JP4260364B2 - 高電圧固定子コイル用の改良型テイパー電極及び電圧漸変方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は一般的に発電機に関し、さらに詳細には、高電圧固定子コイルに用いる改良型テイパー電極及び改良型電圧漸変方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
高電力発電機では、コイルを挿入するスロットを固定子コアの表面に形成するのが一般的である。通常、各固定子スロットに２つの固定子コイルを配置する。これらのコイルは発電機の運転時に付勢される。
【０００３】
固定子コアは一般的にアース電位に維持されるが、固定子スロット内のコイルは比較的高い電位にある。単一の固定子スロット内の２つのコイル間及び固定子コアとコイルの間でアークが発生しないようにするために、各コイルの表面を外側電極と呼ぶ導電材で覆うのが一般的である。外側電極は、コイルと固定子コアの間だけでなく上部コイルと下部コイルの間のギャップに放電が起こるのを阻止する。外側電極は、アークにより生じるであろう物理的な摩耗からコイルを保護する。図１は、固定子コア１００のスロット出口１０６にある上部コイル１０２及び下部コイル１０４を示す斜視図である。各コイル１０２、１０４には、固定子コア１００のスロット部分１０６の全長にわたって外側電極１０８が施され、この外側電極１０８は、固定子のスロット１０６の外側のコイル１０２、１０４上の位置で終端する。外側電極１０８は、通常、コイル１０２、１０４に適用される絶縁材料の層１３１を覆うように適用される。
【０００４】
図１に示すように、固定子コイル１０２、１０４の片方または両方を、固定子コア１００から延びた任意の箇所で曲げることが普通に行われる。このため、一方のコイル、即ち、いずれのコイルが曲げられているかにより、上部コイル１０２または下部コイル１０４の一部は、非常に高い電圧を有する外側電極により覆われたもう一方のコイルの一部と近接する箇所において、外側電極１０８により覆われないという問題が生じる。これと同じ問題は、２つの別個の固定子スロットから出た２つの固定子コイルが互いに近接した箇所で交差するときも生じる。非常に高い電圧定格、例えば、１８ｋＶｒｍｓを超える電圧定格の固定子コイルでは、一方の固定子コイルの外側電極１０８ともう一方の固定子コイルのコイル端部の間の電位差が大きくなって、２つのコイル間にアークが発生する可能性がある。
【０００５】
この問題が発生する状況を、図２Ａ及び２Ｂに示す。図２Ａは、同一の固定子スロットから出る上部コイル１０２及び下部コイル１０４の頂面図である。図示のように、上部コイル１０２と下部コイル１０４は外側電極１０８の端部近くで互いに反対方向に曲がっている。斜線部分１１０の領域に対応する下部コイル１０４の部分は、上部コイル１０２の外側電極１０８に近接しているが、外側電極により覆われていない。上部コイル１０２の下部についても同じことがいえる。このように、比較的高い電位差の２つの点が比較的近接すると、アークが発生する可能性がある。図２Ｂは、２つのコイル１１１が、２つの異なる固定子スロットから出た後互いに近接して交差する状況を示す。上述した状況と同様に、各コイル１１１の一部１１０は、非常に高い電圧のもう一方のコイルの一部と近接する位置にある。一般的に、上述したような状況では共に、コイルにテイパー電極を適用する。テイパー電極は、斜線１１０で示す領域に適用されて、もう一方のコイルの遮蔽部分に近いコイルの非遮蔽部分を遮蔽する。
【０００６】
