JP5231981B2

JP5231981B2 - 回転電機の回転子

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Publication number: JP5231981B2
Application number: JP2008335502A
Authority: JP
Inventors: 徹志岡本; 憲之岩田; 裕石渡; 国彦和田; 幹雄垣内; 省三阿部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-12-27
Filing date: 2008-12-27
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-12-27
Also published as: JP2010158121A

Description

本発明は、回転電機の回転子に係り、特にタービン発電機の回転子に関する。

巻線型回転電機の回転子、特にタービン発電機の回転子は、回転子鉄心に磁極部を残して加工・形成されたスロット内に、絶縁物を介して界磁巻線が収納され、その上部が絶縁ブロック（スペーサ）を介してくさびにより抑えられた構造を有している。そして、界磁巻線においては、各層の導体（巻線導体）間に層間絶縁材が介挿され、電気的に絶縁されている。層間絶縁材は、耐熱性の高いエポキシ樹脂とガラス繊維からなるガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）から成る基材と、このＦＲＰ基材と巻線導体とを接着する接着剤層から構成される（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このように構成された従来の回転子においては、回転電機運転中の熱や振動により接着剤の接着力が低下し、あるいは回転電機の起動・停止や負荷変動に起因する巻線導体の熱膨張・収縮により発生する機械的なストレスによって、層間絶縁材が巻線導体から剥がれ、脱離するおそれがあった。そして、層間絶縁材が剥離した場合、最悪の場合は層間絶縁材の折れやずれを生じ、界磁巻線の層間の短絡事故に至るおそれがあった。

また、ＦＲＰ基材の厚さは一定の厚さ以下に薄くすることができないため、巻線導体の断面積の増大には限界があり、効率を十分に高めることが難しかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、運転中に界磁巻線の熱膨張・収縮などに起因する機械的なストレスによって層間絶縁材が剥離することがなく、また信頼性が高く効率の良好な回転電機の回転子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の回転電機の回転子は、回転子鉄心に設けられたスロット内にスロット絶縁物を介して収納された界磁巻線と、該界磁巻線の各層の導体間に介挿された層間絶縁層を備えた回転電機の回転子において、前記層間絶縁層は、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料を含有し、かつ隣接する前記界磁巻線の導体の一方に接着され、かつ前記無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含み、金属アルコキシドを出発原料としてゾル−ゲル法により形成された絶縁材料層を有し、前記層間絶縁層における前記無機化合物の含有割合は、前記界磁巻線の導体との接着界面から離れるにしたがって増大することを特徴とする。

本発明の回転電機の回転子によれば、界磁巻線の各層の導体間に介挿された層間絶縁層が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる少なくとも１種の無機化合物を構成成分として含む絶縁材料を含有しており、かつこのような層間絶縁層が隣接する界磁巻線の導体の一方に接着されているので、回転電機の起動、停止や負荷変動等により巻線導体の熱膨張・収縮が生じても、機械的なストレスによって層間絶縁層が巻線導体から剥離することがなく、信頼性が向上している。また、界磁巻線の導体断面積を増大することができるので、効率の高い回転電機を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係わる回転電機の回転子は、図１に示すように、回転子鉄心１に設けられたスロット２内に、対地絶縁用のスロット絶縁物３を介して界磁巻線４が収納され、その上部が絶縁ブロック（スペーサ）５を介してスロットくさび６により抑えられた構造を有している。そして、界磁巻線４においては、各層の導体（巻線導体）４ａに層間絶縁層７が介挿され、電気的に絶縁されている。

層間絶縁層７は、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる少なくとも１種の無機化合物から構成されており、隣接する一方の巻線導体４ａに接着されている。層間絶縁層７を構成する無機化合物のうちで、酸化物としては、酸化アルミニウム（アルミナ；Ａｌ_２Ｏ_３）や二酸化ケイ素（シリカ；ＳｉＯ_２）等が挙げられ、窒化物としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等が挙げられる。炭化物としては、炭化ケイ素、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン等が挙げられる。耐環境性に優れ、特に高温酸素含有雰囲気での物性変化が少なく、安定した特性を得ることができるので、酸化物、特にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）の使用が好ましい。

層間絶縁層７の形成は、スパッタ法、イオンプレーティング法、スラリー法、ＣＶＤ法、溶射法、ＰＶＤ法等を用いて、前記無機化合物の層を形成することにより行うことができる。

