JP6585441B2 - 回転電機コイル、回転電機、および回転電機コイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機コイル、回転電機、および回転電機コイルの製造方法に関する。

高電圧回転電機の鉄心の内径側に形成されたスロットに収納された固定子コイルでは、運転温度が高く、かつ回転電機の起動や停止が頻繁に繰り返されることにより、固定子コイルの例えば金属材料と絶縁材料との間の線膨張係数の差に起因する熱応力が発生することで、これらの材料が剥離する可能性がある。剥離する可能性がある箇所としては、以下の５つが考えられる。すなわち、（１）鉄心と固定子コイルとの間、（２）スロットと外部コロナ防止層との間、（３）外部コロナ防止層と主絶縁層との間、（４）主絶縁層の内部の間隙、（５）主絶縁層と内部コロナシールドとの間、および（６）内部コロナシールドと導体との間などが考えられる。

（２）スロットと外部コロナ防止層との間については、半導電性を有する外部コロナ防止層が、上記の剥離した部分以外で鉄心と電気的に接続されていれば、コイル側の電位を接地された鉄心の電位付近に維持することができるため、コロナ放電発生による損傷を回避できる。

また、（１）鉄心と固定子コイルとの間、（３）外部コロナ防止層と主絶縁層との間、および（４）主絶縁層の内部の間隙、での各剥離対策については、積極的に剥離を生じさせて熱応力を緩和させつつも電気的な接続を維持するために導電性四フッ化エチレンテープを用いる方法、および両者の熱応力を緩和する材料を用いることで剥離自体を防止する方法、および主絶縁層表面とスロット内面ともに半導電層を設けて電気的接続を実現する方法などがある。

特開昭５６−８３２３７号公報 特許第３２８４５９３号公報 特開平９−１４９５７８号公報 特開平９−１８２３４３号公報

上記のような方法は、以下のような課題を有している。
これらの方法では、前述の剥離の課題のうち、（１）鉄心と固定子コイルとの間、（２）スロットと外部コロナ防止層との間、（３）外部コロナ防止層と主絶縁層との間、および（４）主絶縁層の内部の間隙、での剥離対策は可能となるものの、（５）主絶縁層と内部コロナシールドとの間、および（６）内部コロナシールドと導体との間、での剥離対策は不十分である。上記の（１）ないし（４）の課題が解決されたとしても、他の部分で剥離が生じることになれば、最終的に絶縁対策が必要十分になされているとは言い難い。

以上の課題を解決するため、上記の（５）主絶縁層と内部コロナシールドとの間、および上記の（６）内部コロナシールドと導体との間、での剥離を解決する方法が必要である。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、熱応力による材料の剥離を必要十分に防止することが可能な回転電機コイル、回転電機、および回転電機コイルの製造方法を提供することである。

実施形態における回転電機コイルは、導体と、主絶縁層と、前記導体と前記主絶縁層との間に配置される内部コロナシールドと、前記導体と前記内部コロナシールドとの間に配置される第１の熱応力緩和層を有するとともに、前記内部コロナシールドと前記主絶縁層との間に配置される第２の熱応力緩和層を有する一方、前記第１および第２の熱応力緩和層は、耐熱性を有するシリコーン基材の両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料で構成される。

本発明によれば、回転電機コイルの熱応力による材料の剥離を必要十分に防止することができる。

一般的な固定子コイルの内部構造を模式的に示した図。 一般的な固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図。 実施形態における固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図。 実施形態における固定子コイルの誘電損失特性の一例を表形式で示す図。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（構成）
この実施形態は、例えば誘導電動機や発電機などの高電圧回転電機の鉄心の外周側のスロットに収納可能であって、楔によりスロットに固定可能である固定子コイルに関する。

上記の固定子コイルにおいて、その樹脂含浸方式は、真空加圧含浸（ＶＰＩ（Vacuum Pressure Impregnation））絶縁方式と、レジンリッチ（ＲＲ（resin-rich））絶縁方式とに大別される。本実施形態では、より環境負荷の低いレジンリッチ（ＲＲ）絶縁方式を用いてコイルを製造する。

図１は、一般的な固定子コイルの内部構造を模式的に示した図である。図２は、一般的な固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図である。
図１、図２に示すように、一般的には、固定子コイル１０は、導体４にコロナ放電防止のための内部コロナシールド３、主絶縁層２の順で積層されることで構成される。

図３は、実施形態における固定子コイルの内部構造について、上右端部拡大図を模式的に示した図である。
図３に示すように、本実施形態では、上記の導体４と内部コロナシールド３との間、および内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に熱応力緩和層（熱応力緩和材料）８がそれぞれ設けられる。この熱応力緩和層８は、導体４と内部コロナシールド３との間のみに設けてもよいし、内部コロナシールド３と主絶縁層との間のみに設けてもよい。

