JP6186235B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は電動機、発電機、誘導機などの回転電機に関するものであり、特に、高周波成分を有する電圧で駆動され、固定子コイルと固定子鉄心間に半導電性材料を介在させた回転電機を対象とする。

省エネの観点から、近年、インバータ等半導体スイッチング素子を用いた駆動回路により回転電機を複雑に制御することが多くなってきている。しかし、半導電性スイッチング素子を用いると素子のスイッチング時に急峻なサージ電圧が発生することが知られている。半導体スイッチング素子の開発に伴い、半導体スイッチング素子から発生するサージ電圧は高電圧化，急峻化する傾向にある。

定格電圧が数キロボルト級の高圧回転電機は、バー状の素線を複数本纏めて素固めし、素線束表層にマイカを主とする絶縁層、およびの半導電性の低抵抗コロナシールド層を順に巻回した型巻絶縁コイルが、半導電層を塗布した絶縁紙（スロットライナを含む）で袋巻状に包まれて、固定子鉄心のスロット内に配置される構成が主となっている。コイル脱落防止のため、スロット開口部はウェッジ絶縁性の楔等で封止されている。

高圧回転電機では、固定子コイルと対地間における絶縁を主絶縁層が担っており、固定子コイル表面から固定子鉄心にかけて同電位となるように、固定子コイル表層には半導電性材料が施され、さらに半導電層を塗布した絶縁紙を介在させて、固定子コイルから固定子鉄心間を嵌着している。たとえば、特許文献１では、固定子コイル表層の半導電性材料の一部分に接地電位層を設け、同電位構造に対する信頼性を向上させている。

特開２００５−３４１７０６号公報

回転電機には、一般的に電源から印加される高周波成分を有する駆動電圧に、高周波電源、ケーブル、及び回転電機の特性インピーダンスの違いに伴い発生する高周波サージ電圧が重畳した電圧が入力される。その結果、回転電機には駆動電圧よりも高い入力電圧（最大で駆動電圧の２倍）が印加される。

従来の回転電機は、高周波の駆動電圧が比較的小さいため、サージ電圧が重畳された場合であっても、入力電圧は低く抑えられていた。また、入力電圧の立上り及び立下り時の過渡時間も比較的緩やかであったため、型巻絶縁コイルに施された半導電性の低抵抗コロナシールド層や(半導電層を塗布した)絶縁紙の電気的接触の不均一性による部分接触箇所での局所的な充電電流密度は低く抑えられ、低抵抗コロナシールド層や絶縁紙を熱劣化させる問題は生じなかった。

ところが、近年、高周波電源用のスイッチング素子の高耐圧化及び高速化に基づく回転電機の高電圧化、更には低損失化が進められるようになり、サージ電圧が重畳された高周波の過大な入力電圧が、回転電機に印加されるようになった結果、従来の回転電機に比べて絶縁協調の重要性が増すと共に、短時間での急激な電圧変化により、低抵抗コロナシールド層と(半導電層を塗布した)絶縁紙との部分接触箇所において、局所的に充電電流密度が増加し加熱され、低抵抗コロナシールド層や絶縁紙の熱劣化し、さらには焼損発生が懸念されるようになった。

高圧型の回転電機では半導電性の低抵抗コロナシールド層、および(半導電層を塗布した)絶縁紙を経由して、固定子コイルから固定子鉄心間に充電電流を流す構造である。これらの半導電性材料において、過度の電流集中によって局所的なジュール損による劣化を発生させないように、均一で良好な接触状態を形成させる必要がある。

その一方で、コイルとコア（スロット）の熱膨張の差によってこれらに付随する要素に対し熱応力が生じる。たとえば、コイル側に接着した絶縁紙とコア（スロット）側に接着した絶縁紙が存在し、その両者が接着されている場合に応力が生じ、一定以上の応力が掛かると剥離を生じてしまう。剥離を防止するには、絶縁紙間に適切なすべりを設ける必要がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、高耐圧化及び高速化するスイッチング素子を用いた電源から印加される駆動電圧に、サージ電圧が重畳した高周波・高電圧が回転電機に入力される場合であっても、簡単な手段によって固定子鉄心のスロットの開口面(ウエッジ下面)、およびスロットの底面に介在する低抵抗コロナシールド層や(半導電層を塗布した)絶縁紙の劣化、焼損を防止することにある。と同時に、コイルとコア（スロット）の熱膨張の差により生じる応力によって剥離などを生じない回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、高周波成分を有する電圧で運転され、主絶縁層の表面に低抵抗コロナシールド層を形成した固定子コイルを、固定子鉄心に形成したスロット内に絶縁紙を介して装着した回転電機において、２枚の絶縁紙を重ねて巻き、絶縁紙表面の一部もしくは全面に半導電層を設けたものである。