図２Ｃは、従来型のテイパー電極１１２を用いて調製した下部コイル１０４の斜視図である。下部コイル１０４のテイパー電極を図示説明するが、テイパー電極は互いに近接した位置で交差する両方のコイルに適用する必要があることに注意されたい。テイパー電極１１２は、コイル１０４の周囲に巻き付けて導電性外側電極１０８の端部とオーバーラップさせることにより、これら２つの電極間の導通を維持する。テイパー電極１１２の幅は、コイル１０４の一方のコーナー１１４の方がもう一方のコーナー１１６に比べると短い。この電極１１２は、２つのコーナー部分１１４、１１６が異なる長さを持つため、「テイパー電極」と呼ぶことができる。コイルの頂面上のテイパー電極１１２の形状は、図２Ａに示す斜線領域１１０の形状にマッチすることがわかる。従って、テイパー電極１１２の幾何学的形状は、上部コイル１０２及び下部コイル１０４の互いに近接する部分を電気的に遮蔽する形状である。このテイパー形設計により、高電圧の外側電極１０８により覆われた固定子コイルのいかなる部分も遮蔽されない別の固定子コイルに近接しないようになる。
【０００７】
図３は、従来型テイパー電極１１２の幾何学的形状の詳細図である。分り易くするために、テイパー電極１１２を平らな状態で示す。このテイパー電極１１２は、ベース部分１１８と、該部分から延びるタブ部分１２０とより成る。タブ部分１２０は、２つのかど張った点１２８と１３０の間の直線部分で終端する。タブ部分１２０の幅は、電極のベース部分１１８から離れるにつれて減少する。２つのテイパー側部１２４、１２６が、電極のベース部分１１８と終端の直線部分１２２の間に形成されている。
【０００８】
図４Ａは、図３の以前使用されたテイパー電極１１２を固定子コイル１０４に適用した状態を示す。テイパー側部１２４はコイル１０４の側部に沿って延びて、コイルの頂面と側面が交差するかど張った点１２８で終端する。図４Ｂは、テイパー電極１１２を用いて調製した同一のコイル１０４の底部を示す。前の図と同様、テイパー側部１２６はコイル１０４の底部に沿って延びて、２つのコイルの側部が交差するかど張った点１３０で終端する。
【０００９】
図５は、以前使用されたテイパー電極１１０に流れ込む電流を示す。再び、テイパー電極１１２は、図示の目的で平らな状態で示す。矢印はテイパー電極１１２に流れ込む電流を示す。図示のごとく、テイパー電極１１２の幾何学的形状は、電極１１２内に流れ込む電流に影響を与える。詳説すると、電流は直線部分１２２とテイパー側部１２４、１２６が交差することにより形成されるかど張った点１２８、１３０に集中する。電流の集中度が高いため、これらの点１２８、１３０ではＩ ² Ｒ損が過大となる。かかる点１２８、１３０は通常、「ホットスポ
ット」と呼ばれる。
【００１０】
図６に示すように、電圧漸変電極１３２はコイル１０２、１０４の外側電極、テイパー電極（図示せず）及び絶縁材１３１上に適用される。この電圧漸変電極１３２は、ペイントまたはテープより成る非線形抵抗性被覆であり、非線形で、スロットの出口領域における急激な電圧の変化を阻止する電圧電流特性を与える。このため、電圧漸変電極１３２はスロット出口においてコイルにかかる電圧応力のレベルを減少させる。従来型電圧漸変電極の例は、米国特許代４，２０７，４８２号に記載されている。
【００１１】
テイパー電極のホットスポットを包む電圧漸変電極の領域おいて、この電圧漸変電極は非常に高い温度になる。温度が非常に高くなるため、電圧漸変電極の材料が焼けて電極の電圧漸変特性が劣化することがある。従って、テイパー電極のかど張った点へ電流が集中して、コイルの構造及び性能に悪い影響が生じる。
【００１２】
従って、テイパー電極の隔離された点への電流の集中を最小限に抑えるテイパー電極及び高電圧固定子コイルの電圧漸変方法を提供することが望ましい。
【００１３】
【発明の概要】
従って、本発明の一般的な目的は、テイパー電極上の隔離された点への電流の集中を最小限に抑えるテイパー電極及び高電圧固定子コイルの電圧漸変方法を提供することにある。
【００１４】
