JP6746019B1 - 固定子コイルおよびこの固定子コイルを備えた固定子、並びに回転電機、固定子コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

損失が少なく、部分放電の起点が少ないコーナー部を有する固定子コイルを提供することを目的とする。導体バー（２２）を有する固定子コイル（６）であって、固定子コイルのコーナー部（１３）において、導体バーの外周を覆う第１絶縁層（２３）と、一方の端部がコーナー部の先端側で導体バーに電気的に接続され、他方の端部が第１絶縁層の外表面に配置された導電体（２４）と、第１絶縁層の外周および第１絶縁層の外表面に位置する導電体を覆う第１導電層（２５）と、第１導電層の外周を覆う第２絶縁層（２６）と、第２絶縁層の外周を覆う第２導電層（２７）とを備えている。

Description

本願は、固定子コイルおよびこの固定子コイルを備えた固定子、並びに回転電機、固定子コイルの製造方法に関する。

タービン発電機などの回転電機は、回転磁界を発生させる回転子と、この回転子の外周側に設置される円環状の固定子とで構成されている。固定子は、円周状に配置されたスロットを有する固定子鉄心と、スロットに挿入された固定子コイルとで構成されている。この回転電機においては、回転子の回転磁界によって固定子コイルに誘起電流が発生する。固定子コイルは、固定子鉄心のスロットに挿入されている直線状の部分と、固定子鉄心から軸方向の外部に露出して径方向の外側に向かって屈曲した部分とで構成されており、端部で巻き返されている。以下、固定子コイルの直線部でスロットに挿入された部分をスロット部、固定子鉄心から軸方向の外部に露出して径方向の外側に向かって延伸した部分をコイルエンド部、スロット部とコイルエンド部とをつなぐ屈曲した部分をコーナー部と呼ぶ。

固定子コイルは、銅などの素線を束ねた導体バーとこの導体バーの外部を覆う絶縁層とで構成されている。この絶縁層は、マイカテープを巻き回して構成されていることが多いが、絶縁層内に空隙が存在するとこの空隙が電気的な弱点となって部分放電が発生する場合がある。とくに、固定子コイルのコーナー部は屈曲しているため絶縁層と導体バーとの間に空隙ができ易く、部分放電が発生し易いという問題があった。

この問題に対処する従来の固定子コイルとして、絶縁層と導電層とからなる２層構造の積層テープが絶縁層を内側にして導体バーに巻き回され、コーナー部の導体バーの露出した部分と積層テープの導電層とが導電体で電気的に接続され、さらに積層テープと導電体との外周に主絶縁層が施された固定子コイルが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１３−５０５６９９号公報

従来の固定子コイルにおいては、導体バーと積層テープの導電層とが導電体で電気的に接続されているので、コーナー部の部分放電の発生を抑制することができる。しかしながら、絶縁層と導電層とからなる２層構造の積層テープを用いているので、導電層が導体バーの周囲を螺旋状に覆うことになり、充電電流が螺旋状の電流経路を流れることで損失が大きくなる。また、導電体のエッジ部分に空隙ができ易く、部分放電の起点となる恐れがある。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、損失が少なく、部分放電の起点が少ないコーナー部を有する固定子コイルを提供することを目的とする。

本願の固定子コイルは、導体バーを有する固定子コイルであって、コーナー部において、導体バーの外周を覆う第１絶縁層と、一方の先端部がコーナー部の先端側で導体バーに電気的に接続され、他方の先端部が第１絶縁層の外表面に配置された導電体と、第１絶縁層の外周および第１絶縁層の外表面に位置する導電体を覆う第１導電層と、第１導電層の外周を覆う第２絶縁層と、第２絶縁層の外周を覆う第２導電層とを備えている。

本願の固定子コイルは、一方の先端部がコーナー部の先端側で導体バーに電気的に接続され、他方の先端部が第１絶縁層の外表面に配置された導電体と、第１絶縁層の外周および第１絶縁層の外表面に位置する導電体を覆う第１導電層とを備えているので、損失が少なく、部分放電の起点が少ないコーナー部を有する。

実施の形態１に係る回転電機の断面模式図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの模式図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの斜視図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの製造工程を説明する模式図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの製造工程を説明する模式図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの製造工程を説明する模式図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの製造工程を説明する模式図である。 実施の形態１に係る固定子コイルの製造工程を説明する模式図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る固定子コイル、固定子および回転電機について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の断面模式図である。本実施の形態の回転電機は、例えばタービン発電機である。図１に示すように、この回転電機１は、回転磁界を発生させる回転子２と、この回転子２の外周側に設置される円環状の固定子３とで構成されている。固定子３は、円周状に配置されたスロット４を有する固定子鉄心５と、スロット４に挿入された固定子コイル６とで構成されている。回転子２は、固定子３の内周側で固定子３に対して回転自在に設置されている。この回転電機１においては、回転子２の回転磁界によって固定子コイル６に誘起電流が発生する。