上記のように構成することで、漏れ電流の集中による熱劣化および焼損を防止しつつ、コイルとコア（スロット）の熱膨張差に起因した応力に対する剥がれを低減することが可能となる。

本発明によれば、高耐圧化及び高速化するスイッチング素子を用いた電源から印加される駆動電圧に、サージ電圧が重畳した高周波・高電圧が回転電機に入力される場合であっても、簡単な手段によって(半導電層を塗布した)絶縁紙と低抵抗コロナシールド層間の劣化を防止し得る回転電機を得ることができる。

高周波成分を有する電圧で運転される回転電機の固定子を示す全体斜視図である。 本発明の回転電機の第１の実施の形態を示す固定子コイルの縦断面図である。 本発明の回転電機の第２の実施の形態を示す固定子コイルの縦断面図である。 本発明の回転電機の第３の実施の形態を示す固定子コイルの概略縦断面図である。 本発明の回転電機の第４の実施の形態を示す固定子コイルの概略縦断面図である。

図１は回転電機の固定子４１を示す全体斜視図であり、全実施例において共通している。尚、以降の全ての図において同一符号は、同一構成部材を示す。

回転子は、通常、回転軸に支持された固定子鉄心４２と、この回転子鉄心に装着された回転子巻線とで構成される。固定子鉄心４２は複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成され、この固定子鉄心４２の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成されたスロット４と、これら複数のスロット４内に装着された固定子コイル１と、前記固定子鉄心４２の外径側を支持する固定子枠８と、この固定子枠８の軸方向両端部に固定される図示しない端板と、この端板に前記回転軸を支える図示しない軸受とから概略構成される。

以下、本発明による回転電機の第１の実施の形態である図２について説明する。

前記固定子コイル１は、コイル導体１１と、このコイル導体１１の表面に形成された主絶縁層２から成り、また、固定子コイル１は、前記固定子鉄心４２のスロット４内に装着される直線部７Ａと、スロット４外に張出したコイルエンド部１２とから構成されている。
前記スロット４内に固定子コイル１の直線部７Ａを装着する際、上下方向に隣接する固定子コイル１間に絶縁材１１を介在し、更に、上下方向に隣接した固定子コイル１を一纏めにして(半導電層を塗布した)絶縁紙３で覆った状態で装着し、スロット４の開口側に楔１３を嵌着して固定子コイル１をスロット４内に強固に支持している。固定子コイル１のスロット４内に装着される直線部７Ａの主絶縁層２の外周には、固定子鉄心４２と固定子コイル１間を略同電位としてスロット４内部での放電を防止するために、半導電性の低抵抗コロナシールド層１４が被覆され、低抵抗コロナシールド層１４と同等以下の抵抗を有する半導電性の(半導電層を塗布した)絶縁紙３、および固定子鉄心４２と電気的に接触させている。また、固定子コイル１のコイルエンド部１２においては、低抵抗コロナシールド層（図示しない）のスロット４外に張出した端部での電界集中によって沿面放電が発生し、これによって低抵抗コロナシールドや主絶縁層２を劣化させる虞があるので、低抵抗コロナシールド層の端部を覆って、固定子鉄心４２から離れる方向に高抵抗コロナシールド層(図示しない)を被覆する場合もある。