また、層間絶縁層７を有機−無機ハイブリッド材料により構成することもできる。有機−無機ハイブリッド材料は、有機成分としての樹脂と無機成分としてのシリカ（ガラス）とを分子レベルで複合化してなる材料である。このような材料としては、例えば、エポキシ樹脂−シリカハイブリッド材料であるコンポセランＥ１０２（荒川化学工業株式会社の商品名）がある。このコンポセランＥ１０２により層間絶縁層７を形成するには、巻線導体４ａの表面に刷毛塗り等の方法でコンポセランＥ１０２を塗布した後、１００℃で３０分程度乾燥処理し、さらに１７０℃で２時間加熱して硬化させる方法が採られる。

こうして形成されたコンポセランＥ１０２の層と、前記したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のようなセラミックスの層、およびエポキシ樹脂層について、弾性率の温度による変化を調べた結果を図２に示す。この図からわかるように、コンポセランＥ１０２はガラス転移温度の前後での弾性率の変化が少なく、高温においても高い特性を安定して有する。

ここで、前記無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料は、ロータ絶縁にかかる面圧５ＭＰａ以下の範囲において、厚さ方向の変位が面圧に比例する弾性体であることにより、長期使用に耐えうる構成を得ることができる。

このように第１の実施形態の回転電機の回転子によれば、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物から構成されているか、あるいは酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を一部に含む有機−無機ハイブリッド材料から構成されており、かつこのような層間絶縁層７が、隣接する一方の巻線導体４ａに接着されているので、巻線導体４ａの熱膨張・収縮に起因する機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。したがって、信頼性の高い回転子を得ることができる。また、巻線導体４ａの断面積を増大することができるので、効率が高い回転電機を提供することができる。

すなわち、回転電機の界磁電流が流れる巻線導体４ａは、特に大容量になると電流値が増大し１５０℃以上の高温になるが、このとき層間絶縁層７にエポキシ樹脂等の有機材料が使用されていると、接着強度が低下し、起動停止時のヒートサイクルや電磁振動によって層間絶縁層７が剥離することがある。その原因の一つは、図２に示すように、ガラス転移温度を超えた温度でエポキシ樹脂の物性値が大きく低下するためであると考えられている。したがって、高温に至るまで弾性率をはじめとする物性変化が小さい、酸化物や窒化物、炭化物から選ばれる無機化合物を少なくとも一部に含む絶縁材料を用いて層間絶縁層７を構成することによって、高温においても剥離等が生じず信頼性の高い層間絶縁層７を得ることができる。

さらに、層間絶縁層７を構成する酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物、あるいはこれらの無機化合物を一部に含む有機−無機ハイブリッド材料は、０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有するものであることが好ましい。

すなわち、回転子の界磁巻線４においては、巻線導体４ａから回転子鉄心１への放熱量が巻線導体４ａの位置によって異なるため、スロット２内で配置された上下の位置により巻線導体４ａの温度に違いが生じる。具体的には、スロット２の底部に配置された巻線導体４ａは、３面が回転子鉄心１に接しているため、他の位置に配置された巻線導体４ａと比べて放熱により冷却されやすい。温度による材料の劣化を考慮すると、最も温度の高いホットスポットに存在する材料の劣化が全体の性能を決定することになり、界磁巻線４の層間に介挿される層間絶縁層７は巻線導体４ａに比べて熱伝導率が低いため、界磁巻線４の各位置で巻線導体４ａの温度が不均一となる要因の一つと考えられる。実施の形態において、層間絶縁層７を構成する絶縁材料の熱伝導率を、０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と従来のものより高くすることにより、界磁巻線４の各位置における温度分布をより均一にすることができ、温度上昇による材料の劣化を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について、図３を参照して説明する。第２の実施の形態に係わる回転電機の回転子においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の一部として含む絶縁材料により構成されており、この絶縁材料が、ゾル−ゲル法により形成されたものであることを特徴としている。すなわち、層間絶縁層７が、金属アルコキシドを出発原料とし加水分解・重合反応によりゲルを生成し、このゲルを加熱して酸化物を得る方法により形成された絶縁材料を含有している。その他の部分は、図１に示す第１の実施の形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