図２は、固定子コイル６の模式図である。図２に示すように。固定子コイル６は、直線状の直線部１０の一部で固定子鉄心５のスロット４に挿入されているスロット部１１と、固定子鉄心５から軸方向の外部に露出して径方向の外側に向かって屈曲したコイルエンド部１２とで構成されている。固定子コイル６は、コイルエンド部１２の端部で巻き返されている。スロット部１１からコイルエンド部１２にわたる屈曲された部分をコーナー部１３と呼ぶ。後述する絶縁層、導電層などが形成される位置は、コーナー部１３の位置である。

図３は、固定子コイル６のコーナー部の斜視図である。図３において、左側がコーナー部のコイルエンド部側、すなわちコーナー部の先端側である。なお、図３において、コーナー部は実際には屈曲されているが、コーナー部の構造を説明するために屈曲されていない状態で図示している。
固定子コイル６は、銅などの素線２１を束ねた導体バー２２を備えている。素線２１は、断面が矩形の銅線であり、エナメルなどの絶縁被覆が施されている。導体バー２２は、例えば素線２１が縦８列横２列で束ねられて構成されている。コーナー部において、導体バー２２は、コーナー部のコイルエンド部側を除いて外周が第１絶縁層２３で覆われている。第１絶縁層２３は、例えばマイカテープが導体バー２２に螺旋状に巻き回されて構成されている。導体バー２２のコーナー部のコイルエンド部側には第１絶縁層２３に覆われていない部分があり、この部分で導体バー２２の縦方向の最上部の素線２１に導電体２４の一方の端部が電気的に接続されている。素線２１と導電体２４とが接触する部分では、素線２１の絶縁被覆は除去されている。導電体２４は、例えば金属テープあるいは粘着層を備えた金属テープで構成されている。また、導電体２４の他方の端部は、第１絶縁層２３の外表面に配置されている。なお、導電体２４は、導体バー２２の素線２１の１本のみと接続されていることが好ましい。なぜなら、素線２１同士が導電体２４を介して電気的に接続されるのは好ましくないからである。したがって、導電体２４の幅は、素線２１の幅以下であることが好ましい。

第１絶縁層２３の外周および第１絶縁層２３の外表面に位置する導電体２４は、第１導電層２５で覆われている。また、第１導電層２５の外周は、第２絶縁層２６で覆われている。さらに、第２絶縁層２６の外周は、第２導電層２７で覆われている。第１導電層２５および第２導電層２７は、例えば導電テープが巻き回されて構成されている。この導電テープは、例えばポリエステルまたはガラスなどの基材に導電性のカーボン粒子が分散されたものである。また、第２絶縁層２６は、例えばマイカテープが螺旋状に巻き回されて構成されている。なお、図３において、構造をわかり易く説明するために第２絶縁層２６および第２導電層２７は一部のみを示しているが、実際には、第２絶縁層２６はコイルエンド部の全体を覆っており、第２導電層２７はスロット部１１およびコーナー部１３を含む範囲を覆っている。

第１絶縁層２３および第２絶縁層２６は、ともにマイカテープが巻き回されて構成されている。また、第１導電層２５および第２導電層２７は、ともに導電テープが巻き回されて構成されている。これらの導電層の表面抵抗率は、１０^２Ω／□から１０^５Ω／□の範囲であることが好ましい。

次に、本実施の形態の固定子コイルの製造方法について説明する。
図４から図９は、固定子コイルの製造工程を説明する模式図である。図４に示すように、断面が矩形の銅線である素線２１を、縦８列横２列で束ねた導体バー２２を準備する。この素線２１は、エナメルの絶縁被覆が施されている。導体バー２２の外周に第１絶縁層２３を形成する。この第１絶縁層２３は、マイカテープを導体バー２２に螺旋状に巻き回されて形成されている。導体バー２２のコーナー部のコイルエンド部側には第１絶縁層２３が形成されず、素線２１が露出した部分が残されている。

次に、図５に示すように、導体バー２２の縦方向の最上部の素線２１に導電体２４を電気的に接続する。このとき、最上部の素線２１と導電体２４とが接触する部分の素線２１の絶縁被覆はあらかじめ除去しておき、導電体２４と導体バー２２とが確実に電気的に接続できるようにする。導電体２４は、例えば粘着層を備えた金属テープであり、導体バー２２および第１絶縁層２３に接着されている。なお、導電体２４の導体バー２２と接続した側と反対側の端部は、第１絶縁層２３の外表面に配置されている。