このように構成された固定子コイル１が図示しない高周波電源に接続されて、電動機が駆動されるものである。上述のように固定子コイル１を構成することで、スロット４内においては、主絶縁層２と低抵抗コロナシールド層１４及び(半導電層を塗布した)絶縁紙３が、各々ほぼ全域に亘って密着して装着されている。従来の回転電機は、高周波の駆動電圧が比較的小さいため、サージ電圧が重畳された場合であっても、入力電圧は低く抑えられていた。また、入力電圧の立上り及び立下り時の過渡時間も比較的緩やかであったため、固定子コイル１の半導電性の低抵抗コロナシールド層１４と半導電層を塗布した絶縁紙３との部分接触箇所での局所的な充電電流密度は低く抑えられ、低抵抗コロナシールド層１４や半導電層を塗布した絶縁紙３を劣化、焼損させる問題は生じなかった。

ところが、近年、高周波電源用のスイッチング素子の高耐圧化及び高速化に基づく回転電機の高電圧化、更には低損失化が進められるようになり、サージ電圧が重畳された高周波の過大な入力電圧が、回転電機に印加されるようになった結果、従来の回転電機に比べて絶縁協調の重要性が増すと共に、短時間での急激な電圧変化により、低抵抗コロナシールド層１４や(半導電層を塗布した)絶縁紙３の部分接触箇所において、局所的に充電電流密度が増加し、低抵抗コロナシールド層１４や絶縁紙３の劣化、焼損が懸念されるようになった。
高圧型の回転電機の固定子鉄心４２の幅方向面に関しては、固定子鉄心４２が抜き打ち打ち抜き金型を用いて製作されているため寸法精度が高く、固定子コイル１と固定子鉄心４２間は略均一な接触状態を実現でき、且つ、固定子鉄心４２が電磁薄鋼板等が積層された金属材料であるために、半導電性材料のジュール損に対する熱拡散性が高く、焼損防止に対する信頼性も高い。一方、スロット４の開口面、およびスロット４の底面に関しては、固定子コイル１は楔１３による固定子コイル１の押付固定によって拘束されるため、上記幅方向面に比べて半導電性材料同士の接触状態に不均一性が生じて部分接触となり易いこと、さらにスロット４の開口面は楔１３が絶縁物であるため、固定子コイル１の半導電性層で生じたジュール損に対する熱拡散性が幅方向面に比べて低下し、焼損に陥りやすい傾向にあることがわかってきた。

そこで、本実施形態１では図２に示すように前記2枚の絶縁紙３を重ねて巻き、絶縁紙３の端部はウエッジ側とし異なる絶縁紙３をウエッジ側で交互に重ねる。図２では、２枚の絶縁紙３の両面に半導電層を用いない例を示しているが、以下の実施例に示すように、用途に応じて任意の表面に半導電層を塗布する。ウエッジ下面で２枚の異なる絶縁紙３を交互に重ねているため、ウエッジ下面における異なる２枚の絶縁紙３の接触する面積はスロット断面積のおよそ３倍となる。これに対し、１枚の絶縁紙３を巻いた後に、もう１枚の別の絶縁紙３を巻く構造が存在するが、その場合はウエッジ下面での異なる２枚の絶縁紙３の接触面積はスロット断面積の１倍である。

異なる２枚の絶縁紙間のウエッジ下面での接触面積が増加すれば、点接触部に集中する電流も低減することが可能となる。これにより、絶縁紙間での漏れ電流集中による熱劣化をある程度低減することが可能である。本構造では絶縁紙間を接着していないため、コイルとコアの熱伸びに対して裕度が大きい。

本項では、図２を用いて第３の実施形態について述べる。本実施の形態では、図３に示すように上記2枚の異なる絶縁紙３を重ねて巻き、固定子コイル１側の絶縁紙３Ａのコイル対向面とコア（スロット）側絶縁紙３Ｂのコア対向面に半導電層とする。半導電層同士は接着することが可能であり、これによって、主絶縁２表面からコア（スロット４）にかけて連続した漏れ電流路を形成することが可能となる。絶縁紙３の端部はウエッジ側とし異なる絶縁紙３をウエッジ側で交互に重ねる。これによってもっとも熱劣化し易いスロット４の開口面（ウエッジ側）で、異なる絶縁紙３間を接着し、その点接触をほとんど無くすことが可能となる。これにより、実施例１と比べ、当該部位での電気的抵抗をまんべんなく劇的に低減することが可能となり、局所的な漏れ電流集中による劣化を防止することが可能となる。

