JP6740086B2 - 硬化性樹脂材料、および、回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、硬化性樹脂材料、および、回転電機の製造方法に関する。

可変速揚水発電電動機などの回転電機において、固定子および回転子は、鉄心に設けられたスロットに複数のコイル導体が装着されている。スロットに装着された複数のコイル導体は、シリーズ接続部において電気的に接続されている。たとえば、一対のコイル導体がスロットの内部において回転軸のラジアル方向に並ぶように配置されており、その一対のコイル導体の間がシリーズ接続部で電気的に接続されている。スロットに配置された複数のコイル導体は、スロットから外部に突き出たコイル口出部を含み、そのコイル口出部にシリーズ接続部が設けられている。

回転電機において、シリーズ接続部は、絶縁物（シリーズ接続絶縁部）で覆われており、シリーズ接続部とその周囲との間を電気的に絶縁した状態にしている。シリーズ接続部を絶縁物で覆う絶縁処理は、たとえば、箱型の絶縁キャップの内部にシリーズ接続部を収容した後に、粘度が低い硬化性樹脂材料（キャップレジン）を絶縁キャップの内部に充填することによって行われる。硬化性樹脂材料は、たとえば、室温硬化型の樹脂を主剤として含む他に、硬化剤、硬化触媒、フィラーなどの材料を含む。

特開２００２−３４５１９５号 特開平９−２７８８７０号

シリーズ接続部の絶縁処理は、たとえば、回転電機を設置した現地で行われるので、絶縁処理の作業時間を短くすることが要求されている。この要求に応えるために、回転電機の設置場所で硬化性樹脂材料を調製せずに、硬化性樹脂材料を回転電機の設置場所以外の製造場所で予め調製して現地へ搬入することが検討されている。つまり、現地へ搬入する前に、主剤である室温硬化型の樹脂に粉体であるフィラー等を予め混合した状態にすることが検討されている。

しかしながら、硬化性樹脂材料の調製場所から回転電機の設置場所に搬入されるまでの期間が長い場合には、硬化性樹脂材料においてフィラーが沈降して凝集する。これにより、硬化性樹脂材料においては、フィラーが均一に分散された状態でなくなる。この場合には、回転電機の運転の際に、硬化性樹脂材料が硬化した絶縁充填材に熱応力が印加されたときに、割れ（クラック）が発生しやすくなる。このため、フィラーが均一に分散された状態に戻すために、現地において硬化性樹脂材料を撹拌する作業が必要になるので、作業効率を向上することが容易でない。

上記の他に、シリーズ接続部の絶縁処理においては、絶縁キャップの設置などの作業についても、作業効率を向上することが求められている。特に、鉄心のスロットから上方へ突き出たコイル口出部に設けられたシリーズ接続部について絶縁処理を行うときには、筒状の絶縁キャップの内部にコイル口出部を挿入して収容させた後に、絶縁キャップの底部にキャップ底を作製する必要があるので、作業効率の向上が更に求められている。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、シリーズ接続部の絶縁処理について作業効率を容易に向上することが可能な、硬化性樹脂材料、および、回転電機の製造方法を提供することである。

実施形態の硬化性樹脂材料は、回転電機において一対のコイル導体が電気的に接続されたシリーズ接続部を収容する絶縁キャップの内部に充填される。硬化性樹脂材料は、結晶性シリカ、破砕シリカおよび球状シリカから選択される第１フィラーと、フュームドシリカまたはフュームドアルミナから選択される第２フィラーと硬化性樹脂とを含む。ここで、第１フィラーの比表面積Ｓ１と第２フィラーの比表面積Ｓ２とが下記式（Ａ）に示す関係を満たす。また、第１フィラーの含有量Ｗ１と第２フィラーの含有量Ｗ２とが下記式（Ｂ）に示す関係を満たす。
４×Ｓ２≦Ｓ１≦２０×Ｓ２ ・・・（Ａ）
１．０≦１００×Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２）≦３．０ ・・・（Ｂ）

本発明によれば、シリーズ接続部の絶縁処理について作業効率を容易に向上することが可能な、硬化性樹脂材料、および、回転電機の製造方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る回転電機の要部を示す図である。 図２Ａは、実施形態に係る回転電機において、固定子３のシリーズ接続部３５に設けられたシリーズ接続絶縁部３００の要部を模式的に示す図である。 図２Ｂは、実施形態に係る回転電機において、固定子３のシリーズ接続部３５に設けられたシリーズ接続絶縁部３００の要部を模式的に示す図である。 図３Ａは、実施形態に係る回転電機を製造する製造方法を示す図である。 図３Ｂは、実施形態に係る回転電機を製造する製造方法を示す図である。 図４Ａは、実施形態に係る回転電機を製造する製造方法を示す図である。 図４Ｂは、実施形態に係る回転電機を製造する製造方法を示す図である。 図５は、実施形態に係る回転電機において、シリーズ接続絶縁部３００を構成する絶縁キャップ３１０の変形例を示す図である。