簡単に説明すると、本発明の上記並びに他の目的は、ベース部分と該部分から延びるタブ部分とより成り、タブ部分の幅が ベース部分から離れるにつれて減少し、タブ部分が実質的に丸みを帯びた端部を有するテイパー電極により達成される。このテイパー電極は、導電性の材料、好ましくは抵抗が４００ｏｈｍ／平方未満の導電性テープで形成される。
【００１５】
本発明の別の特徴点として、電圧漸変電極は第１、第２及び第３の高い抵抗性のテープ層より成り、これらの層は固定子コイルの周りにほぼ螺旋状に抵抗性テープを巻き付けることにより形成されることである。第１の抵抗性テープ層は、テイパー電極のテイパー部分がコイルの側壁と出会う固定子コイル上の箇所でスタートし、外側電極とオーバーラップする終端点まで延びる。第２の抵抗性テープ層は第１の層の終端点でスタートし、第１の層の長さの約１．６７倍の長さにわたって外側電極から離れる方向に延びる。第３の抵抗性テープ層は第１の層の終端点でスタートし、第１の層の長さの約２．５６倍の長さにわたって外側電極から離れる方向に延びる。電圧漸変電極は、炭化珪素を含む１インチ幅のＢステージ樹脂の豊富なテープで作のが好ましい。
【００１６】
本発明の別の特徴点として、電圧漸変電極を固定子コイルに適用する方法は、第１の抵抗性テープ層を固定子コイルの周りにほぼ螺旋状に巻き付け、第２の抵抗性テープ層を固定子コイルの周りにおいて第１の層の反対側にほぼ螺旋状に巻き付け、第３の抵抗性テープ層を固定子コイルの周りにおいて第１と第２のテープの層の上にほぼ螺旋状に巻き付けるするステップより成る。
【００１７】
本発明の別の特徴及び利点は、以下の説明から明らかに成るであろう。
【００１８】
【好ましい実施例の詳細の説明】
本発明は丸みを帯びたテイパー電極を提供するが、この電極はテイパー電極上の隔離された点へ電流が集中しないようにしてホットスポットの発生を阻止する。本発明のテイパー電極は電圧漸変電極により覆われるが、この電圧漸変電極も同様に電流をテイパー電極に均等に分布させるように作用する本発明の方法により調製される。
【００１９】
図７Ａは、本発明によるテイパー電極１３４を示す。従来型のテイパー電極とは異なり、本発明のテイパー電極のタブ部分１３６は直線部分で終端しない。図示のように、このテイパー電極は丸みを帯びたタブ部分を有し、従来型テイパー電極の特徴であるかど張った点を持たない。図７Ｂは、コイルに適用された本発明のテイパー電極１３４を示す斜視図である。この本発明のテイパー電極は、テイパー側部１４０、１４２が特別の遮蔽機能を継続して発揮するようにする。しかしながら、タブ部分１３６にはかど張った点が存在しないため、本発明のテイパー電極の電流の集中度は低く、ホットスポットは発生しない。
【００２０】
好ましい実施例によると、導電性の外側電極は、コイルの絶縁性アース壁の周りに巻き付けた螺旋状の半重なりの導電性テープ層より成る。導電性テープの抵抗は４００ｏｈｍ／平方未満である。この導電性テープは、アース壁テープを適用する際の張力と同程度またはそれ以下の張力で適用する。
【００２１】
テイパー電極も同様に導電性テープにより形成する。好ましい実施例において、このテイパー電極を約１５．２４ｃｍ幅のテープ片から切り取る。テイパー電極は、図７Ａを参照して説明したような形状を有する。テイパー電極は、導電性の外側電極に約２．５４ｃｍ、オーバーラップさせて、これら２つの電極間の導電性を維持する。テイパー電極の境界部には、両面接着性のテープ層を適用して、テイパー電極が導電性の外側電極上の定位置に保持されるようにする。
【００２２】
本発明の電圧漸変電極も同様に、テイパー電極上の点への電流の集中を制限するように設計されている。電圧漸変電極は、コイル上に抵抗性テープ層を巻き付けることによりコイルに適用する。コイルの特定部分に適用するテープ層の数は、テイパー電極への抵抗を調整するように戦略的に変化させる。詳説すると、コイル端部から外側のテイパー電極までのコイルに沿う抵抗値は、テイパー電極とコイル端部の間の電圧差を漸変させるように徐々に増加させる。電極に沿う種々の点の抵抗を調整することにより、電圧漸変電極はテイパー電極の種々の部分への電流を調整するように作用する。
