JP6581390B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子または回転子を有する回転電機に関するものである。

世界人口の増加や新興国における急激な産業の発展などから、全世界におけるエネルギー需要は今後も増加していくことは明白である。2035年の世界のエネルギー消費量は2010年と比べておよそ1.5倍に増加すると予想されている。

そのような背景の中、近年、石油や天然ガスの高効率回収手法が注目されており、その有力な手法の一つであるCO₂圧入攻法により回収率が2倍に向上できると期待されている。

これは、地下にある油やウエットガス層に水や気体を圧入するもので、長く操業を続けた枯渇井戸田でも、地下に残っている原油を取り出しやすくなる。枯渇井戸田で採掘するには上記環境で稼働可能なポンプや圧縮機が必要となってくる。

深さ1000m以上の枯渇井戸田で稼働する回転電機に求められる事項として、定格電圧1kV以上の高絶縁性、環境温度170℃以上の耐熱性能、地中深くで生じる振動やモータの高速回転に耐えうる耐応力性能が必要不可欠である。

このような深さ1000m以上の枯渇井戸田を対象とした圧縮機用のモータは商用として製品化されていないのが実情である。もしくは、3年程度で入れ替えるような短期で交換しなければならない状況である。

ここで、回転電機の絶縁部に言及したものとして、例えば特許文献１や２に記載のものがある。両特許文献は宇宙航空などを対象として絶縁部に無機物を適用したモータに関するものである。特に、特許文献１は無機絶縁コイルを巻回した巻線をステータコアのスロットに挿入し、無機含浸剤を含浸してセラミック層を形成し、フッ素樹脂を含浸した回転電機のステータコイルの絶縁方法に関するものである。

特開平2-261038号公報 特開平4-251548号公報

しかし、上記公知例の手法では絶縁物を焼き固める焼成時において有機成分が全て揮発し、最終的には絶縁部を無機物のみで構成することになる。航空宇宙などの適用下では、モータに高速回転が求められずまた振動などもないため本構成が適していると考えられるが、このシステムを例えば枯渇井戸田向けのモータにそのまま用いるには機械的特性の面において改良の余地もある。

具体的には、（無機物はポーラスな構造となっているため）コイルとコアの間の絶縁を無機物のみで構成すると、クラックや剥離などが生じやすくなる。そのため、コイルとスロットコアの位置決めができなくなり性能が低下する。

本発明は耐高電圧、耐高耐熱、耐応力性などを向上させる回転電機を提供することを目的とするものである。

巻線コイルと、巻線コイルが収納されるスロットコアと巻線コイルの周囲に配置されて主として無機材料で形成される第１の絶縁物と、その無機絶縁物とスロットコアの間に配置されて主として有機材料で形成される第２の絶縁物とを備える固定子又は回転子を含む回転電機を提供することで上述の課題を解決可能となる。

本発明によれば、耐高電圧、耐高耐熱、耐応力性などを向上させる回転電機を提供することが可能である。

第一実施形態に回転電機の固定子もしくは回転子を示している。 第二実施形態に係る電力変換器のユニット断面図を示している。 第三実施形態に係る電力変換器のユニット断面図を示している。

以下、本発明を実施するための形態（以下、適宜「本実施形態」と言う。）に係る回転電機の固定子（または回転子でも適用可能である）の一具体例を、図面を参照しながら詳細に説明するが、本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。以下に示す実施例によれば、モータの温度分布を考慮することによって、有機物と、（一般に有機物より高温に耐久可能である）無機物とを併用することで、耐高電圧、耐高耐熱、耐応力性を両立することを図るものである。こうした回転電機は、枯渇井戸田等に好適な過酷環境対応モータとして利用が可能である。また、より具体的な適用の仕方として、例えば、定格3kVでの駆動と、環境温度170℃以上で動作を両立するために絶縁システムの大部分に無機物を適用しながら、機械的特性を標準モータと同等並みとすることも考えられる。この様な条件下でも20年以上の絶縁寿命を確保することが期待できる。また、標準的な有機絶縁モータと同等の耐応力特性を有することも期待できる。これによって、1000mより深い枯渇井戸田での適用も期待できる。