ゾル−ゲル法によりエポキシ樹脂とシリカとのハイブリッド材料を調製するには、エポキシ樹脂中にアルコキシシランを配合し、エポキシ樹脂の硬化反応と同時にアルコキシシランのゾル−ゲル反応（加水分解・重合反応）を進行させる。こうして、ガラス転移点の消失したエポキシ−シリカハイブリッド材料を調製することができる。

調製する手順の具体例を以下に示す。また、反応の過程の大要を図４に示す。まず、Ａ１８７（日本ユニカー社の商品名：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）３０ｇとジェファーミンＤ２３０（（テキサコケミカル社の商品名：テトラメチレンペンタアミン；硬化剤）８．３７ｇをスターラーで高速撹拌する。これに純水２ｇを滴下してさらに撹拌を続け、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランを加水分解する（Ａ液の調製）。

一方、Ｅｐ８２８（油化シェル社の商品名：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂）２２．５６ｇとＨＮ２２００（日立化成社の商品名：メチルテトラヒドロフタル酸；硬化剤）１８．０５ｇとを混合する（Ｂ液の調製）。次に、こうして得られたＢ液に上述のＡ液を撹拌しながら滴下する。その後、６０℃、１００℃、１５０℃、１９０℃の各温度に４時間ずつ保持しながら昇温していく。こうして、エポキシ樹脂−シリカハイブリッド材料を得ることができる。

こうして得られた有機−無機ハイブリッド材料は、有機成分と無機成分が化学反応によって強固に結合・一体化しているため、無機充填剤を有機材料に分散して得られる材料のように、無機成分と有機成分との界面が機械的・電気的な弱点部になることがない。したがって、電気的・機械的特性に優れている。

また、金属アルコキシドが反応して無機成分を形成する際に、金属表面に存在する水酸基と反応して強固な共有結合をもたらすので、ゾル−ゲル法により形成された有機−無機ハイブリッド材料は、基板特に金属基板に対する密着性や接着性が高いという利点を有する。

このように第２の実施の形態に係る回転電機の回転子によれば、界磁巻線４の各層間に介挿される層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を少なくとも構成成分の一部として含み、ゾル−ゲル法により形成された絶縁材料により構成されているので、機械的なストレスによって層間絶縁層７が界磁巻線４の導体から剥離することがない。したがって、信頼性の高い回転子を得ることができる。また、界磁巻線４の導体の断面積を増大することができるので、効率が高い回転電機を得ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について、図５を参照して説明する。第３の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、有機−無機ハイブリッド材料８中に層厚以下の粒径を有する無機充填剤９が含有・分散された構造を有し、ゾル−ゲル法により形成された層であることを特徴としている。その他の部分は、図１に示す第１の実施の形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

無機充填剤９としては、シリカのような酸化物が好ましい。その理由は、酸化物充填剤の表面には多くの水酸基が存在し、この水酸基が有機−無機ハイブリッド材料の有機部分と化学結合することで、充填剤が電気的・機械的欠陥となる可能性が低くなるためである。

第３の実施の形態において、有機−無機ハイブリッド材料８中に無機充填剤９が含有・分散された層間絶縁層７を形成するには、前記第２の実施形態に記載されたエポキシ樹脂とシリカとのハイブリッド材料を調製した方法を用いることが好ましい。すなわち、第２の実施の形態に記載されたゾル−ゲル法により調製されたエポキシ樹脂−シリカハイブリッド材料は、無機充填剤であるシリカが含有・分散されたエポキシ樹脂ハイブリッド材料でもあるので、エポキシ樹脂中にアルコキシシランを配合し、エポキシ樹脂の硬化反応と同時にアルコキシシランのゾル−ゲル反応（加水分解・重合反応）を進行させる方法により、層中に層厚以下の粒径を有するシリカが含有・分散されたエポキシ樹脂−シリカハイブリッド材料層を形成することができる。

第３の実施の形態の回転電機の回転子によれば、界磁巻線４の各層の導体間に介挿された層間絶縁層７が、有機−無機ハイブリッド材料８中に所定の粒径を有する無機充填剤９が含有されて構成されているので、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。したがって、信頼性の高い回転子を得ることができる。