また、向かい合う2枚の絶縁紙３の対向面は半導電接着層としないことでコイル側に接着した絶縁紙３Ａとコア（スロット４）側に接着した絶縁紙３Ｂの熱応力特性を向上させることが可能となる。これはコイルとコア（スロット４）の熱膨張係数が異なるため、両者それぞれに接着した絶縁紙同士の間にも熱応力を生じるが、両絶縁紙３の接着面をウエッジ側のみとして他の部分で滑りをもたせて絶縁紙３間の剥がれを防止している。

以上により、熱応力および耐焼損に優れた絶縁システムを有する回転電機を提供することが可能となる。

本項では、図４を用いて第３の実施形態について述べる。本実施の形態では、図３に示すように上記2枚の絶縁紙３を重ねて巻き２枚の絶縁層の両面を半導電層としている。

半導電層同士は接着することが可能であり、絶縁紙３間の接触性を向上し漏れ電流の集中防止することが可能である。つまり、本構造においては主絶縁２の表面からコアに掛けて連続した漏れ電流路を形成することが可能となる。これにより、実施例１に比べ焼損は極めて生じにくくなる。

ここで、固定子コイル１側に接着した絶縁紙３Ａとコア（スロット４）側に接着した絶縁紙３Ｂの間に熱応力が生じる。これは、固定子コイル１とコア（スロット４）の熱膨張係数に起因するものである。本構造においては、全面的に接着しているため絶縁紙３間に掛かる応力にすべりが存在しない。つまり、絶縁紙３間の応力が弱く、電圧峻度が高い場合に適している。言い換えると、温度変化があまり大きくなく、かつ、電圧立ち上がり峻度が大きな運転環境に向いている。

本項では、図５を用いて第２の実施形態について述べる。半導電層の構成は
、実施例３と同様としている。本実施例では、固定子コイル１側の絶縁紙３Ａのウエッジ下面に曲げ３９を設けている。これにより、２枚の絶縁紙３に熱応力が掛かった場合に、この曲げ部が伸縮することによって熱応力を吸収し剥離が生じにくくなる。

以上の各説明は、回転電機として電動機を一例に説明したが、電動機に限らずタービン発電機やガスタービン発電機などの発電機にも適用できるのは勿論である。

１…固定子コイル、２…主絶縁(層)、３…(半導電層を塗布した)絶縁紙、３９…曲げ、４…スロット、４１…固定子、４２…固定子鉄心、７Ａ…直線部、８…固定子枠、１１…コイル導体、１２…コイルエンド部、１３…楔、１４…低抵抗コロナシールド層、１５…高抵抗コロナシールド層、１６、１６ａ、１６ｂ、１７、１７ａ、１７ｂ、１８、１８ａ、１８ｂ…充電電流抑止層、１９…保護シート、２０…絶縁基材。

Claims (5)

1. コイル、スロットコア、主絶縁層、半導電層を塗布した絶縁紙2枚で構成される回転電機において、上記コイル表面に主絶縁を設け、主絶縁表面において半導電層を塗布した2枚の絶縁紙を重ねて巻き、２枚の絶縁紙の一部に非接着領域を設け、コイル側の絶縁紙のコイル対向面とスロットコア側絶縁紙のコア対向面に半導電層を設けた回転電機。
2. コイル、スロットコア、主絶縁層、絶縁紙2枚で構成される回転電機において、上記２枚の絶縁紙を重ねて巻き、２枚の絶縁紙の全面に半導電層を塗布せずに、全面非接着とし、コイル側の絶縁紙のコイル対向面とスロットコア側絶縁紙のコア対向面に半導電層を設けた回転電機。
3. コイル、スロットコア、主絶縁層、半導電層を塗布した絶縁紙２枚で構成される回転電機において、上記２枚の絶縁紙を重ねて巻き、絶縁紙の両面に半導電層を設け、コイル側の絶縁紙のコイル対向面とスロットコア側絶縁紙のコア対向面に半導電層を設けた回転電機。
4. 前記請求項１〜３の回転電機において、絶縁紙の端部はウエッジ側とし異なる絶縁紙をウエッジ側で交互に重ねた回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機において、絶縁紙に曲げを持たせることで絶縁紙間の応力を緩和することを可能とした回転電機。