図１は、実施形態に係る回転電機の固定子を表す図である。図１に示すように、主に導線1，複数種の無機絶縁21および22，有機絶縁5、スロットコア9などで構成される。回転電機は、回転子とこれに対向する固定子とを有し、回転子が固定子に対して回転する。図１に記載の内容は、このうち固定子に適用する例をここでは示しているが、回転子に適用することも可能である。

同固定子では、導線1部分に高電圧が印加されるためスロットコア9と電気的に絶縁する必要がある。一般的な回転電機においては、その絶縁物としてエポキシ樹脂や不飽和ポリエステルなどが適用されるが、それらの有機物の使用限界温度はおおよそ240℃以下である。ただし、電気絶縁性に優れ定格電圧を数10kVまで設定することが可能である。

一方、航空宇宙など環境温度が240℃を超えるような特殊用途では、上記の有機絶縁物は著しく劣化、変質、焼失してしまうため無機絶縁が用いられるが、一般的に無機物はポーラス構造であるためボイドなどが発生し易く、1kV以上の高電圧下では部分放電により電気的に劣化する。これに対し本特許は、高耐熱と耐高電圧の両立を図るものである。

まず、本実施形態の導体1については、例えば高温下での酸化を防ぐためにNiメッキした銅線やNi線そのものを適用するが、高温下での防食を防ぐものであれば任意の金属とすることができる。

本実施例の絶縁構成において、導体1の周りにボイドが生じない様、緻密な無機絶縁物21を用いることで導体近傍の高電界部に生じる部分放電を防止する。そのため、無機絶縁物には緻密な無機絶縁層を形成するプロセスが必要となる。

具体的には、無機絶縁物21には(ファイン)セラミック、ガラス、セメント、マイカ、アルミナ、マグネシアなどを用いる。これらを単体で用いても良く、また複合的に用いて任意の組合せとしても良い。

例えば、セラミックの場合は、BaO-Al2O3-SiO2-Bi2O3などの材料系として数ミクロンのグリーンシートを幾層にも積み重ねることによって緻密なボイドの無い無機絶縁層を形成することができる。

その他にも、テープ成形方式、射出成形方式、押出成形方式などセラミックを緻密化可能な製造方式であれば、任意の方式を適用することが出来る。

上記、導体表面の無機絶縁物(1)21の厚みが厚くなるほど緻密な領域が増えるためその分、製造コストと製造時間を要してしまう。厚みは任意であるが、例えば定格3kVの場合には0.1〜3mm程度、定格6kVの場合には0.2〜6mm程度とすることが望ましい。無機絶縁(2)22の構成との兼ね合いにより決まる。

無機絶縁(1)21とスロットコアの間に構成される無機絶縁(2)22に関しては、無機絶縁(1)21と同等の材質としても良いし、別の材質としても良い。製造コストとプロセス時間の観点で考えれば、本部位の緻密性は無機絶縁(1)21よりも同等かそれ以下が適している。

上記の理由として、無機絶縁(1)21において前述した厚みを確保しその領域で緻密性を高めボイドをなくすことが出来れば、部分放電が生じるのは無機絶縁(1)21であるため、絶縁システム全体の劣化を防止、もしくは劣化を遅らせることが可能となる。つまり、無機絶縁(1)21で放電を防止するので、無機絶縁(2)22はそれより耐部分放電特性が劣る材料を用いてもよい。

無機絶縁(2)22に使う材料は、耐熱性の高い無機絶縁物であれば任意とすることが出来るが、例としては(ファイン)セラミック、ガラス、セメント、マイカ、アルミナ、マグネシアなどを用いる。

無機絶縁(2)22とスロットコアの間の有機絶縁5に用いる材料も任意であるが、例としてエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ポリイミドなどが挙げられる。有機物である理由は、接着性に優れるためである。

特にポリイミドは最も耐熱性が高い有機材のひとつであり、材料組成によっては250〜300℃まで適用することが出来る。シリカとポリイミドの混合物なども好適である。マイカなどを含有すると部分放電耐性が向上しなお良い。

