JP6028267B2 - 回転電機のコイル - Google Patents

Description

本発明は回転電機のコイルに関し、コイル絶縁層の絶縁材料として独特な材料を採用することにより、特にコイルエンド部の冷却性能を向上するように工夫したものである。

発電機には運転時に数1000Ａ以上の大電流が流れるため、過熱を抑制するために、一般的に空気や水素や水などの冷媒を用いて発電機の冷却を行う。もし冷却を行わない場合には、少なくとも100℃以上の温度上昇が発生し、発電機を構成する樹脂材料が劣化してしまうため、故障の原因となる。このため冷却技術は非常に重要である。

ここで発電機の固定子コイルの従来構造を説明する。
図４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、外層絶縁層１５が形成されている。外層絶縁層１５は、主絶縁層１４を、塵埃・湿気・コイル間電圧などから保護するものである。

固定子コイル１０の主絶縁層１４などの絶縁層は、一般にマイカテープが用いられる。マイカテープは、ガラス繊維や樹脂材料を基材とし、この基材にマイカ粉をまぶして接着材で貼り合わせたテープである。マイカは優れた絶縁特性を有しているため、マイカテープを用いることにより、コイル絶縁材の量を少なくすることができる。

次に、発電機などの回転電機のコイルの従来の冷却手法について、特許文献１,２を参照して説明する。
なお、コイルのうち、鉄心の内部（鉄心に形成されたスロット内）に位置している部分をコイルサイド部と称し、コイルのうち、鉄心の外部（鉄心に形成されたスロット外）に位置している部分をコイルエンド部と称する。

コイルのうちコイルサイド部の冷却性能を向上させることに関しては、特許文献１（特許第５１５９８１２号公報）に示すように、コイルサイド部の絶縁層の材料として、熱伝導性の高い絶縁材料を使用することで冷却性能を向上させている。

一方、コイルのうちコイルエンド部の冷却に関しては、特許文献２（特開２０１２−１００４５８号公報）に示すように、冷媒の流れを制御することで冷却性能を向上させることが一般的である。
コイルエンド部は金属（鉄心）と接触しておらず、さらにコイル絶縁材料間の密着性が悪く空隙が発生しやすいといった課題があるため、コイルエンド部に熱伝導性の高い絶縁材料を使用したとしても、冷却性能をそれほど向上させることができない。このため、コイルエンド部の冷却をするには、冷媒の流れを制御してコイルエンド部が冷媒に効率的に晒されるようにしているのである。

特許第５１５９８１２号公報 特開２０１２−１００４５８号公報

ここでコイルエンド部の冷却性能を向上させることで、鉄心内部の冷却効率を上げることが期待できる。例えば空気冷却の場合、コイルエンド部の冷却性能を向上させることで、より少ない空気流量でコイル温度を低下させることができる。コイルエンド部の流量を少なくできれば、その分、鉄心内部の空気流量を大きくすることができる。このため鉄心内部の冷却効率を向上することができる。

かかる理由により、特に絶縁材料に着目しコイルエンド部での絶縁層の熱伝導率を上げることができれば、コイルエンド部のみならず鉄心内部も含めた回転電機の冷却性能を向上することができる。
しかし、従来では、コイルエンド部の絶縁層の熱伝導率を効率的に向上させる技術は存在していなかった。

本発明は、上記の実情に鑑み、コイルエンド部の絶縁層の熱伝導率を効率的に向上させ、これによりコイルエンド部や鉄心内部も含めた回転電機の冷却性能を向上することができる、回転電機のコイルを提供することを目的とする。

上記の目的を達成する本発明は、
複数の素線の外周側に主絶縁層が配置されている回転電機のコイルにおいて、
前記主絶縁層は、高熱伝導性マイカテープを巻回して構成されており、
前記コイルのコイルエンド部では、前記主絶縁層の外周面に、熱収縮材料でなる第１の外層絶縁層が形成され、
前記コイルのコイルエンド部では、前記第１の外層絶縁層の外周面に、高熱伝導性樹脂材料でなる第２の外層絶縁層が形成されていることを特徴とする。

また本発明は、前記高熱伝導性マイカテープは、マイカテープに高熱伝導性材料を含んでいるテープであることを特徴とする。

また本発明は、前記高熱伝導性マイカテープの熱伝導率は0.4〜1.2Ｗ／ｍＫであることを特徴とする。

また本発明は、前記熱収縮材料は熱収縮性高分子材料テープであることを特徴とする。

また本発明は、前記高熱伝導性樹脂材料は、液晶ポリマーまたは高熱伝導性ポリフェニレンサルファイド、または、樹脂材料に熱伝導性の高い充填材料を混ぜたものであることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機のコイルのうち、特にコイルエンド部の熱伝導性を向上させることができ、コイルエンド部のみならず、コイルサイド部も含めて回転電機の全体の冷却性能を向上することができる。

