JP6014833B2

JP6014833B2 - 回転電機のコイル

Info

Publication number: JP6014833B2
Application number: JP2015000616A
Authority: JP
Inventors: 康行明石; 肇夫潮湖
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: WO2016111204A1; JP2016127720A

Description

本発明は、回転電機のコイルに関するものである。
特に本発明は、発電機の固定子コイルにおいて、絶縁層内に設ける内部放電防止層の材料として独特な材料を採用することにより、絶縁層内での放電を防止しつつ、機械による巻き付け作業をすることができるように工夫したものである。

発電機は、運転時に大電流や高電圧などの大きな負荷にさらされるが、これに対し、一般に２０年以上の耐用年数を持つことが求められる。また、発電機は、重要設備の一つであり、故障すると経済的に大きな影響を及ぼしてしまう。このような理由により、発電機を高負荷から保護するための絶縁技術が非常に重要になる。

ここで発電機の固定子コイルの従来構造の一例を説明する。
図５は、従来技術に係る発電機の固定子コイル１０を示す断面図である。同図に示すように、素線１１の外周面には素線絶縁層１２が形成されている。素線絶縁層１２が施された４本の素線１１により素線束が形成されている。この素線束の外周面（素線絶縁層１２のうち、素線束の外周面に位置する部分）には層間絶縁層１３が形成されている。

層間絶縁層１３が形成された素線束が４本並んだ状態で、素線群が形成される。この素線群の外周面（層間絶縁層１３のうち、素線群の外周面に位置する部分）には主絶縁層１４が形成されている。

主絶縁層１４の外周面には、コロナ防止層１５が形成されている。コロナ防止層１５は、低抵抗材料により形成されており、主絶縁層１４と、固定子コイル１０が取り付けられる鉄心との間でコロナが発生するのを防止するものである。

図６は、従来技術に係る他の例の、発電機の固定子コイル１０Ａを示す断面図である。同図において、１１は素線、１２は素線絶縁層、１４は主絶縁層、１５はコロナ防止層である。この固定子コイル１０Ａでは、層間絶縁層は備えていない。

近年では、機器の高効率化やコスト削減の理由から、可能な限り占有率を少なく、かつ信頼性を確保するような絶縁技術が求められている。これを達成するためには、より耐熱性・耐電圧性の高い絶縁材料を使用することが挙げられるが、この手法は材料費の高騰を招くため望ましくない。

絶縁材料を変更せずに上記課題を解決する手法として、例えば特許文献１，２に示すように、固定子コイルの絶縁層内に内部放電防止層を組み込むことで、絶縁層内での放電発生を防止して、課電寿命を長くする技術がある。

例えば、図５に示す固定子コイル１０では、層間絶縁層１３と主絶縁層１４の間の位置に、内部放電防止層を設けたり、図６に示す固定子コイル１０Ａでは、主絶縁層１４の内部に内部放電防止層を設けたりする。

内部放電防止層の材料としては、一般に、ガラス繊維や、ポリエステルのような高分子材料を基材とし、この基材（ガラス繊維や高分子材料）にカーボンを混入してテープ状にした放電防止材料が用いられる。このテープ状の放電防止材料は、カーボンが混入しているため、そのテープ表面の抵抗を低下させた低抵抗材料である。このテープ状の放電防止材料を、絶縁層の間（または特定の絶縁層の内部）に挿入・配置することにより、放電防止材料（内部放電防止層）を挟む絶縁層どうし（または特定の絶縁層のうち内部放電防止層を挟む絶縁材料どうし）を電気的に結合させて放電の発生を防止することができる。

特開２００２−１２５３３９号公報特開２０００−６００４７号公報

上述したように、絶縁層内での放電の発生を防止するため、絶縁層内に内部放電防止層を設ける場合には、従来では、カーボンを混入したテープ状の放電防止材料を用いることが一般的である。
しかし、カーボンを混入したテープ状の放電防止材料は、テーピングマシンを用いてコイルへ巻きつけることができず、作業性が低下するという課題がある。

一般に、発電機の固定子コイルとなるコイル導体への絶縁作業は、テープ状の絶縁材料を、テーピングマシンと呼ばれる機械を用いて自動巻き付けする。しかし、カーボンを混入したテープ状の放電防止材料を、テーピングマシンを用いてコイルに巻き付けたとすると、テーピングマシンの内部にカーボンが浸入し、テーピングマシンが故障する原因となる。このため、カーボンを混入したテープ状の放電防止材料は、機械で巻くことができず、人の手により巻き付け作業を行う必要があり、作業性が著しく低下する。