本実施例は、固定子スロットコアの表面に接着性に優れる有機物を用い、コイル表面に緻密な無機物を適用した複合絶縁系とした構成例を示しているが、上記に限らず、例えば回転子、変換機の高温絶縁などにも適用可能である。

スロットコア表面の有機絶縁5については熱伝導性の高いものを適用することが好ましい。絶縁システム全体の熱劣化を遅らせることが出来るためである。

たとえば、通常の高圧回転機に用いられるエポキシ樹脂の熱伝導率が0.2W/mK程度であり、このとき環境温度が170℃であれば、モータ内部の各種発熱等により有機絶縁物の温度は275℃を越え劣化しやすくなる。

仮に有機絶縁物の熱伝導率を0.6W/mK以上に向上すると、有機絶縁物の温度は245℃以下となり、有機絶縁物5が変質せずに劣化しにくくなる。熱伝導率の向上に伴い、材料の製造プロセス、成形プロセス、製造コストなどが高くなるので、0. 6W/mK程度が好適であると考えられるが、0.6W/mK以上であれば任意とする。

第2の実施形態を図2に示す。本形態では、第１実施形態における無機絶縁(1)21と無機絶縁(2)22において、同一の無機絶縁物を用いている。先述したように、無機絶縁物21においてより緻密とするのが好ましいが、短い絶縁寿命でリプレース交換する方式などにおいては、本実施形態とすることが可能である。

第3の実施形態を図3に示す。本形態では、導線1の表面のみに無機絶縁層21を適用し、その無機絶縁層21とスロットコアとの間をすべて有機物5とした場合について示している。これにより、無機絶縁(2)22が不要となる。有機物5 の熱伝導率が2W/mK以上であるならば、本実施形態においても有機物部位5での温度上昇が245℃以下に抑制することができる。2.0W/mKで成形性を有するエポキシ樹脂はプロセスが煩雑となるが、総合的なプロセスを考慮して本形態を採用するケースもある。

Claims (9)

1. 導線が巻き回されて形成された巻線コイルと、前記巻線コイルが収納されるスロットコアと、前記巻線コイルの周囲に配置されて主として無機材料で形成される第１の絶縁物と、前記第１の絶縁物と前記スロットコアの間に配置されて主として有機材料で形成される第２の絶縁物とで構成される固定子又は回転子を備えた回転電機において、
   前記第１の絶縁物は、前記導線の表面を被覆する第１の無機絶縁物と、前記導線と巻き回れた前記導線との間を充塞し前記巻線コイルと前記第１の無機絶縁物とを内に包含する第２の無機絶縁物とを有し、
   第１の無機絶縁物は、前記第２の無機絶縁物よりも緻密性が高く、
   前記スロットコアと前記第２の無機絶縁物との間に、前記第２の絶縁物を配置したことを特徴とする回転電機。
   
2. 請求項１において、
   前記第１の無機絶縁物及び前記第２の無機絶縁物は、セラミック、ガラス、セメント、マイカ、アルミナ、マグネシアのいずれかまたはいずれかの組合せにより形成されたことを特徴とする回転電機。
   
3. 請求項２において、
   前記第１の無機絶縁物の厚みは、０．１ｍｍ以上かつ６ｍｍ以下とされたことを特徴とする回転電機。
   
4. 請求項１において、
   前記第２の絶縁物が接着剤であることを特徴とする回転電機。
   
5. 請求項４において、
   前記第２の絶縁物は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステルまたはポリイミドを含むことを特徴とする回転電機。
   
6. 請求項５において、
   前記第２の絶縁物は、シリカとポリイミドの混合物を含むことを特徴とする回転電機。
   
7. 請求項６において、
   前記第２の絶縁物は、マイカを含むことを特徴とする回転電機。
   
8. 請求項1から７のいづれかにおいて、
   前記第２の絶縁物の熱伝導率は０．６Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする回転電機。
   
9. 請求項８において、
   前記第２の絶縁物の熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする回転電機。

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