本実施形態にかかる熱応力緩和材料としては、（Ａ）シート状材料、（Ｂ）テープ状材料、（Ｃ）塗料状材料（コーティング材料）などが挙げられる。なお、本実施形態では、（Ａ）シート状材料は、幅の広く薄い紙状の材料であると定義し、（Ｂ）テープ状材料は、幅が狭く薄い帯状の材料であると定義し、（Ｃ）塗料状材料は、種々の塗装方法により表面に塗って用いる材料であると、それぞれ定義する。

（Ａ）シート状材料としては、高い耐熱性を有するシートで、シリコーン基材のシートの両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料などが挙げられる。

（Ｂ）テープ状材料としては、高い耐熱性を有するテープで、（Ａ）シート状材料と同様に、シリコーン基材のテープの両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料などが挙げられる。

（Ｃ）塗料状材料としては、高い耐熱性を有する塗料で、加熱あるいは常温で所定時間処理すれば硬化できる材料などが挙げられる。

上記のシート状材料やテープ状材料は、ゴムからなる材料でもよいし、ゲルからなる材料でもよい。また、上記の塗料状材料は、シリコーンマトリックスからなる材料でもよいし、溶剤を含む材料でもよい。

（方法）
次に、実施形態における固定子コイルの製造方法について説明する。
まず、導体となる銅製の導線を用い、所定の長さに切断した後、両端の絶縁被覆を取り除く。その後に導線を所定本数束ねて、レーベル転位（Roebel Tranposition）の工程を経てコイルとする。次いでヒートプレスによりコイルを成型し、このコイルをインボリュート（involute）型に成型することで固定子コイル１０の導体４とする。
この後、導体４の周りに対する、半導電性を有する内部コロナシールド３の設置、テーピングマシンによる主絶縁層２のテーピング、および半導電性を有する外部コロナ防止層（図示せず）のテーピングを行なう。次いで、スチール製の当て板とラミネートを設置し、レジンリッチ絶縁方式による樹脂含浸処理でコイル同士を接合させることで、固定子コイル１０が完成する。

ここで、本実施形態では、導体４の周りに対する内部コロナシールド３の設置の前、およびこの内部コロナシールド３の周りに対する主絶縁層２のテーピングの前に、熱応力緩和層８をそれぞれ設ける。つまり、導体４と内部コロナシールド３との間と、内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に熱応力緩和層８がそれぞれ設けられる。

熱応力緩和層８が上記の（Ａ）シート状材料である場合について説明する。このシート状材料に粘着層がある場合は、この粘着層を介して導体４や内部コロナシールド３を覆うように熱応力緩和層８を設置する。また、シート状材料に粘着層がない場合は、このシート状材料を設置面に当てた状態で所定のテーピング材料でテーピングすることにより熱応力緩和層８を設置する。

熱応力緩和層８が上記の（Ｂ）テープ状材料である場合は、テーピングマシンあるいは手巻きによって当該熱応力緩和層８を設置できる。
熱応力緩和層８が上記の（Ｃ）塗料状材料である場合は、この材料をハケ、スプレー等を用いてコイルの内部コロナシールド３の周りや主絶縁層２の周りの全体に塗布することによって当該熱応力緩和層８が設置可能である。

これらの工程を経て熱応力緩和層８を設置した後、通常の工程通り、内部コロナシールド３の設置や、テーピングマシンによる主絶縁層２のテーピングを経て、外部コロナ防止層のテーピングの工程に入る。これ以前およびこれ以降の工程は、固定子コイルの製造の一般的な工程と同様である。
上記のような工程を経て、固定子コイル１０が製造される。

また、この熱応力緩和層８は、線膨張係数が異なる２種類の材料を耐熱性接着剤で接着して積層するように構成してもよい。例えば、線膨張係数が異なる２種類の材料でなる熱応力緩和層８を導体４と内部コロナシールド３との間に設ける場合は、この熱応力緩和層８における、導体４側に接する材料の線膨張係数を導体４の線膨張係数に合わせ、内部コロナシールド３に接する材料の線膨張係数を内部コロナシールド３の線膨張係数に合わせることが望ましい。
このように、熱応力緩和層８を線膨張係数の異なる２種類の材料で構成することで、この熱応力緩和層８おける、導体４や内部コロナシールド３に接する材料の線膨張係数を導体４や内部コロナシールド３の線膨張係数に合わせることができ、熱応力の緩和の効果を向上させることができる。線膨張係数が異なる２種類の材料でなる熱応力緩和層８を内部コロナシールド３と主絶縁層２の間に設ける場合も同様である。

（作用）
次に、実施形態における熱応力緩和層８の作用について説明する。
上記の材料のうちのいずれか１つ、あるいはこれらの組み合わせからなる材料を導体４と内部コロナシールド３との間および内部コロナシールド３と主絶縁層２との間にそれぞれ配置することにより、導体４と内部コロナシールド３との間での剥離、および内部コロナシールド３と主絶縁層２との間での剥離をそれぞれ防止することができる。

