JP6266435B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は，スロットライナを介して電気絶縁線輪単体をスロット内に収納して含浸レジンを注入，硬化した固定子コイルを用いた回転電機に関する。

鉄道車両用誘導電動機，産業用誘導電動機，発電機などの回転電機には，小型・軽量化が求められており，その対応策の１つとして固定子コイルに適用されている絶縁システムの高耐熱化が挙げられる。また，固定子コイルの稼動時温度は，コイルのエンド部や口出し線部に比べて，周囲が鉄心に囲まれているスロット内部が高くなる。この背景から，選択的にスロット内部の絶縁システムの耐熱性を向上できる技術が望まれている。また，絶縁システムには高生産化，低コスト化の観点から，耐熱クラス１５５以下に適用されるような汎用系含浸レジンを適用した高耐熱化技術（耐熱クラス１８０以上絶縁システム）も望まれている。この絶縁システムは，一例であるが含浸レジン，マイカテープ，スロットライナで構成されている。

特開昭５９−１８５１４７号公報 特開平０６−１０５４９６号公報 特開平０７−２５０４４３号公報 特開平０９−３１６６１７号公報 特開２０１０−１９３６７３号公報

本発明は，可使用時間の長時間化に優れている二官能エポキシ樹脂と酸硬化剤からなる汎用系含浸レジンを用いて，固定子コイルのスロット内部の絶縁システムを高耐熱化し，高温の電気絶縁性に優れた回転電機を提供する。

上記課題を解決するために，例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明には，上記課題を解決する手段を複数含んでいるが，その一例としては，導体周囲にマイカテープを巻回した電気絶縁線輪単体を，スロットライナを介して固定子鉄心スロットに組込んだ固定子コイル単体全体に含浸レジンを注入，硬化した固定子コイルを有す回転電機において，前記スロットライナの高耐熱成分として少なくともエポキシ基を三つ以上有するエポキシ樹脂を有し，前記マイカテープの高耐熱成分として少なくとも脂環式エポキシ樹脂を有し，含浸レジンは二官能エポキシ樹脂と酸硬化剤を有し，前記スロットライナおよびマイカテープの高耐熱成分と含浸レジンが，スロット内でライナ硬化部とマイカ絶縁層部として樹脂組成が異なる状態で一体となることを特徴とする固定子コイルを有す回転電機である。

本発明によれば，可使用時間が長く、且つ安価素材構成の汎用系含浸レジンで，固定子コイルのスロット内の絶縁システムを高耐熱化できる効果がある。さらに電気絶縁性に優れた回転電機を提供できる効果がある。

本発明の固定子コイルの断面正面図および鉄心スロットの断面拡大図である。 本発明の模擬スロット付モデルコイルの外観図および内部の断面拡大図である。 本発明の回転電機である。

回転電機用固定子コイルは，以下で説明する全含浸方式で製作される。
全含浸方式は，絶縁被覆して規定形状に成型した導体周囲にマイカテープを巻回した電気絶縁線輪単体を，スロットライナを介して固定子鉄心スロットに組込み，鉄心外端部で接続した固定子コイル単体とする。この固定子コイル単体に含浸レジンを真空、加圧下で注入した後に熱硬化して固定子コイルとする方式である。

図１に全含浸方式で製作した固定子コイルの断面正面図（a）,鉄心スロットの断面拡大図（b）の一例を示す。固定子コイルは，主に鉄心１，導体および絶縁システムを含むスロット２で構成され，丸で囲った鉄心スロット２の内部は導体３，高耐熱成分を有すマイカテープと含浸レジンからなるマイカ絶縁層部４，高耐熱成分を有すスロットライナと含浸レジンからなるライナ硬化部５，楔６から構成されている。

従来技術には，選択的にスロット内部の絶縁システムの耐熱性を高める技術の開示はないが，回転電機用固定子コイルの耐熱性を向上しようとする従来技術は，特許文献１〜５が挙げられる。特許文献１〜４は，固定子コイルの絶縁システムのうち，含浸レジンの耐熱性を高める方法である。具体的には，含浸レジンの構成素材に三官能エポキシ樹脂を用いて絶縁システムを高耐熱化する構成の開示である。しかし，この三官能エポキシ樹脂を用いた含浸レジンは，可使用時間（ポットライフともいう）が３０〜６０日程度と短くなることが課題と考えられる。