【００２３】
一般的に材料片の抵抗値は、その材料の長さ、材料の断面積、材料の抵抗率により決まる。詳説すると、その関係は下式により表わされる。
【００２４】
Ｒ ＝ ρ ι ／Ａ
上式において、ρは材料の抵抗率、ιは材料の長さ、Ａは抵抗性材料の断面積である。材料の断面積を増加させると材料の抵抗が減少する。従って、電圧漸変電極の抵抗については、テープの層数を増加させればさせるほど、その電極の特定の位置における抵抗が低くなる。
【００２５】
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明のテープによる電圧漸変電極形成方法を示す。図８Ａは、上部コイルの底部または下部コイルの頂部の何れかを示す図である。テイパー電極１３４のテイパー部分の輪郭を実線で示す。図８Ｂは、図８Ａのコイルの線Ａに沿う側面図である。電極の丸みを帯びたタブ部分１３６をコイルの側面に沿う破線で示す。一般的に、電圧漸変電極はコイルの周りに抵抗性テープの半重ね層を螺旋状に巻き付けることにより形成する。図８Ａの矢印は、螺旋が一般的に進行するコイルの長さに沿う一般的な方向を示す。
【００２６】
第１のテープ層はコイルの周りにおいてテイパー電極１３４上に巻き付けられるが、側壁上の、テイパー電極のテイパー部分が巻き付けられてコイルの側部へ延びる箇所１４４からスタートする。矢印で示すように、第１のテープ層はコイルの周りに螺旋状に延びて、導電性の電極１０８の方へ延びる。第１のテープ層は、その端部１４６において、導電性の電極１０８の端部と約２．５４ｃｍだけオーバーラップする。現在において好ましい実施例では、第１のテープ層はそのスタート位置１４４から約１１．４３ｃｍ螺旋状に延びるが、何れの場合でも、電極１３４のテイパー部分がコイルの側壁の周りに巻き付けられる点から導電性の外側電極１０８とオーバーラップする点１４６まで延びる必要がある。
【００２７】
第２のテープ層は、第１のテープ層が終端するコイルに沿う点１４６、すなわち第１の層が導電性の外側電極１０８とオーバーラップする箇所で、スタートする。好ましい実施例では、第１の層の形成に用いるテープと連続する同じテープを用いて第２のテープ層を形成する。これは、第１の層の端部に到達したら、そのテープの巻き付け方向を逆転するだけでよい。第２のテープ層はコイルの周りにおいて外側電極から離れる方向に螺旋状に巻き付け、第１のテープ層のスタート位置１４４を過ぎてそれ自体の終端点まで延びるようにする。発明者等によると,第２のテープ層の長さは第１のテープ層の長さの約１．６７倍必要であることがわかっている。好ましい実施例において、第２のテープ層の長さは約１９．０５ｃｍである。第２の層の端部は裏側に接着剤を有するテープを用いてコイルにテープ付けする。
【００２８】
第３のテープ層は、第１の層が終了して、第２の層がスタートするコイルに沿う同じ点１４６でスタートする。矢印により示すように、第３の層は、導電性の外側電極から離れる方向に螺旋状に巻き付け、第２のテープ層の終端点１４８を過ぎてそれ自体の終端点１５０まで延びる。発明者等は、第３のテープ層の長さは第１の層の２．５６倍であることがわかっている。好ましい実施例において、この第３の層の長さは約２９．２１ｃｍである。第３の層の端部は裏側に接着剤を有するテープによりテープ付けする。
【００２９】
現在において好ましい実施例では、電圧漸変電極は炭化珪素を含むＢステージ樹脂の豊富なテープを用いて作成する。このテープの幅は１インチであり、樹脂によりテープ層間のオーバーラップ部分を封止して、含浸樹脂が層間に侵入してテープの電気抵抗に影響を与えないように樹脂が十分に増量されている。
【００３０】