また、上記の材料のうちのいずれか１つ、あるいはこれらの組み合わせからなる材料を内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に配置することにより、内部コロナシールド３と主絶縁層２との間での剥離を防止することができる。

図４は、実施形態における固定子コイルの誘電損失特性の一例を表形式で示す図である。
上記の固定子コイル１０を用いて、誘電損失（ｔａｎδ）特性を測定した。図４では、熱応力緩和層８が無い場合、および熱応力緩和層８が有る場合における、固定子コイル１０の誘電損失（ｔａｎδ）特性の比較を示す。ここでは、水車発電機用コイルを用い、誘電損失（ｔａｎδ）特性は、熱応力緩和層無しのコイル（コイルの数ｎ＝３）および熱応力緩和層有りのコイル（ｎ＝４）のそれぞれについて、ヒートサイクルが５００回となった後の０．６Ｕｎ−０．２Ｕｎで求められる差（Δ１）の平均値を記載した。ここで、Ｕｎとは水車発電機の定格電圧のことであり、例えば１５ｋＶである。ここでは、上記Δ１の平均値を誘電損失（ｔａｎδ）とした。また、図４では、Δ１のバラツキ範囲（最大値、最小値）を併記した。

図４に示した結果から、熱応力緩和層８を設置することで、固定子コイル１０の誘電損失（ｔａｎδ）を約０．１２倍に低減できることがわかる。誘電損失が約１／１０に低減されるということは、大幅な低減であることを意味する。

（効果）
以下に、熱応力緩和層８を設置したことによる効果について記載する。
一般的には、導体４、内部コロナシールド３、主絶縁層２とでは線膨張係数が異なる。線膨張係数はαで表され、１ｍ当たり１℃温度上昇するとαμｍ伸びる係数である。導体４、内部コロナシールド３、主絶縁層２で線膨張係数が異なることで、加熱や冷却の過程で、それぞれの伸び縮みの長さが異なることで剥離が生じうる。

そこで、本実施形態では導体４と内部コロナシールド３との間、および内部コロナシールド３と主絶縁層２との間に熱応力緩和層８を配置することで、熱による伸び縮みで生じる応力を吸収し、剥離を防止することができる。

また、高熱伝導絶縁材料を主絶縁層２として用いた場合は、熱応力緩和層８を介して放熱特性を向上させることも可能にするため、熱応力緩和層８を放熱材料として用いることも可能である。

本実施形態では、熱応力緩和層８がシート状またはテープ状材料である場合の材料としてシリコーンを含む材料を用いたが、これはシリコーンが高い接着強度、高い耐熱性、高い柔軟性を兼ね備えているためである。ただし本実施形態の熱応力緩和層８の構成は、シリコーンを含む材料に限るものではなく、上記の高い接着強度、高い耐熱性、高い柔軟性を有する材料ならば他の材料でも適用可能である。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…主絶縁層、３…内部コロナシールド、４…導体、８…熱応力緩和層、１０…固定子コイル。

Claims (8)

1. 導体と、
   主絶縁層と、
   前記導体と前記主絶縁層との間に配置される内部コロナシールドと、
   前記導体と前記内部コロナシールドとの間に配置される第１の熱応力緩和層を備えるとともに、
   前記内部コロナシールドと前記主絶縁層との間に配置される第２の熱応力緩和層を備える一方、
   前記第１および第２の熱応力緩和層は、耐熱性を有するシリコーン基材の両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料で構成される
   回転電機コイル。
2. 前記第１および第２の熱応力緩和層の少なくとも一方が、複数の層からなる、請求項１に記載の回転電機コイル。
3. 前記第１および第２の熱応力緩和層が、シート状材料あるいはテープ状材料であり、あるいはこれらの組み合わせからなる、請求項１に記載の回転電機コイル。
4. 前記シート状材料あるいは前記テープ状材料が、ゴムからなる、
   請求項３に記載の回転電機コイル。
5. 前記シート状材料あるいは前記テープ状材料が、ゲルからなる、
   請求項３に記載の回転電機コイル。
6. 前記第１および第２の熱応力緩和層の少なくとも一方が、線膨張係数が異なる２種類の材料が積層されてなり、かつ前記２種類の材料同士が耐熱性接着剤で接着された、
   請求項１または請求項２に記載の回転電機コイル。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回転電機コイルを具備した、回転電機。
8. 回転電機コイルを製造する方法であって、
   導体と主絶縁層との間に内部コロナシールドを配置し、
   前記導体と前記内部コロナシールドとの間に第１の熱応力緩和層を配置し、
   前記内部コロナシールドと前記主絶縁層との間に第２の熱応力緩和層を配置し、
   前記第１および第２の熱応力緩和層は、耐熱性を有するシリコーン基材の両面にガラスクロス、シリコーン粘着剤、および離型フィルムを設けた材料で構成される、
   回転電機コイルの製造方法。