［回転電機の構成］
図１は、実施形態に係る回転電機の要部を示す図である。図１では、回転軸ＡＸが鉛直方向ｚに沿った立軸型の回転電機のうち、上側部分の一部を模式的に図示している。ここでは、回転電機の一例として、揚水発電システムにおいて発電機および電動機（ポンプ）として用いられる可変速揚水発電電動機を示している。

図１に示すように、回転電機１は、固定子３と回転子５とを備えている。ここでは、回転電機１は、たとえば、インナーロータ型であって、固定子３の内部に回転子５が配置されている。また、回転電機１は、回転シャフト２の回転軸ＡＸが鉛直方向ｚに沿っており、その回転シャフト２に回転子５が支持されている。

回転電機１において、固定子３は、固定子鉄心３１と固定子コイル３２とを含む。固定子鉄心３１は、内周面にスロットが形成されている。固定子コイル３２は、たとえば、一対のコイル導体３２Ａ，３２Ｂが固定子鉄心３１のスロットの内部において、回転軸ＡＸのラジアル方向（図１では方向ｘ）に並ぶように配置されている。一対のコイル導体３２Ａ，３２Ｂは、互いがシリーズ接続部３５で電気的に接続されている。一対のコイル導体３２Ａ，３２Ｂは、スロットから外部に突き出たコイル口出部（裸導体部）を含み、そのコイル口出部にシリーズ接続部３５が設けられている。シリーズ接続部３５においては、一対のコイル導体３２Ａ，３２Ｂの間を接続導体３３が電気的に接続している。シリーズ接続部３５は、絶縁物で形成されたシリーズ接続絶縁部３００が設けられており、シリーズ接続部３５とその周囲との間がシリーズ接続絶縁部３００によって電気的に絶縁されている。

回転電機１において、回転子５は、回転子鉄心５１と回転子コイル５２とを含む。回転子鉄心５１は、外周面にスロットが形成されている。回転子コイル５２は、たとえば、一対のコイル導体５２Ａ，５２Ｂが回転子鉄心５１のスロットの内部において回転軸ＡＸのラジアル方向に並ぶように配置されている。一対のコイル導体５２Ａ，５２Ｂは、互いがシリーズ接続部５５で電気的に接続されている。一対のコイル導体５２Ａ，５２Ｂは、スロットから外部に突き出たコイル口出部（裸導体部）を含み、そのコイル口出部にシリーズ接続部５５が設けられている。シリーズ接続部５５においては、一対のコイル導体５２Ａ，５２Ｂの間を接続導体５３が電気的に接続している。シリーズ接続部５５は、絶縁物で形成されたシリーズ接続絶縁部５００が設けられており、シリーズ接続部５５とその周囲との間がシリーズ接続絶縁部５００によって電気的に絶縁されている。

［シリーズ接続絶縁部３００の構成］
図２Ａおよび図２Ｂは、実施形態に係る回転電機において、固定子３のシリーズ接続部３５に設けられたシリーズ接続絶縁部３００の要部を模式的に示す図である。図２Ａは、上面図であって、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ−Ｘ部分の断面図である。なお、回転子５のシリーズ接続部５５に設けられたシリーズ接続絶縁部５００（図１参照）は、固定子３のシリーズ接続絶縁部３００と同様であるので、詳細な説明を省略する。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、シリーズ接続絶縁部３００は、絶縁キャップ３１０とキャップ底３２０と絶縁充填材３３０とを含む。

シリーズ接続絶縁部３００において、絶縁キャップ３１０は、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２とを有する。絶縁キャップ３１０は、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２とを組み合わせることによって構成された筒状体であって、内部の空間にシリーズ接続部３５を収容する。

具体的には、絶縁キャップ３１０のうち、第１絶縁キャップ部３１１は、主板部３１１ａと一対の側板部３１１ｂとを含む。第１絶縁キャップ部３１１は、主板部３１１ａのうち第２絶縁キャップ部３１２に対面する面に一対の側板部３１１ｂが設けられている。第１絶縁キャップ部３１１において、一対の側板部３１１ｂは、間に空間が介在するように対面している。第２絶縁キャップ部３１２は、板状体であって、第１絶縁キャップ部３１１の一対の側板部３１１ｂに接するように組み合わされる。