すなわち、前記第２の実施の形態で述べたように、ゾル−ゲル法により形成された有機−無機ハイブリッド材料は、有機成分のみからなる材料と比較すると耐熱性が高いので、巻線導体４ａ間に存在する電気絶縁物として有用であるが、回転子が高速回転する際に発生する加熱圧縮時の永久歪みが０ではないため、運転時に圧縮される結果スロット２内に隙間が発生し、界磁巻線４の固定力が低下することが懸念される。しかし、無機充填剤９が含有・分散された有機−無機ハイブリッド材料８により層間絶縁層４を構成することで、層間絶縁層４の加熱圧縮による変形を小さくすることができる。

ここで、層間絶縁層４に含有される無機充填剤９の粒径は、層間絶縁層４の厚さより小さくすることが必要である。その理由は、無機充填剤９の粒径が層間絶縁層４の厚さより大きい場合には、層間絶縁層４の表面に凹凸が生じる結果、この面の摩擦係数が大きくなり、また表面の突起によってこの面に対向する巻線導体４ａの表面を削り取ってしまうおそれがあるためである。より具体的には、無機充填剤９の粒径は５００μｍ以下とすることが望ましい。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を含む有機−無機ハイブリッド材料から構成されており、隣接する一方の巻線導体４ａに接着されている。また、層間絶縁層７においては、巻線導体４ａとの接着界面から離れるにしたがって、有機−無機ハイブリッド材料中の無機成分（前記無機化合物）の含有割合が増大するように構成されている。その他の部分は、図１に示す第１の実施の形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

このように構成される層間絶縁層７を形成するには、例えば、前記第２の実施の形態に記載されたゾル−ゲル法によるエポキシ樹脂−シリカハイブリッド材料の調製において、Ａ液とＢ液との配合比率を変えることにより無機成分の含有割合を調整する方法と採ることが好ましい。すなわち、Ａ液の配合比率を増やすことで無機成分の含有割合を増大させることができるので、巻線導体４ａに接する面側から順に、Ａ液とＢ液の配合比率を（４０：６０）、（５０：５０）、（６０：４０）と３段階に変化させて塗布し、それぞれの塗布層を硬化させながら３回処理することによって、巻線導体４ａとの接着界面から離れ表面に近くなるほど、有機−無機ハイブリッド材料中の無機成分（前記無機化合物）の含有割合が多くなるように構成された層間絶縁層７を形成することができる。

第４の実施の形態の回転電機の回転子によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。そのうえ、層間絶縁層７表面の耐磨耗性がより高められており、信頼性が高い回転子を得ることができる。

すなわち、無機成分（酸化物、窒化物、炭化物から選ばれる無機化合物）は、樹脂等の有機成分に比べて耐磨耗性が高いので、無機成分の含有により、回転電機の起動停止に起因する導体の熱伸長、収縮による層間絶縁層７表面の磨耗を防ぐことができる。しかしながら、無機成分の含有割合が多くなると熱膨張係数が小さくなるため、導体との熱膨張係数の差から内部応力が発生し、界面剥離を生じることが懸念される。そこで、巻線導体４ａとの界面近傍は、熱膨張係数が導体と同程度となるように、無機成分の含有割合を小さくすることが好ましい。そして、巻線導体４ａとの接着界面から離れ表面に近くなるほど無機成分の含有割合を増大させることにより、層間絶縁層７の表面の耐磨耗性を向上させ、磨耗を効果的に防止することができる。なお、有機成分として、例えばシリコーンポリマーのように比較的柔軟性の高い材料を用いた場合には、層間絶縁層７が巻線導体４ａの伸びに追従しやすくなるので、良好に内部応力が緩和されるという利点がある。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態について、図６を参照して説明する。第５の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料層７ａの表面に、ポリイミド樹脂、イミド変性エポキシ樹脂のように耐熱性の高い樹脂のコーティング層１０が積層して形成された構造となっている。そして、このような構造を有する層間絶縁層７が、隣接する一方の巻線導体４ａに接着されている。なお、その他の部分は、図１に示す第１の実施の形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

第５の実施の形態の回転電機の回転子によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。また、樹脂コーティング層１０が衝撃力を吸収するので、耐衝撃性に優れ信頼性が高い回転子が得られる。