上述したように、電圧漸変電極の特定部分の抵抗はテープの厚さまたは断面積により大きな影響を受ける。断面積が大きければ大きいほど、抵抗は低くなる。電圧漸変電極については、３つのテープ層より成る領域が最も低い抵抗を有し、２つのテープを巻き付けて覆った領域は次に低い抵抗を有し、単一のテープ層より成る電圧漸変電極の領域は比較的高い抵抗を有する。
【００３１】
図９は、本発明の電圧漸変電極１５２により覆われる本発明のテイパー電極１３４を平らにして示した図である。この電圧漸変電極１５２は３つの部分Ａ、Ｂ及びＣに分けて示すが、これらは電圧漸変電極を構成するテープの層数が異なる領域を表わす。領域Ａ、すなわちテイパー電極１３４のベース部分１３５に最も近い領域は、３つのテープ層より成る電圧漸変電極１５２の部分を表わす。上述したように、この３つの層より成る領域は、電圧漸変テープの厚さが比較的厚いため電圧漸変電極のうち最も低い抵抗を有する。電圧漸変電極のこの領域は比較的低い抵抗を示すため、電圧漸変電極のこの領域に包まれるテイパー電極部分、すなわちこの電極のテイパー側部へは電流が最も流れ易いはずである。
【００３２】
２つのテープ層より成る電圧漸変電極部分に対応する第２の領域Ｂは、３つの層より成る領域よりも高い抵抗値を有する。図８から想起されるように、複数の層を巻き付けた領域Ｂは、テイパー電極１３４がコイルの側部の周りに巻き付けたテイパー電極１３４の部分でスタートする。この複数層はまたテイパー電極１３４の丸みを帯びた部分を包む。この３つの層より成る領域と比較するとテイパー電極のこの部分上の電圧漸変電極の抵抗率は比較的高いため、電流は電極の丸みを帯びた先端部に集中せずにテイパー電極のテイパー側部に流れ込むようになる。
【００３３】
１つのテープ層より成る領域に対応する第３の部分Ｃは、相対的に最も高い抵抗を有する。図示のように、単一のテープ層はテイパー電極のいかなる部分も包まない。しかしながら、２層領域と同様、電圧漸変電極の３層部分の低い相対抵抗はテイパー電極内に電流勾配が発生するように作用する。高い抵抗値を有する単一のテープ層により、抵抗値はコイル表面の高い表面抵抗からテイパー電極の著しく低い抵抗へ変化する。
【００３４】
発明者等は、本発明に従ってテイパー電極及び電圧漸変電極を用いて固定子巻線を製造し、テストした。この巻線に１分間、６８．９ｋＶｒｍｓをかけて電圧接地試験を行った。電圧フラッシュオーバーは発生せず、電圧漸変テープが過度に加熱されることもなかった。電圧接地試験の直後、電圧漸変領域を点検して、過熱が生じた形跡の有無をチェックした。その領域に手を触れると暖かく、電流が流れていたことがわかったが、焼損または破壊は起こっていなかった。これにより、電圧漸変テープが適正な性能を有することがわかった。
【００３５】
本発明は、他の特定の態様で実施可能である。例えば、テイパー電極は金属箔のような導電性テープ以外のもので形成可能である。同様に、電圧漸変電極はペイントのようなテープ以外の電圧漸変材料で構成することもできる。さらに、電圧漸変電極は漸変材料の層数を３つ以上または未満にしてもよい。従って、本発明の範囲を示すものとしては、上述の説明でなくて頭書の特許請求の範囲を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、固定子スロットの出口の外側電極を有する上部及び下部固定子コイルを示す斜視図である。
【図２Ａ】 図２Ａは、上部及び下部固定子コイルの頂面図である。
【図２Ｂ】 図２Ｂは、異なる固定子スロットから延びる２つの固定子コイルが互いに近接交差する態様を示す図である。
【図２Ｃ】 図２Ｃは、従来型のテイパー電極により調製した固定子コイルの斜視図である。
【図３】 図３は、従来型テイパー電極の詳細図である。
【図４Ａ】 図４Ａは、従来型テイパー電極により調製した固定子コイルの頂面図である。
【図４Ｂ】 図４Ｂは、従来型テイパー電極により調製した固定子コイルの底面図である。