絶縁キャップ３１０は、絶縁材料で形成されている。たとえば、絶縁キャップ３１０は、ガラス繊維などの無機繊維や、ポリエステル、ポリアミドなどの有機繊維を含む繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されていることが好ましい。絶縁キャップ３１０は、必要な絶縁性、耐熱性、機械的強度などの特性を得るように構成されている。

シリーズ接続絶縁部３００において、キャップ底３２０は、絶縁キャップ３１０の内部において下方に位置する部分に設けられている。キャップ底３２０は、たとえば、高粘度のシリコーンゲルを用いて形成されている。この他に、キャップ底３２０は、室温硬化型の絶縁性樹脂にフィラーを添加した樹脂材料を用いて形成されている。ここでは、フィラーとして、たとえば、珪酸アルミニウム、酸化鉄、酸化チタン、アルミナ、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、チタン酸カリウム、ガラスビーズ、セリサイト活性白土、ベントナイト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが添加されている。

シリーズ接続絶縁部３００において、絶縁充填材３３０は、絶縁キャップ３１０の内部においてキャップ底３２０の上方に設けられている。絶縁充填材３３０は、硬化性樹脂材料（キャップレジン）を絶縁キャップ３１０の内部の空間に充填し、その充填された硬化性樹脂材料が硬化することで形成される。

［硬化性樹脂材料］
以下より、絶縁キャップ３１０の内部に充填する硬化性樹脂材料の詳細について説明する。

硬化性樹脂材料は、たとえば、室温硬化型の絶縁性樹脂を主剤として含む他に、硬化剤、硬化触媒、フィラーなどの材料を含み、各材料を混合することで調製される。

硬化性樹脂材料において、室温硬化型の絶縁性樹脂は、たとえば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂である。絶縁性樹脂は、複数種の樹脂を混合した混合物でもよいが、特に、エポキシ樹脂であることが好ましい。また、ガラス転移温度が５０〜１００℃の範囲内であることが、より好ましい。たとえば、ｊＥＲ８２８、ｊＥＲ８１１、ｊＥＲ８１５、ｊＥＲ８１２、ｊＥＲ８０７（いずれも商品名、三菱化学製、ｊＥＲは登録商標）や、ＣＹ２０５（商品名、チバガイギ製）などのエポキシ樹脂を用いることが好ましい。

硬化性樹脂材料において、硬化剤は、絶縁性樹脂の種類に応じて適宜選択して用いることができる。絶縁性樹脂がエポキシ樹脂である場合、硬化剤として、アミン系硬化剤を用いることが好ましい。アミン系硬化剤としては、たとえば、アルカミンＫ６１Ｂ，Ｋ５４（商品名、エアブロダクツアンドケミカル社製）、Ｄ２３０（商品名、三菱化学ファイン社製）などを用いることが好ましい。その他、ポリメルカプタンを硬化剤として用いることができる。硬化剤の含有量は、１００重量部の絶縁性樹脂に対して、１０〜２０重量部であることが好ましく、特に１３〜１５重量部であることが好ましい。

硬化性樹脂材料においては、硬化触媒が必要に応じて添加される。絶縁性樹脂がエポキシ樹脂である場合、硬化触媒として、アミン系硬化触媒を用いることが好ましい。アミン系硬化触媒としては、たとえば、花王社製のカオライザーＮｏ．１、カオライザーＮｏ．２、カオライザーＮｏ．３など（いずれも商品名、登録商標）を用いることが好ましい。硬化触媒の含有量は、１００重量部の絶縁性樹脂に対して、１重量部であることが好ましい。

硬化性樹脂材料において、フィラーとしては、たとえば、珪酸アルミニウム、酸化鉄、酸化チタン、アルミナ、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、チタン酸カリウム、ガラスビーズ、セリサイト活性白土、ベントナイト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの無機フィラーを適宜選択して用いることが好ましい。フィラーの含有量は、１００重量部の絶縁性樹脂に対して１００〜２００重量部であることが好ましく、特に、１４０重量部であることが好ましい。フィラーの配合により、絶縁充填材３３０について、寸法安定性、機械的強度、耐久性、および、耐熱性などの特性を向上させることができる。

本実施形態では、フィラーは、第１フィラーと第２フィラーとを含む混合物である。ここでは、第１フィラーの比表面積Ｓ１と第２フィラーの比表面積Ｓ２とは、下記式（Ａ）に示す関係を満たす。なお、例えば第１フィラーとしては、結晶性シリカ、破砕シリカ、球状シリカが挙げられ、第２フィラーとしては、フュームドシリカ、フュームドアルミナが挙げられる。また、比表面積Ｓ１，Ｓ２の算出方法は、ＢＥＴ法である。