すなわち、無機成分（酸化物、窒化物、炭化物から選ばれる無機化合物）は、樹脂等の有機成分に比べて耐熱性、寸法安定性等が良好であるが、耐衝撃性が不十分であるため、無機成分のみから構成される絶縁層においては、例えば製造時のコイル成形の際のハンマーによる衝撃でクラックが入るおそれがある。しかし、無機化合物を少なくとも一部含む絶縁材料層７ａの表面に樹脂コーティング層１０を設けた構造とすることにより、樹脂コーティング層１０が外部からの衝撃を吸収するので、耐衝撃性が向上し、絶縁材料層７ａにクラックが入りにくくなる。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態について、図７を参照して説明する。第６の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料から構成されており、隣接する一方の巻線導体４ａに接着されている。そして、この層間絶縁層７は、表面から巻線導体４ａとの接着面まで達するように厚さ方向に連続的に形成された多数の亀裂部１１を有しており、この亀裂部１１には、ゴム状弾性体１２が充填され埋め込まれている。

無機化合物を含む層間絶縁層７の厚さ方向に多数の亀裂部１１を形成するには、例えば、第１の実施の形態に示す方法で、巻線導体４ａ上に無機化合物を含む層を形成した後、巻線導体４ａを屈曲し、無機化合物を含む層に過重な応力を負荷することによりミクロクラックを形成する方法を採ることができる。また、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ：Electron-Beam Physical Vapor Deposition）法を使用し、コーティング面に垂直な方向に伸びる緻密な柱状晶組織を形成することで、厚さ方向に多数の亀裂部１１を有する無機化合物層を形成することも可能である。

第６の実施の形態によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがなく、信頼性の高い回転電機の回転子が得られる。

すなわち、層間絶縁層７には、回転子の回転の際の遠心力により圧縮力が発生する。この圧縮力は、層間絶縁層７の厚さ方向（回転子に対して法線方向）に発生するため、層間絶縁層７は表面から巻線導体４ａとの接着面まで厚さ方向には連続的につながっていることが必要である。一方、コイル製作時には、層間絶縁層７に曲げストレスがかかるため、層間絶縁層７にクラックが入り、このクラックにより巻線導体４ａの界面から剥離するおそれが生じる。そこで、層間絶縁層７を厚さ方向に多数の亀裂部１１を有する構造とし、すなわち巻線導体４ａとの接着界面に対して水平方向には不連続な層とし、さらにこの多数の亀裂部１１に、弾性率の高いゴム状弾性体が充填され埋め込まれた構造とすることによって、機械的なストレスによる層間絶縁層７の剥離を効果的に防止することができる。

（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態について、図８を参照して説明する。第７の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料から構成されており、かつこの層間絶縁層７が巻線導体４ａの両面にそれぞれ形成され、接着されている。なお、その他の部分は、図１に示す第１の実施の形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

第７の実施の形態の回転電機の回転子によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。また、巻線導体４ａ表面の削れが防止され、信頼性の高い回転子が得られる。

すなわち、導体の占積率を高め効率を向上させるという観点からは、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む層間絶縁層７を、巻線導体４ａの片面に接着・形成した構造が好ましい。しかし、無機成分は樹脂等の有機成分に比べて硬度が高いため、回転電機の起動停止の際のヒートサイクルに起因する導体の熱伸長、収縮によって、隣接する巻線導体４ａの表面に損傷を与え、あるいは削ってしまうおそれがある。第７の実施の形態においては、無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む層間絶縁層７を巻線導体４ａの両面に接着して形成することによって、巻線導体４ａの露出した表面が層間絶縁層７と直接接することがなくなるので、巻線導体４ａ表面の削れが防止される。

（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態について、図９を参照して説明する。第８の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料から構成されており、かつこの層間絶縁層７は巻線導体４ａの少なくとも片面に接着されている。そして、この層間絶縁層７は、前記無機化合物を構成成分の一部として含む絶縁材料（例えば有機−無機ハイブリッド材料）から成る半硬化あるいは未硬化状態のフィルム１３を、巻線導体４ａ上に貼り付けた後硬化させることによって形成されたものであることを特徴としている。なお、前記無機化合物のみから構成されるフィルムの表面に、前記有機−無機ハイブリッド材料から成る半硬化膜を形成し、この半硬化膜を介して巻線導体４ａ上に貼り付けるように構成することもできる。

第８の実施の形態の回転電機の回転子によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがないうえに、製造コストの低減が可能である。