一方，特許文献５は，固定子コイルの絶縁システムのうち，マイカテープのバインダの耐熱性を高める方法である。具体的には，マイカテープのバインダに多官能エポキシ樹脂と２官能酸硬化剤を用いて，含浸レジンのエポキシ樹脂と酸硬化剤を用いる。バインダと含浸レジンエポキシ樹脂と酸硬化剤との当量比を合わせることで硬化反応を均一にして絶縁システムを高耐熱化する構成の開示である。しかし，スロット内においてスロットライナやその周辺近傍を高耐熱化するための思想や構成の記載が無いため，スロットライナ周辺の耐熱性が低くなることが課題と考えられる。
以下，本発明のスロットライナ，マイカテープ，含浸レジン，模擬スロット付モデルコイル，固定子コイル，回転電機を詳細に説明する。
[スロットライナ]
本発明のスロットライナは，プラスチックフィルムが使用でき，耐熱性，機械的特性および電気絶縁性の観点からアラミドフィルムが良い。
[スロットライナの高耐熱樹脂成分]
スロットライナには高耐熱樹脂成分としてエポキシ基を三つ以上有するエポキシ樹脂を含む樹脂組成物を有することが，スロットライナとその周辺近傍，およびスロット内鉄心近傍などに注入されている含浸レジンとの硬化部の耐熱性とスロットライナと鉄心やマイカテープ部との接着性向上によるコイル電気絶縁性を向上できるので好ましい。このような公知のエポキシ基を三つ以上有するエポキシ樹脂としては、トリス（ヒドロキシフェニル）アルカンやテトラキス（ヒドロキシフェニル）アルカンなどが挙げられ、三官能エポキシ樹脂としてはトリス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）エタン型エポキシ樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）プロパン型エポキシ樹脂などが挙げられる。四官能エポキシ樹脂としては、テトラキス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂、テトラキス（ヒドロキシフェニル）エタン型エポキシ樹脂、テトラキス（ヒドロキシフェニル）プロパン型エポキシ樹脂，四官能ポリグリシジルアミン型エポキシ樹脂などが挙げられる。さらに高耐熱樹脂成分には，エポキシ基を三つ以上有するエポキシ樹脂に加えて熱潜在性硬化促進剤を含んでも良い。熱潜在性硬化促進剤としては，熱潜在性を示す金属系アセチルアセトネートやイミダゾールのエポキシアダクト化合物などが好ましく，スロットライナに有する高耐熱樹脂成分や含浸レジンとの硬化反応性の向上，硬化物の耐熱性を向上できる効果がある。また，高耐熱樹脂成分には，電気的，機械的，熱的特性の改善や適正化のために，無機系や有機系の充填剤を含んでも良い。
[マイカテープ]
本発明に適用されるマイカテープは，プラスチックフィルムやガラスクロス，マイカペーパ，バインダから構成されていれば良い。プラスチックフィルムやガラスクロスは，マイカテープの基材であり，耐熱性や電気絶縁性の観点からポリイミドフィルムが，耐熱性や機械的特性の観点からはガラスクロスが良い。マイカペーパは，電気絶縁性の観点から集成マイカが良い。
[マイカテープの高耐熱樹脂成分]
マイカテープには高耐熱樹脂成分として，液状の脂環式エポキシ樹脂を含む樹脂組成物を有することが，マイカテープの導体への巻回作業性が向上でき，さらにマイカテープとその周辺近傍に注入されている含浸レジンとの硬化部の耐熱性を向上できるので好ましい。高耐熱樹脂成分には，脂環式エポキシ樹脂に加えて熱潜在性硬化促進剤や熱顕在性硬化促進剤を含んでも良い。熱潜在性硬化促進剤としては金属系アセチルアセトネートやイミダゾールのエポキシアダクト化合物などが，熱顕在性硬化促進剤としてはイミダゾール類およびその誘導体などが好ましく，マイカテープに有する高耐熱樹脂成分や含浸レジンとの硬化反応性の向上，硬化物の耐熱性を向上できる効果がある。
[含浸レジン]
本発明に適用される含浸レジンは二官能エポキシ樹脂と酸無水物骨格を１つ有する酸硬化剤の構成とすることが好ましく，素材が安価，短時間硬化，可使用時間の長時間化などの効果がある。エポキシ樹脂としては，ビスフェノールA型エポキシ樹脂，ビスフェノールF型エポキシ樹脂などが挙げられる。酸硬化剤としては，化学構造式に酸無水物骨格を一つ有する酸硬化剤であれば良い。このような公知の酸硬化剤としては，3or4−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸，メチル-3,6エンドメチレン−1,2,3,6−テトラヒドロ無水フタル酸などが挙げられる。さらに含浸レジンには硬化促進剤を含んでも良く，含浸レジンの可使用時間の観点から熱潜在性を示す金属系アセチルアセトネートが好ましい。