４×Ｓ２≦Ｓ１≦２０×Ｓ２ ・・・（Ａ）

また、第１フィラーの含有量Ｗ１と第２フィラーの含有量Ｗ２とが下記式（Ｂ）に示す関係を満たす。つまり、第１フィラーの含有量Ｗ１と第２フィラーの含有量Ｗ２とを合計した全重量において第１フィラーの含有量Ｗ１が占める重量割合が、下記式（Ｂ）に示す関係を満たす。

１．０≦１００×Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２）≦３．０ ・・・（Ｂ）

本実施形態では、式（Ａ）および式（Ｂ）に示す関係を満たすことによって、硬化性樹脂材料においてフィラーが沈降して凝集することを効果的に抑制することができる。具体的には、式（Ａ）および式（Ｂ）に示す関係を満たす場合には、４０℃の雰囲気下において、１週間、フィラーの沈降が生じなかったのに対して、式（Ａ）および式（Ｂ）に示す関係を満たさない場合には、フィラーの沈降が生じた。その結果、フィラーが均一に分散された状態に戻すために、硬化性樹脂材料を撹拌する作業が不要になるので、作業効率を向上することができる。

［製造方法］
以下より、上記の回転電機１を製造する製造方法に関して説明する。ここでは、固定子３のシリーズ接続部３５にシリーズ接続絶縁部３００を設ける工程について説明する。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および、図４Ｂは、実施形態に係る回転電機を製造する製造方法を示す図である。図３Ａおよび図４Ａは、上面図（図２Ａの上面に相当）である。図３Ｂおよび図４Ｂは、側面図（図２Ｂの側断面に相当）である。

本実施形態では、図３Ａおよび図３Ｂに示す工程と、図４Ａおよび図４Ｂに示す工程とを、順次、行うことによって、図２Ａおよび図２Ｂに示したように、シリーズ接続絶縁部３００を完成させる。各工程の詳細内容について順次説明する。

まず、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、キャップ底３２０の形成を行う。ここでは、絶縁キャップ３１０を構成する第１絶縁キャップ部３１１にキャップ底３２０を形成する。具体的には、第１絶縁キャップ部３１１において一対の側板部３１１ｂの間に位置する空間のうち下側の端部にキャップ底３２０を形成する。

つぎに、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１絶縁キャップ部３１１の設置を行う。ここでは、第１絶縁キャップ部３１１において一対の側板部３１１ｂの間にシリーズ接続部３５を構成する接続導体３３が位置すると共に、キャップ底３２０が接続導体３３よりも下方に位置するように、第１絶縁キャップ部３１１をシリーズ接続部３５に設置する。

つぎに、図２Ａおよび図２Ｂに示したように、第１絶縁キャップ部３１１に第２絶縁キャップ部３１２を組み合わせることによって絶縁キャップ３１０を形成し、絶縁キャップ３１０の内部にシリーズ接続部３５を収容する（収容ステップ）。

このとき、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２との境界部分に、たとえば、シールテープを貼り付けることで、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２との間をシールする。絶縁キャップ３１０の内部において、キャップ底３２０は、変形し、コイル導体３２Ａ，３２Ｂに密着する。

その後、予め準備した硬化性樹脂材料を絶縁キャップ３１０の内部に注入して充填する（充填ステップ）。そして、その硬化性樹脂材料が硬化することによって、絶縁充填材３３０が形成される。これにより、シリーズ接続部３５にシリーズ接続絶縁部３００が設けられる。

以上のように、本実施形態の製造方法では、絶縁キャップ３１０が第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２とに分割されたものであるので、絶縁キャップ３１０の設置が容易である。また、絶縁キャップ３１０の設置前に、第１絶縁キャップ部３１１にキャップ底３２０を形成しているので、キャップ底３２０の形成が容易である。このため、本実施形態では、シリーズ接続絶縁部３００を設ける作業について、作業効率を向上することができる。

［絶縁充填材３３０の熱伝導率］
絶縁キャップ３１０の内部において硬化性樹脂材料が硬化した絶縁充填材３３０の熱伝導率について説明する。

絶縁充填材３３０の熱伝導率は、機器の温度上昇による樹脂の割れが発生しなかった、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが更に好ましい。また、絶縁充填材３３０の熱伝導率は、フィラーの充填率にもよるが、フィラーの熱伝導率以下であることが好ましい。これにより、回転電機１を運転させたときにコイル導体で生じた熱が外部へ放熱されやすくなるので、温度差が低減され、絶縁充填材３３０の割れを抑制可能である。