本発明の実施例に係る発電機の固定子コイルのうちコイルエンド部を示す断面図。 コイルエンド部の熱伝導に関するイメージを示すイメージ図。 コイルエンド部の熱伝導に関するイメージを示すイメージ図であり、（ａ）は高熱伝導絶縁システムの熱伝導のイメージを示し、（ｂ）は従来絶縁システムの熱伝導のイメージを示す。 従来技術に係る発電機の固定子コイルを示す断面図。

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のうちコイルエンド部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、主絶縁層１１４が形成されている。つまり、主絶縁層１１４は、複数の素線１１１の外周側に配置されている。

この主絶縁層１１４は、高熱伝導性マイカテープを巻回して形成されている。高熱伝導性マイカテープは、六方晶窒化ホウ素のような高熱伝導性材料（高熱伝導性フィラー材）を含むマイカテープであり、市販されているものである。
高熱伝導性マイカテープの熱伝導率は、0.6Ｗ／ｍＫ程度であり、従来品のマイカテープに比べて1.5倍程度の熱伝導性を持ち、絶縁システムとしては、従来品に比べて2倍程度に熱伝導率が向上する。

なお高熱伝導性マイカテープとしては、高熱伝導性フィラー材として、酸化アルミニウム、酸化ベリウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、炭化珪素等を採用したものもある。高熱伝導性フィラー材の種類や量に応じて、高熱伝導性マイカテープの熱伝導率は、0.4〜1.2Ｗ／ｍＫになる。
したがって、このような高熱伝導性マイカテープを用いて、主絶縁層１１４を形成してもよい。

固定子コイル１１０のうちコイルエンド部では、主絶縁層１１４の外周面に第１の外層絶縁層１１５が形成されている。第１の外層絶縁層１１５は、熱収縮材料により形成されている。この熱収縮材料としては、熱収縮ポリエステルテープやＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）テープなどの熱収縮性高分子材料テープを使用できる。
発電機の固定子を製造する過程においては、過熱圧縮や真空加圧含浸などの熱処理工程があるため、熱収縮材料により形成されている第１の外層絶縁層１１５は、熱処理工程において熱収縮し、主絶縁層１１４を締め込んでいる。

一般的な値としてマイカテープの線膨張係数を３０×１０^-6ｍ／℃とした場合、固定子コイル１１０が１００℃まで加熱されたとすると、主絶縁層１１４の膨張率は絶縁層１ｍｍに対して１％〜２％となる。これに対して、熱収縮テープの膨張率は３％以上であるため、マイカテープの膨張による密着性の低下・空隙発生を防ぐとともに、初期に発生していたわずかな空隙を埋める効果がある。

なお、第１の外層絶縁層１１５を、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のテープや、ポリオレフィンのテープを巻回して形成することもできる。

固定子コイル１１０のうちコイルエンド部では、第１の外層絶縁層１１５の外周面に、第２の外層絶縁層１１６が形成されている。第２の外層絶縁層１１６は、高熱伝導性樹脂材料により形成されている。
高熱伝導性樹脂材料としては、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）や、高熱伝導性ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などを適用できる。
高熱伝導性ＰＰＳは２８.５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を持つ。これはチタンなど比較的熱伝導性の悪い金属と同等の値であり、一般的な発電機コイルエンド部外層として用いられるポリエチレン（〜0.5Ｗ／ｍ・Ｋ）やガラス繊維（〜1.0Ｗ／ｍ・Ｋ）と比較し大きな値である。

高熱伝導性樹脂材料としては、ポリプロピレンや、ポリカーボネート（ＰＣ）や、ポリアミド（ＰＡ）などの一般的な樹脂材料に、酸化アルミニウムなどの充填材料を混ぜたものでもよい。

上述したように、本実施例では、主絶縁層１１４は、高熱伝導性マイカテープを巻回して形成されているため、熱伝導性が高く、コイルエンド部を効果的に冷却することができる。
また第１の外層絶縁層１１５として熱収縮材料を用いることで、主絶縁層１１４などの絶縁材料を圧縮し、絶縁材料間の密着性を向上させることで熱伝導率の悪化を防ぐことができる。
更に、最外層の第２の外層絶縁層１１６として高熱伝導樹脂材料を用いることで、コイルサイド部と同じく、コイルエンド部においても金属（鉄心）接触と同等の熱伝導性を得ることができる。
かかる絶縁構成により、本実施例では、コイルエンド部の熱伝導率を向上させ、更に、発電機の固定子全体の冷却性能を向上させることができる。