【図５】 図５は、従来型テイパー電極に流れ込む電流を示す。
【図６】 図６は、固定子コアのスロット出口に電圧漸変電極を備えた上部及び下部固定子コイルを示す斜視図である。
【図７Ａ】 図７Ａは、本発明のテイパー電極の詳細図である。
【図７Ｂ】 図７Ｂは、固定子コイルに適用した本発明のテイパー電極の斜視図である。
【図８Ａ】 図８Ａは、本発明の電圧漸変電極を用いて固定子コイルを調製する方法を示す図である。
【図８Ｂ】 図８Ｂは、図８Ａに示す固定子コイルの側面図である。
【図９】 図９は、本発明のテイパー電極に適用した本発明の電圧漸変電極を平らにして示す詳細図である。

Claims (7)

1. 固定子コア（１００）と固定子コイル（１０２、１０４）との間に非対称的な電圧分布を与えるテイパー電極（１３４）を備えた、高電力発電機用の高電圧固定子巻線であって、
   テイパー電極（１３４）は、
   ベース部分（１３５）と、
   ベース部分（１３５）から延びるタブ部分（１３６）とより成り、
   タブ部分（１３６）の幅はベース部分（１３５）から離れるにつれて減少し、タブ部分（１３６）はテイパー電極（１３４）に流れ込む電流が集中しないように、直線部分で終端しない実質的に丸みを帯びた端部を有する高電力発電機用の高電圧固定子巻線。
2. テイパー電極（１３４）は導電性テープで形成されている請求項１の高電圧固定子巻線。
3. 頂壁、底壁及び２つの側壁を有し、固定子コイル（１０２、１０４）に外側電極（１０８）と、テイパー電極（１３４）と、電圧漸変電極（１５２）とが設けられた高電力発電機用の高電圧固定子巻線であって、
   固定子コイル（１０２、１０４）の互いに近接交差する位置に設けられたテイパー電極（１３４）は、
   ベース部分（１３５）と、
   ベース部分（１３５）から延びるタブ部分（１３６）とより成り、
   タブ部分（１３６）の幅はベース部分（１３５）から離れるにつれて減少し、タブ部分（１３６）はテイパー電極（１３４）に流れ込む電流が集中しないように、直線部分で終端しない実質的に丸みを帯びた端部を有し、
   電圧漸変電極（１５２）は、
   抵抗性テープを固定子コイル（１０２、１０４）の周りにほぼ螺旋状に巻き付けることにより形成され、テイパー電極（１３４）のタブ部分（１３６）が固定子コイル（１０２、１０４）の側壁と出会う固定子コイル（１０２、１０４）上の箇所（１４４）でスタートし、外側電極（１０８）とオーバーラップする終端点（１４６）まで延びるような長さを有する第１の抵抗性テープ層と、
   抵抗性テープを固定子コイル（１０２、１０４）の周りにほぼ螺旋状に巻き付けることにより形成され、第１の抵抗性テープ層の終端点（１４６）でスタートし、外側電極（１０８）から離れる方向に前記第１の層の約１．６７倍の長さだけ延びる第２の抵抗性テープ層と、
   抵抗性テープの層を固定子コイル（１０２、１０４）の周りにほぼ螺旋状に巻き付けることにより形成され、第１の抵抗性テープ層の終端部（１４６）からスタートし、外側電極（１０８）から離れる方向に第１の抵抗性テープ層の約２．５６倍の長さだけ延びる第３の抵抗性テープ層とより成る高電力発電機用の高電圧固定子巻線。
4. 電圧漸変電極（１５２）は外側電極（１０８）と少なくとも２．５４ｃｍだけオーバーラップする請求項３の高電圧固定子巻線。
5. 第１の抵抗性テープ層の長さは１１．４３ｃｍであり、第２の抵抗性テープ層の長さは１９．０５ｃｍであり、第３の抵抗性テープ層の長さは２９．２１ｃｍである請求項３の高電圧固定子巻線。
6. 電圧漸変電極（１５２）は珪素を含むＢステージ樹脂の豊富なテープで形成されている請求項４の高電圧固定子巻線。
7. 抵抗性テープの幅が２．５４ｃｍである請求項３の高電圧固定子巻線。

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