次に、図６に示すように、第１絶縁層２３および導電体２４の外周を、第１導電層２５で覆う。このとき、第１導電層２５は、第１絶縁層２３の外周と第１絶縁層２３の外表面に位置する導電体２４とのみを覆うように形成されており、導電体２４の導体バー２２に接着された部分は覆わない。第１導電層２５は、導電テープを螺旋状に巻き回されて形成されている。

次に、図７に示すように、第１導電層２５の外周を第２絶縁層２６で覆う。この第２絶縁層２６は、マイカテープを螺旋状に巻き回されて形成されている。なお、図７では、第２絶縁層２６の下に形成された第１絶縁層２３、導電体２４、第１導電層２５などが露出して示されているが、実際には第２絶縁層２６は、コイルエンド部の全体を覆っている。

最後に、図８に示すように、第２絶縁層２６の外周を第２導電層２７で覆う。この第２導電層２７は導電テープを螺旋状に巻き回されて形成されている。なお、図８では、第２導電層２７の下に形成された第１絶縁層２３、導電体２４、第１導電層２５、第２絶縁層２６などが露出して示されているが、実際には第２導電層２７は、コーナー部を含む範囲を覆っている。

このように構成された固定子コイルは、コーナー部において導体バーと第１導電層とが導電体で電気的に接続されているので、導体バーと第１導電層とに囲まれた部分における部分放電の発生を抑制することができる。また、第１導電層は螺旋状の電流経路を構成しないので充電電流が螺旋状に流れることもない。さらに、導電体の外周に第１導電層が形成されているので、導電体のエッジ部分に空隙ができても、同電位の導体バーと第１導電層とに囲まれているため、部分放電の起点とはならない。

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 回転電機、 ２ 回転子、 ３ 固定子、 ４ スロット、 ５ 固定子鉄心、 ６ 固定子コイル、１０ 直線部、 １１ スロット部、 １２ コイルエンド部、 １３ コーナー部、 ２１ 素線、 ２２ 導体バー、 ２３ 第１絶縁層、２４ 導電体、 ２５ 第１導電層、 ２６ 第２絶縁層、 ２７ 第２導電層。

Claims (8)

1. 導体バーを有する固定子コイルであって、
   前記固定子コイルのコーナー部において、
   前記導体バーの外周を覆う第１絶縁層と、
   一方の先端部が前記コーナー部の先端側で前記導体バーに電気的に接続され、他方の先端部が前記第１絶縁層の外表面に配置された導電体と、
   前記第１絶縁層の外周および前記第１絶縁層の外表面に位置する前記導電体を覆う第１導電層と、
   前記第１導電層の外周を覆う第２絶縁層と、
   前記第２絶縁層の外周を覆う第２導電層と
   を備えたことを特徴とする固定子コイル。
2. 前記第１導電層の表面抵抗率および前記第２導電層の表面抵抗率は、１０^２Ω／□から１０^５Ω／□の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の固定子コイル。
3. 前記導電体は、粘着層を備えた金属テープであることを特徴とする請求項１または２に記載の固定子コイル。
4. 前記導体バーは、断面が矩形の素線を束ねて構成されており、
   前記導電体は、前記素線の１本のみに接続されていること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固定子コイル。
5. 前記導電体の幅は、前記素線の幅以下であること
   を特徴とする請求項４に記載の固定子コイル。
6. 円周状に配置されたスロットを有する円環状の固定子鉄心と、
   前記スロットに挿入された請求項１から５のいずれか１項に記載の固定子コイルと
   を備えたことを特徴とする固定子。
7. 請求項６に記載の固定子と、
   この固定子の内周側に前記固定子に対して回転自在に設置された回転子と
   を備えたことを特徴とする回転電機。
8. 導体バーの外周を第１絶縁層で覆う工程と、
   前記導体バーのコーナー部の先端側で導電体の一方の先端部を前記導体バーに電気的に接続し、前記導電体の他方の先端部を前記第１絶縁層の外表面に配置する工程と、
   前記第１絶縁層の外周および前記第１絶縁層の外表面に位置する前記導電体を第１導電層で覆う工程と、
   前記第１導電層の外周を第２絶縁層で覆う工程と、
   前記第２絶縁層の外周を第２導電層で覆う工程と
   を備えたことを特徴とする固定子コイルの製造方法。

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