次に本発明の高耐熱樹脂成分を有するマイカテープとスロットライナと含浸レジンなどの絶縁システムを用いて製作した固定子コイルおよび回転電機の例を，それぞれ実施例で具体的に説明する。
[模擬スロット付モデルコイル]
図２に本発明を適用した模擬スロット付モデルコイルおよび内部の断面拡大図を示す。本発明を適用した模擬スロット付モデルコイルは，導体３の周囲に本発明に適用される高耐熱成分を有するマイカテープと本発明に適用される含浸レジン[一例として，ビスフェノールA型エポキシ樹脂jER828(三菱化学社製)を，メチルヘキサヒドロ無水フタル酸硬化剤HN-5500（日立化成工業社製）を，熱潜在性硬化促進剤としてマンガン[III]アセチルアセトネート（和光純薬社製）またはコバルト[III]アセチルアセトネートで構成としたエポキシ樹脂組成物を用いた]とを硬化してなるマイカ絶縁層部４と，本発明に適用される高耐熱成分を有するスロットライナと本発明に適用される含浸レジンとを硬化してなるライナ硬化部５が一体となる構成である。本発明の模擬スロット付モデルコイルは，本発明に適用される高耐熱成分を有するマイカテープを巻回した導体３を，本発明に適用される高耐熱成分を有するスロットライナを介して，模擬スロット内に収納し，これら全体を本発明に適用される含浸レジンを注入，硬化して製造した。このモデルコイルは模擬スロット１０の長さを300mmとした。
[固定子コイル]
本発明を適用した固定子コイルは，導体の周囲に本発明で適用される高耐熱成分を有するマイカテープと本発明に適用される含浸レジンとを硬化してなるマイカ絶縁層部と，本発明に適用される高耐熱成分を有するスロットライナと本発明に適用される含浸レジンとを硬化してなるライナ硬化部が一体となる構成で製作した。
[回転電機]
上記の如く作製した固定子コイルと回転子を組立てて回転電機を製作した。

本実施例の諸特性は，以下の測定方法および条件で評価した。
（１） 絶縁システムの絶縁硬化物の動的粘弾性による耐熱性評価
本実施例の絶縁硬化物は，図２に示す本発明の模擬スロット付モデルコイルより模擬スロット１０を取り外した後に，本発明に適用される高耐熱成分を有するマイカテープと，本発明に適用される高耐熱成分を有するスロットライナとが含浸レジンを注入，硬化して一体となった硬化部を導体から切断加工して採取した。耐熱性評価の一つの目安としてガラス転移温度（以下Tgと略す）がある。硬化物のTgは高いほど，固定子コイルや回転電機の高温時の電気特性を高く安定にできる。本実施例では，硬化物のTgの指標の一つである動的粘弾性（以下DMAと略す）を用いて損失正接(tanδ)を測定し，tanδのピーク値の温度で評価した。DMAは，レオスペクトラDVE-V4(レオロジ社製)を用いて，引張りモードにより25℃から300℃までを2℃/minで昇温し，スパン間20mm，測定周波数10Hz，変位振幅1μmの条件で力学的損失正接（tanδDMA）を測定した。判定方法はtanδDMAのピーク値の温度が200℃以上の時は，高温域（200℃以上）でのコイルなどの電気絶縁性が向上できるので○，200℃より低い時は×と，表1および表2の[ ]内に表示した。
（２）マイカテープの導体への巻回作業性評価
マイカテープの巻回作業性は25℃の大気中に90日間保管（放置）したマイカテープを用いて、マイカテープの導体への巻回作業に対する支障の有無で判定した。巻回作業が良好な場合は○、不適な場合は×と，表1および表2の[ ]内に表示した。
（３）含浸レジンの可使用時間評価
含浸レジンの可使用時間は，含浸レジンの25℃における粘度を初期粘度の２倍になる日数と定義して評価した。粘度はB型回転粘度計（東京計器社製）で測定した。
（４）模擬スロット付モデルコイルおよび固定子コイルの電気絶縁性試験（tanδ）
200℃に保持した恒温槽内に電気絶縁線輪、固定子コイルを静置して、定格電圧1kV を印加したときのtanδを測定した。200℃におけるtanδが15％以下の時は電気絶縁性が優れ，高温稼動に問題がない。したがって，判定方法はtanδが15％以下の場合は○、15％を超える場合は×と，表1および表2の[ ]内に表示した。

以下、本発明を，実施例を用いて説明する。

〔実施例１〜６，比較例１〜４〕
本実施例１〜６は，マイカテープの巻回作業性，絶縁硬化物のTg，含浸レジンの可使用時間，模擬スロット付モデルコイルの電気絶縁性を評価した例を説明する。

本実施例1〜６のスロットライナは，アラミドフィルムNOMEX（Ｒ）（デュポン社製[厚0.13mm]）に高耐熱樹脂成分として表１に示した1,1,2,2-テトラキス（ヒドロキシフェニル）エタン型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製，製品名jER1031S），トリス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、製品名jER1032H60），四官能ポリグリシジルアミン型エポキシ樹脂（新日鉄住金化学社製，製品名YH-434），マンガン[III]アセチルアセトネートを有するものである。

