとしてカプトンを用いたスロットライナ１３とした。実施例１のスロットライナと同様な厚さとするため、放熱ゴムシートは厚さ１５０μｍを選択し、カプトンは市販品の中から一例として厚さ７.５μｍを選択した。実施例１と同様に、スロットライナ１３の熱伝導率、熱抵抗の計算と含浸樹脂のクラックに対するスロットライナの絶縁信頼性の確認試験を行った。確認試験では、第１のカプトンを含浸樹脂中に埋め込んで加熱硬化した樹脂板から試験片を作製し、３点曲げ試験を行ったところ、第１のカプトンは含浸樹脂と共にクラックが発生し、試験片が完全に破断した。

従って、表１に示すように、比較例２のスロットライナ１３は、第２の樹脂フィルム１５ｂがないため、実施例１のスロットライナ１３の熱抵抗に対する比較例２のスロットライナ１３の熱抵抗比が０．６であり、実施例１に比べて熱抵抗が低減されている。しかし、高熱伝導樹脂シート１４と第１のカプトンは接着され、また、第１のカプトンは表面処理が施されておらず含浸樹脂との離型性を有していないため、運転中のスロットライナ１３に生じる熱応力が大きく、含浸樹脂にクラックが発生するとスロットライナ１３にもクラックが発生し、実施例１に比べてスロットライナ１３の絶縁信頼性が悪くなる。

本発明によれば、コイルから発生する熱の放散性の良い、また絶縁信頼性の高い、小型・高出力・高効率の回転機を提供することが出来る。

実施例１の発電機の断面図である。 実施例１の固定子の部分断面図である。 実施例１のスロットライナの断面図である。 比較例１のスロットライナの断面図である。 比較例２のスロットライナの断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…ハウジング、２…ボルト、３…軸受、４…回転軸、５…固定子鉄心、６…回転子、７…隙間、８…固定子、９…コイル、１０…スロット、１１…加熱硬化された樹脂、１２…コイルエンド、１３…スロットライナ、１４…高熱伝導樹脂シート、１５ａ…第１の樹脂フィルム、１５ｂ…第２の樹脂フィルム

Claims (3)

1. 複数の電磁鋼板を積層した固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周側に空隙を介して回転する回転子と、前記固定子鉄心に設けられた導線を保持するためのスロットと、前記スロット内にスロットライナを挿入し導線を巻き回して形成されたコイルとを有し、コイルに熱硬化性樹脂を含浸して固化されている回転機において、
   コイル側から高熱伝導樹脂シートと、第１の樹脂フィルムと、前記第１の樹脂フィルムと互いに滑性（離型性）を有する第２の樹脂フィルムで構成され、前記第１の樹脂フィルムと前記第２の樹脂フィルムとの間に離型性を有する界面が形成されたスロットライナを用いたことを特徴とする回転機。
2. 前記高熱伝導樹脂は、熱伝導率が１．０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
3. 前記第１の樹脂フィルム及び第２の樹脂フィルムは、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から選択されることを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機。

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