また、内部放電防止層を絶縁層内に設けても、必ずしも放電防止効果が得られるわけではない。即ち、放電防止材料の抵抗値が適当でない場合には、他の絶縁材料の抵抗値と干渉してしまい、十分な放電防止効果が得られない場合がある。

更に、前述のとおり、カーボンを混入したテープ状の放電防止材料の場合には、機械を用いた自動巻き付けが困難であるため、他の絶縁材料との密着性が低下し、十分な性能を得ることができないという問題もある。

また、図５に示す固定子コイル１０の一部を抽出した図７に示すように、発電機の固定子コイル１０では、素線絶縁層１２と層間絶縁層１３との間や、隣接する素線絶縁層１２，１２の間や、隣接する層間絶縁層１３，１３の間などの絶縁境界に、隙間Ｇが発生しやすい。このような隙間Ｇが発生するとコロナが発生して、絶縁層が劣化しやすくなる。

また、発電機の固定子コイルの電界解析状態を表す図８に示すように、発電機の固定子コイル１０の絶縁においては、例えば、固定子コイルの角部や、層間絶縁１３と主絶縁１４の間などの絶縁境界などで電界集中が発生する。電界集中が発生すると、ここで部分放電が発生する。部分放電により絶縁が浸食され、やがて絶縁破壊に至る。なお、図８において、黒塗した部分が電界集中している部分である。

図９に発電機の固定子コイルの絶縁が劣化するフローを示す。同図のフローに示すように、発電機の固定子コイルの絶縁層に熱負荷がかかると絶縁層に空隙（隙間）や剥離、さらには樹脂の枯れが発生する。この状態で電気的負荷がかかることにより、絶縁層の内部で部分放電が発生し、最終的には部分放電により絶縁破壊が発生するものと考えられている。
したがって、部分放電を抑制することで、発電機の固定子の絶縁信頼性の向上につながる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、絶縁層内に設ける内部放電防止層を機械巻きにより作業性良く形成することができ、しかもコロナの発生を防止することができる絶縁信頼性の高い、回転電機のコイルを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、内部に素線を含むとともに、前記素線の外周側には絶縁層が形成され、前記絶縁層内に内部放電防止層を形成している回転電機のコイルにおいて、
導電性高分子材料をテープ状に形成した導電性高分子テープを巻回することにより、前記内部放電防止層を形成していることを特徴とする。

また本発明は、前記絶縁層として複数の層が形成されており、
前記内部放電防止層は、複数の前記絶縁層のうち異なる絶縁層の間、または、複数の前記絶縁層のうち予め決めた特定の絶縁層の内部に形成されていることを特徴とする。

また本発明は、前記導電性高分子テープは、テープ状の高分子材料の表面に導電性ポリマーをコーティングして形成されていること、
または、前記導電性高分子テープは、テープ状の熱収縮性を持つ高分子材料の表面に導電性ポリマーをコーティングして形成されていることを特徴とする。なお、熱収縮性を持つ高分子材料としては、例えば、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート等がある。

また本発明は、前記導電性高分子テープの表面の絶縁抵抗値を１０¹Ω〜１０⁴Ωとしていることを特徴とする。

なお、導電性高分子材料は、例えばポリエステルのようなフィルム・シート材料（高分子材料）の表面に導電性ポリマーをコーティングした材料であり、コンデンサや有機ＥＬや太陽電池の材料として用いられている。

本発明によれば、導電性高分子材料をテープ状に形成した導電性高分子テープを巻回することにより内部放電防止層を形成するため、機械での巻き付け作業が可能となり、かつ、絶縁材料間を電気的によく結合させることが可能となる。
更に、導電性高分子テープの抵抗値を最適なものとすることで、十分な放電防止効果を奏することができる。

本発明の実施例に係る、発電機の固定子コイルを示す断面図。本発明の実施例における絶縁システムを示す概念図。内部放電防止層における電界負荷低減効果を示す特性図。導電性高分子テープの抵抗値とその時の層間絶縁層の電界負荷を示す特性図。従来技術に係る発電機の固定子コイルを示す断面図。従来技術に係る他の例の発電機の固定子コイルを示す断面図。従来技術に係る発電機の固定子コイルの隙間を示す断面図。従来技術に係る発電機の固定子コイルの電界解析状態を示す特性図。発電機の固定子コイルの絶縁が劣化するフローを示すフロー図。