次に、上記実施例における、コイルエンド部の冷却性能を評価する。
図２にコイルエンド部の熱伝導に関するイメージを示す。
図３（ａ）は図１に示すような高熱伝導絶縁システムの熱伝導のイメージを示しており、図３（ｂ）は従来絶縁システムの熱伝導のイメージを示している。

それぞれの絶縁層にフーリエの法則を適用すると、式（１）（２）のとおりである。
高熱伝導絶縁システムの場合
dQ₁=λ₁・dA₁/dx₁（T_air−T_coil）・・・・(1)
従来絶縁システムの場合
dQ₂=λ₂・dA₂/dx₂（T_air−T_coil）・・・・(2)
但し
Q₁：高熱伝導絶縁システムの伝熱量[W]
Q₂：従来絶縁システムの伝熱量[W]
λ₁：高熱伝導絶縁システムの熱伝導率[W/m・K]
λ₂：従来絶縁システムの熱伝導率[W/m・K]
A₁：高熱伝導絶縁システムの面積[m²]
A₂：従来絶縁システムの面積[m²]
x₁：高熱伝導絶縁システムの絶縁厚さ[m]
x₂：従来絶縁システムの絶縁厚さ[m]
T_air：空気の温度[℃]
T_coil：素線の温度[℃]

これを変形すると式（３）（４）のようになる。
式(1)より
dQ₁/ dA₁(dx_1mica/λ_1mica＋dx_pet/λx_pet＋dx_pps/λx_pps)=（T_air−T_coil）・・・・(3)
式(2)より
dQ₂/ dA₂(dx_2mica/λ_2mica＋dx_air/λx_air＋dx_glass/λx_glass)=（T_air−T_coil）・・・・(4)
但し
λ_1mica：高熱伝導絶縁システムのマイカ層熱伝導率[W/m・K]
λ_2mica：従来絶縁システムのマイカ層熱伝導率[W/m・K]
λx_pet：熱収縮材料熱伝導率[W/m・K]
λx_pps：高熱伝導材料（例としてPPS）の熱伝導率[W/m・K]
λx_air：空隙の熱伝導率[W/m・K]
λx_glass：ガラス繊維テープの熱伝導率[W/m・K]
dx_1mica：高熱伝導絶縁システムのマイカ層絶縁厚さ[m]
dx_2mica：従来絶縁システムのマイカ層絶縁厚さ[m]
dx_pet：熱収縮材料絶縁厚さ[m]
dx_pps：高熱伝導材料（例としてPPS）の絶縁厚さ[m]
dx_air：空隙の絶縁厚さ[m]
dx_glass：ガラス繊維テープの絶縁厚さ[m]

それぞれの温度差が同じであると仮定すると、上記発明を用いた場合、1.6倍の熱量を持つ発熱体に対し従来絶縁と同程度の温度まで冷却することが可能となる。
即ち、式(3)(4)についてT_air−T_coilが等しいと仮定すると
dQ₁/ dQ₂≒1.6
となる。
但し
λ_1mica=0.6[W/m・K], λ_2mica=0.4[W/m・K], λx_pet＝0.5[W/m・K] , λx_pps=28.5[W/m・K], λx_air=0.02[W/m・K], λx_glass=1.0[W/m・K], dx_1mica=2[mm], dx_2mica=2[mm], dx_pet=0.1[mm], dx_pps=0.1[mm], dx_air=0.02[mm], dx_glass=0.1[mm]である。

以上のように、本発明の実施例によりコイルエンド部の冷却性能を向上させることが可能となる。

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。

１０,１１０ 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 外層絶縁層
１１５ 第１の外層絶縁層
１１６ 第２の外層絶縁層

Claims (5)

1. 複数の素線の外周側に主絶縁層が配置されている回転電機のコイルにおいて、
   前記主絶縁層は、高熱伝導性マイカテープを巻回して構成されており、
   前記コイルのコイルエンド部では、前記主絶縁層の外周面に、熱収縮材料でなる第１の外層絶縁層が形成され、
   前記コイルのコイルエンド部では、前記第１の外層絶縁層の外周面に、高熱伝導性樹脂材料でなる第２の外層絶縁層が形成されている、
   ことを特徴とする回転電機のコイル。
2. 請求項１において、
   前記高熱伝導性マイカテープは、マイカテープに高熱伝導性材料を含んでいるテープである、
   ことを特徴とする回転電機のコイル。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記高熱伝導性マイカテープの熱伝導率は0.4〜1.2Ｗ／ｍＫである、
   ことを特徴とする回転電機のコイル。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記熱収縮材料は熱収縮性高分子材料テープである、
   ことを特徴とする回転電機のコイル。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
   前記高熱伝導性樹脂材料は、液晶ポリマーまたは高熱伝導性ポリフェニレンサルファイド、または、樹脂材料に熱伝導性の高い充填材料を混ぜたものである、
   ことを特徴とする回転電機のコイル。

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