すなわち、無機化合物を含む絶縁材料から成る層の形成を例えばスパッタ法を用いて行う場合には、大きな巻線導体４ａを収容するために大型の真空槽を必要とし、製造コストが高くなるが、無機化合物を含む絶縁材料を用いて半硬化あるいは未硬化状態のフィルムを形成し、これを巻線導体４ａに貼り付け硬化させることによって層間絶縁層７が形成された構造においては、製造の作業性が良好であり、製造コストを低減することができる。なお、半硬化あるいは未硬化状態のフィルムを貼り付けた後硬化させる際には、応力がかからないように巻線導体４ａを固定することが好ましい。すなわち、銅から成る巻線導体４ａ上に層間絶縁層７を形成する場合、１４０℃以上の加熱下で導体に応力がかかっていると、銅が鈍って強度が低下するおそれがある。したがって、フィルム貼り付け後の乾燥や硬化を行う際には、巻線導体４ａに応力がかからないように固定しておくことによって、銅の強度低下を防ぐことができる。

（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態について、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照して説明する。第９の実施の形態においては、図１０Ａに示すように、界磁巻線４の巻線導体４ａが冷却孔または冷却溝（以下、冷却孔等と示す。）１４を有している。そして、図１０Ｂに示すように、このような各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料から構成され、かつこの層間絶縁層７が隣接する巻線導体４ａの一方に接着されている。また、巻線導体４ａの冷却孔等１４の内壁面には、前記した無機化合物を少なくとも一部含む絶縁材料の層が形成されていない構造となっている。その他の部分は、図１に示す第１の実施の形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

冷却孔等１４の内壁面に前記絶縁材料の層が形成されていない構造とするには、巻線導体４ａ上に前記絶縁材料の層を形成した後、冷却孔等１４を加工し形成する方法を採ることが好ましい。冷却孔等１４の形成後にスパッタ法等により無機化合物を含む絶縁材料の層を形成すると、冷却孔等１４の内壁面にも絶縁材料が付着してしまうため、好ましくない。

第９の実施の形態の回転電機の回転子によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。また、巻線導体４ａの冷却孔等１４の内壁面に無機化合物を含む絶縁材料層が形成されていないので、熱交換率が高く、導体温度の上昇が抑制される。

すなわち、例えばタービン発電機の回転子に使用される巻線導体４ａには、導体冷却用のガスを流すための冷却孔等１４が形成されているが、この冷却孔等１４の内面が熱伝導性が比較的低い前記絶縁材料により覆われていると、熱交換率が低下してしまう。そこで、冷却孔等１４内に無機化合物を含む絶縁材料の層を形成せず、内壁面を露出させることにより、熱交換率を高くし、導体温度の上昇を効果的に抑えることができる。

（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態について、図１１を参照して説明する。第１０の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料から構成されており、かつこの層間絶縁層７は隣接する一方の巻線導体４ａに接着されている。また、界磁巻線４は、複数の分割接続部１５を有している。すなわち、界磁巻線４の巻線導体４ａは、スロットに挿入するために２箇所以上の部位で切断され、かつ切断された部位はスロット挿入後に溶接等により接続されている。そして、巻線導体４ａの分割接続部１５の近傍には、前記した無機化合物を少なくとも一部含む絶縁材料から成る層間絶縁層７が形成されていない構造となっている。

第１０の実施の形態の回転電機の回転子によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。また、界磁巻線４の分割接続部１５の近傍に、無機化合物を含む絶縁材料から成る層間絶縁層７が形成されていないので、この層間絶縁層７の劣化が防止され、信頼性が高い回転子が得られる。

すなわち、巻線導体４ａの分割部を接続する際に溶接等の溶融接続プロセスを使用した場合、７００℃以上の温度に導体が加熱されるため、この熱によって無機化合物を含む絶縁材料から成る層間絶縁層７が劣化するおそれがあるが、分割接続部１５の近傍に層間絶縁層７を形成せず、この部分には、巻線導体４ａの接続後に無機化合物を含む絶縁材料を被覆するなどの方法で層間絶縁層７を形成するように構成することにより、信頼性の向上を図ることができる。