以下、本発明に係る回転電機のコイルを、実施例に基づき詳細に説明する。

〔実施例〕
図１は、本発明の実施例に係る、発電機の固定子コイル１１０を示す断面図である。同図に示すように、素線１１１の外周面には素線絶縁層１１２が形成されている。素線絶縁層１１２が施された４本の素線１１１により素線束が形成されている。この素線束の外周面（素線絶縁層１１２のうち、素線束の外周面に位置する部分）には層間絶縁層１１３が形成されている。

層間絶縁層１１３が形成された素線束が４本並んだ状態で、素線群が形成される。この素線群の外周面（層間絶縁層１１３のうち、素線群の外周面に位置する部分）には、内部放電防止層１２０が形成されている。

本実施例の内部放電防止層１２０は、導電性高分子テープを巻回して形成したものである。本実施例で使用した導電性高分子テープは、熱収縮性を持ったテープ状のポリエステル（基材）の表面に導電性ポリマーをコーティングしたものであり、その表面の絶縁抵抗値は１０¹Ω〜１０⁴Ωとしている。

内部放電防止層１２０の外周面には、主絶縁層１１４が形成されている。
主絶縁層１１４の外周面には、コロナ防止層１１５が形成されている。コロナ防止層１１５は、低抵抗材料により形成されており、主絶縁層１１４と、固定子コイル１０が取り付けられる鉄心との間でコロナが発生するのを防止するものである。

上記構成となっている固定子コイル１１０の特性や性能を以下に説明する。
本実施例の固定子コイル１１０では、熱収縮性を持ったテープ状のポリエステルの表面に導電性ポリマーをコーティングしてなる導電性高分子テープを巻回して、内部放電防止層１２０を形成している。この内部放電防止層１２０は、層間絶縁層１１３と主絶縁層１１４の間に配置されている。内部放電防止層１２０は低抵抗であるため、層間絶縁層１１３と主絶縁層１１４を電気的に接続し、その結果、層間絶縁層１１３と主絶縁層１１４との間での部分放電を抑制することができる。

このように部分放電を抑制することができるため、絶縁層内での放電を起因として絶縁劣化が進むという絶縁劣化の進行（図９参照）を阻止することができ、発電機の固定子コイル１１０の絶縁信頼性が向上する。

導電性高分子テープを、例えば、層間絶縁層１１３の上に巻きつけると、導電性高分子テープ（内部放電防止層１２０）と層間絶縁層１１３は電気的に接続される。このため層間絶縁層１１３と導電性高分子テープ（内部放電防止層１２０）が一体となった絶縁システムとみなすことができる（図２参照）。
ここで、層間絶縁層１１３の電界を計算すると、図３に示すとおり、導電性高分子テープ（内部放電防止層１２０）を使用することにより、層間絶縁層１１３の電界が７０％以下に軽減される。

図８を参照して説明したように、絶縁層の絶縁境界で電界集中が発生すると、ここで部分放電が発生し、この部分放電により絶縁が浸食されやがて絶縁破壊に至るが、本実施例では、電界を緩和することにより、部分放電の発生を抑制して絶縁信頼性を向上することができる。

本実施例では、層間絶縁層１１３と主絶縁層１１４の間に設けた内部放電防止層１２０を形成する導電性高分子テープは、その基材が、例えばポリエステルのような熱収縮材料である。

図７を参照して前述したように、発電機の固定子コイルの絶縁では、例えば、隣接する素線絶縁層の相互間や、隣接する層間絶縁層の相互間や、素線絶縁層と層間絶縁層との間や、層間絶縁層と主絶縁層との間のような絶縁層間に隙間Ｇができやすい構造となっている。

本実施例では、層間絶縁層１１３と主絶縁層１１４の間に、例えばポリエステルのような熱収縮材料を基材として使用した導電性高分子テープ（内部放電防止層１２０）を設けているため、このような隙間Ｇを埋めることができる。
即ち、発電機の固定子は、一般的に、例えば加熱圧縮や真空加圧含浸といった手法で樹脂モールドすることで、電磁振動などの機械的負荷を軽減する構造となっている。前述の熱収縮材料を使用した導電性高分子テープを使用することで、上記加熱圧縮や真空加圧含浸工程の際の熱により収縮が生じ、隙間Ｇを埋めることができるのである。

このようにして、熱収縮性を持つ導電性高分子テープ（内部放電防止層１２０）を採用することにより、隙間Ｇを埋めることができるため、コロナの発生を防止して、絶縁信頼性を向上することができる。