［変形例］
図５は、実施形態に係る回転電機において、シリーズ接続絶縁部３００を構成する絶縁キャップ３１０の変形例を示す図である。図５は、図２Ａと同様に、上面図である。

図５に示すように、絶縁キャップ３１０において、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２とのそれぞれは、図２Ａで示した形状以外でもよい。

具体的には、絶縁キャップ３１０のうち、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２との両者が、主板部３１１ａ，３１２ａと一対の側板部３１１ｂ，３１２ｂとを含むように構成されていてもよい。そして、第１絶縁キャップ部３１１と第２絶縁キャップ部３１２とのそれぞれに、第１キャップ底部３２１と第２キャップ底部３２２とのそれぞれを形成し、第１キャップ底部３２１と第２キャップ底部３２２とを組み合わせることで、キャップ底３２０を形成してもよい。

この場合においても、上記実施形態と同様に、シリーズ接続絶縁部３００を設ける作業について、作業効率を向上することができる。

なお、上記の実施形態では、回転電機が可変速揚水発電電動機である場合について説明したが、これに限らない。揚水発電システム以外の分野で使用される回転電機について上記の実施形態と同様に製造等を行ってもよい。

＜その他＞
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。

１…回転電機、２…回転シャフト、３…固定子、５…回転子、３１…固定子鉄心、３２…固定子コイル、３２Ａ，３２Ｂ…コイル導体、３３…接続導体、３５…シリーズ接続部、５１…回転子鉄心、５２…回転子コイル、５２Ａ，５２Ｂ…コイル導体、５３…接続導体、５５…シリーズ接続部、３００…シリーズ接続絶縁部、３１０…絶縁キャップ、３１１…第１絶縁キャップ部、３１１ａ…主板部、３１１ｂ…側板部、３１２…第２絶縁キャップ部、３１２ａ…主板部、３１２ｂ…側板部、３２０…キャップ底、３２１…第１キャップ底部、３２２…第２キャップ底部、３３０…絶縁充填材、５００…シリーズ接続絶縁部、ＡＸ…回転軸

Claims (5)

1. 回転電機において一対のコイル導体が電気的に接続されたシリーズ接続部を収容する絶縁キャップの内部に充填される硬化性樹脂材料であって、
   結晶性シリカ、破砕シリカおよび球状シリカから選択される第１フィラーと、
   フュームドシリカまたはフュームドアルミナから選択される第２フィラーと、
   硬化性樹脂と
   を含み、
   前記第１フィラーの比表面積Ｓ１と前記第２フィラーの比表面積Ｓ２とが下記式（Ａ）に示す関係を満たし、
   前記第１フィラーの含有量Ｗ１と前記第２フィラーの含有量Ｗ２とが下記式（Ｂ）に示す関係を満たす、
   硬化性樹脂材料。
   ４×Ｓ２≦Ｓ１≦２０×Ｓ２ ・・・（Ａ）
   １．０≦１００×Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２）≦３．０ ・・・（Ｂ）
2. 前記硬化性樹脂が硬化した後に、熱伝導率０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上になる、
   請求項１に記載の硬化性樹脂材料。
3. 回転電機において一対のコイル導体が電気的に接続されたシリーズ接続部を絶縁キャップに収容する、収容ステップと
   前記絶縁キャップの内部に硬化性樹脂材料を充填する、充填ステップと
   を有し、
   前記硬化性樹脂材料は、
   結晶性シリカ、破砕シリカおよび球状シリカから選択される第１フィラーと、
   フュームドシリカまたはフュームドアルミナから選択される第２フィラーと、
   硬化性樹脂と
   を含み、
   前記第１フィラーの表面積Ｓ１と前記第２フィラーの表面積Ｓ２とが下記式（Ａ）に示す関係を満たし、
   前記第１フィラーの含有量Ｗ１と前記第２フィラーの含有量Ｗ２とが下記式（Ｂ）に示す関係を満たす、
   回転電機の製造方法。
   ４×Ｓ２≦Ｓ１≦２０×Ｓ２ ・・・（Ａ）
   １．０≦１００×Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ２）≦３．０ ・・・（Ｂ）
4. 前記絶縁キャップは、
   第１絶縁キャップ部と、
   第２絶縁キャップ部と
   を含み、
   前記収容ステップを行う前に前記第１絶縁キャップ部と第２絶縁キャップ部との少なくとも一方にキャップ底を形成した後に、
   前記第１絶縁キャップ部と第２絶縁キャップ部とを組み合わせることによって前記収容ステップを行う、
   請求項３に記載の回転電機の製造方法。
5. 前記回転電機が可変速揚水発電電動機である、
   請求項３または４に記載の回転電機の製造方法。

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