次に，本実施例1〜６のマイカテープは，基材のポリイミドフィルム[厚0.13mm×幅25mm]とマイカペーパを，高耐熱樹脂成分として表１に示した（3’,4’ーエポキシシクロヘキサン）メチル3,4ーエポキシシクロヘキサンカルボキシレート（ダイセル化学工業社製、製品名CEL2021P），マンガン[III]アセチルアセトネート，エポキシアダクトイミダゾール(ジャパンエポキシレジン製、商品名P200)，２−エチル−４−メチルイミダゾール（四国化成社製，2E4MZ）を有すバインダで貼り合わせたものである。

本実施例１〜６の含浸レジンは，ビスフェノールA型エポキシ樹脂jER828とメチルヘキサヒドロ無水フタル酸硬化剤HN-5500を100重量部，マンガン[III]アセチルアセトネートまたはコバルト[III]アセチルアセトネートを1重量部とし，組成を表１に示した。

比較例１〜４を表２に示す。比較例１は実施例１のスロットライナとマイカテープの高耐熱樹脂成分を同一とし，含浸レジンのエポキシ樹脂をトリス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂に変更した構成である。比較例２は実施例２のスロットライナの高耐熱樹脂成分を未使用とした構成である。比較例３は実施例１のマイカテープの高耐熱樹脂成分のエポキシ樹脂をトリス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂に変更した構成である。比較例４は実施例２のスロットライナの高耐熱樹脂成分のエポキシ樹脂を（3’,4’ーエポキシシクロヘキサン）メチル3,4ーエポキシシクロヘキサンカルボキシレートに変更した構成である。

実施例１〜６は，マイカテープの巻回作業性，絶縁硬化物のTg，含浸レジンのポット，可使用時間，模擬スロット付モデルコイルの特性判定値を全て満足した。一方，比較例１は含浸レジンの可使用時間が，比較例２は絶縁硬化物のTgとモデルコイルの電気絶縁性が，比較例３はマイカテープの巻回作業性とモデルコイルの電気絶縁性が，比較例４は絶縁硬化物のTgモデルコイルの電気絶縁性が特性判定値を満足しなかった。

以上，本実施例は，二官能エポキシ樹脂と酸硬化剤を使用した汎用系含浸レジンを使用したが，スロットライナおよびマイカテープにそれぞれ異なる高耐熱樹脂成分を有す絶縁システム材料であったため，マイカテープの巻回作業性，含浸レジンの長可使用時間，スロット内部の絶縁システム材料（硬化物）の耐熱性，および模擬スロット付モデルコイルの電気絶縁性を向上する効果があった。

〔実施例７〕
本発明の絶縁硬化物を得る構成で製作した固定子コイルを，本発明の回転電機に適用した例について説明する。

実施例７の回転電機は、実施例２の絶縁システム材料の構成で固定子コイルを製作し、図３に示すように、固定子コイル７と回転子コイル８等を組立てて結線して回転電機９を作製した。

以上、本実施例７では，２官能エポキシ樹脂と酸硬化剤を使用した汎用系含浸レジンを使用したが，スロットライナおよびマイカテープにそれぞれ異なる高耐熱樹脂成分を有す絶縁システム材料であったため，高温（200℃）における電気絶縁性が優れている回転電機を得られる効果があった。

１…鉄心，２…スロット，３…導体，４…マイカ絶縁層部，５…ライナ硬化部，６…楔，７…固定子コイル，８…回転子コイル，９…回転電機，１０…模擬スロット

Claims (6)

1. 導体の周囲にマイカテープを巻回した電気絶縁線輪を、スロットライナを介して固定子コイルに組み込んだ回転電機において、
   前記スロットライナと前記マイカテープは含浸レジンを用いて硬化処理されており、
   前記スロットライナと前記含浸レジンで構成するライナ硬化部は、エポキシ基を三つ以上有するエポキシ樹脂と、二官能エポキシ樹脂と、酸無水物骨格を一つ有する酸硬化剤を有し、
   前記マイカテープと前記含浸レジンで構成するマイカ硬化部は、脂環式エポキシ樹脂と、と、二官能エポキシ樹脂と、酸無水物骨格を一つ有する酸硬化剤を有することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ライナ硬化部と前記マイカ硬化部とがスロット内で一体化していることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   硬化処理前の前記スロットライナは、エポキシ基が三つ以上有するエポキシ樹脂と、硬化促進剤を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機において、
   硬化処理前の前記マイカテープは、脂環式エポキシ樹脂と、硬化促進剤を有することを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、
   硬化処理前の前記含浸レジンは、熱潜在性硬化促進剤を有することを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記熱潜在性硬化促進剤は、マンガン[III]アセチルアセトネートまたはコバルト[III]アセチルアセトネートであることを特徴とする回転電機。