また導電性高分子テープの基材をポリエステルとすることで、機械による自動巻き時のテンションに耐え得る機械強度を持つことができる。発電機の固定子コイルとなるコイル導体に、テープ状の絶縁材料を自動巻きする際、テープの機械強度が十分に強くないと、自動巻きの最中にテープが切れてしまう。ポリエステルは高分子材料の中でも、例えば引っ張り強度のような機械強度が強く、また延伸性も持つことから自動巻きに適している。

本実施例では、内部放電防止層１２０を形成する導電性高分子テープの表面の絶縁抵抗値を１０¹Ω〜１０⁴Ωとしている。
本実施例では、固定子コイル１１０の層間絶縁層１１３と主絶縁層１１４の間に導電性高分子テープでなる内部放電防止層１２０を設けることで、層間絶縁層１１３への電界負荷を軽減することができる。導電性高分子は、一般的に、通常の高分子材料に対し十分に抵抗値の低い材料のことを言い、具体的には１０¹⁰Ω程度以下の抵抗値を持つ材料のことである。

ここで発電機の固定子では、一般的に、絶縁材料としてマイカを使用する。マイカの抵抗値は、種類にもよるが、一般に１０¹⁰〜１０¹³Ω程度である。したがって仮に、１０¹⁰Ω程度の導電性高分子を用いた場合には、マイカの絶縁抵抗と干渉してしまうため、十分な電界負荷低減効果が得られない。

図４に、導電性高分子テープの抵抗値とその時の層間絶縁層の電界負荷を示す。なお、図４はマイカの絶縁抵抗値を１０¹⁰Ωと仮定した場合の計算値である。
導電性高分子テープの抵抗値が１００ｋΩ以下の場合に、層間絶縁層の電界負荷が７０％程度まで低減される。ただし、導電性高分子テープの抵抗値を１００ｋΩとしたときは、１０ｋΩ以下とした場合に比べ電界負荷低減効果が低くなっている。マイカ絶縁抵抗の材料ごとのばらつきを考えると、１００ｋΩとした場合に、確実に電界負荷低減効果が得られる保証はない。かかる理由により、導電性高分子テープの抵抗値は１０¹〜１０⁴Ω程度とすることが望ましい。

上記のような手法を用いることにより、機械による自動巻きが可能なために作業時間が短縮でき、かつ、放電防止効果を持つために絶縁信頼性が高い発電機の固定子コイルを製作することができる。

〔実施例の変形例〕
上記の実施例では、層間絶縁層の上に導電性高分子テープを巻きつけて、層間絶縁層と主絶縁層との間に内部放電防止層を形成することを提案したが、図６のとおり層間絶縁層のない絶縁構成のコイルに対しては、素線絶縁層と主絶縁層の間に、導電性高分子テープを巻回してなる内部放電防止層を形成するようにしても同様の効果を得られる。

更に、素線絶縁層と層間絶縁層との間や、主絶縁層の内部に、導電性高分子テープを巻回してなる内部放電防止層を形成するようにしても同様の効果を得られる。

なお、導電性高分子テープとしては、テープ状のポリエステルに限らす、テープ状の他の高分子材料の表面に導電性ポリマーをコーティングして形成したものであっても良い。

本発明は、発電機の固定子コイルのみならず、各回転電機のコイルにも適用することができる。

１０，１０Ａ，１１０固定子コイル
１１，１１１素線
１２，１１２素線絶縁層
１３，１１３層間絶縁層
１４，１１４主絶縁層
１５，１１５コロナ防止層
１２０内部放電防止層（導電性高分子テープ）

Claims

内部に素線を含むとともに、前記素線の外周側には絶縁層が形成され、前記絶縁層内に内部放電防止層を形成している回転電機のコイルにおいて、
導電性高分子材料をテープ状に形成した導電性高分子テープを巻回することにより、前記内部放電防止層を形成していることを特徴とする回転電機のコイル。
請求項１において、
前記絶縁層として複数の層が形成されており、
前記内部放電防止層は、複数の前記絶縁層のうち異なる絶縁層の間、または、複数の前記絶縁層のうち予め決めた特定の絶縁層の内部に形成されていることを特徴とする回転電機のコイル。
請求項１または請求項２において、
前記導電性高分子テープは、テープ状の高分子材料の表面に導電性ポリマーをコーティングして形成されていることを特徴とする回転電機のコイル。
請求項１または請求項２において、
前記導電性高分子テープは、テープ状の熱収縮性を持つ高分子材料の表面に導電性ポリマーをコーティングして形成されていることを特徴とする回転電機のコイル。
請求項３または請求項４において、
前記導電性高分子テープの表面の絶縁抵抗値を１０¹Ω〜１０⁴Ωとしていることを特徴とする回転電機のコイル。