なお、分割部の接続の際に非溶融プロセスを用いることによって、巻線導体４ａの温度を上げずに導体接合を行なうことができる。したがって、非溶融プロセスにより形成された分割接続部１５においては、その近傍にも前記した無機化合物を含む絶縁材料から成る層間絶縁層７を形成することが可能である。非溶融プロセスとしては、接合部に圧力をかけた状態で、ドリルにより機械的に界面を撹拌しながら導体同士を接合する方法などを使用することができる。

（第１１の実施の形態）
本発明の第１１の実施の形態について、図１２を参照して説明する。第１１の実施の形態においては、界磁巻線４の各層の巻線導体４ａ間に介挿された層間絶縁層７が、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料から構成されており、かつこの層間絶縁層７は隣接する一方の巻線導体４ａに接着されている。また、界磁巻線４は、回転子鉄心の出口側の直線部位に複数の分割接続部１５を有しており、これらの分割接続部１５の近傍には、前記した無機化合物を少なくとも一部含む絶縁材料から成る層間絶縁層７が形成されていない構造となっている。

第１１の実施の形態によれば、機械的なストレスによって層間絶縁層７が巻線導体４ａから剥離することがない。また、製造を簡便に行うことができるという利点がある。さらに、界磁巻線４の分割接続部１５の近傍に層間絶縁層７が形成されていないので、この層間絶縁層７の劣化が防止され、信頼性が高い回転電機の回転子が得られる

すなわち、前記した無機化合物を含む絶縁材料から成る層間絶縁層７の厚さは、できるだけ均一であることが好ましいが、巻線導体４ａの屈曲している部位では均一な厚さの層を形成することが難しい。そこで、回転子鉄心の出口側の巻線導体４ａの直線部位に分割接続部１５を設け、巻線導体４ａを直線部と屈曲部に分けてそれぞれの部位に別々に層間絶縁層７を形成することによって、容易に均一な厚さの層を形成することができる。

なお、前記第１０の実施の形態と同様に、分割部の接続の際に非溶融プロセスを用いることによって、巻線導体４ａの温度を上げずに導体接合を行なうことができるので、非溶融プロセスにより形成された分割接続部１５においては、その近傍にも前記した無機化合物を含む絶縁材料から成る層間絶縁層７を形成することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係わる回転電機の回転子において、スロット部の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態において、層間絶縁層を構成する絶縁材料の物性の温度変化を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態による層間絶縁層の構成を示す断面図である。本発明の第２の実施の形態において、層間絶縁層を構成するエポキシ−シリカハイブリッド材料を調製するための反応過程を示す図である。本発明の第３の実施の形態による層間絶縁層の構成を示す断面図である。本発明の第５の実施の形態による層間絶縁層の構成を示す断面図である。本発明の第６の実施の形態による層間絶縁層の構成を示す断面図である。本発明の第７の実施の形態による層間絶縁層の構成を示す断面図である。本発明の第８の実施の形態による層間絶縁層の構成を示す斜視図である。本発明の第９の実施の形態による巻線導体の構成を示す斜視図である。本発明の第９の実施の形態による巻線導体および層間絶縁層の構成を示す断面図である。本発明の第１０の実施の形態による巻線導体および層間絶縁層の構成を示す平面図である。本発明の第１１の実施の形態による巻線導体および層間絶縁層の構成を示す平面図である。

符号の説明

１…回転子鉄心、２…スロット、３…スロット絶縁物、４…界磁巻線、４ａ…巻線導体、６…くさび、７…層間絶縁層、８…有機−無機ハイブリッド材料、９…無機充填剤、１０…樹脂コーティング層、１１…亀裂部、１２…ゴム状弾性体、１３…半硬化あるいは未硬化状態のフィルム、１４…冷却孔等、１５…分割接続部。

Claims

回転子鉄心に設けられたスロット内にスロット絶縁物を介して収納された界磁巻線と、該界磁巻線の各層の導体間に介挿された層間絶縁層を備えた回転電機の回転子において、
前記層間絶縁層は、酸化物、窒化物および炭化物から選ばれる無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含む絶縁材料を含有し、かつ隣接する前記界磁巻線の導体の一方に接着され、かつ前記無機化合物を構成成分の少なくとも一部として含み、金属アルコキシドを出発原料としてゾル−ゲル法により形成された絶縁材料層を有し、
前記層間絶縁層における前記無機化合物の含有割合は、前記界磁巻線の導体との接着界面から離れるにしたがって増大することを特徴とする回転電機の回転子。