JP6932942B2 - 固定子およびそれを用いた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、発電機または電動機などの回転電機に用いられる固定子およびそれを用いた回転電機に関する。

従来、発電機または電動機などの回転電機では、基本的な構成として固定子（ステータ）および回転子（ロータ）が用いられる。
例えば、タービン発電機などの発電機では、円筒状の固定子の内側に回転子を配置し、この回転子をタービンなどで回転駆動することで、固定子に設置された誘導コイルに起電力を発生させている。固定子は、主な構成として、誘導コイルに磁束を導くための固定子コア積層体を備えている。
固定子コア積層体としては、厚さ０．３５ｍｍ〜０．６ｍｍ程度の薄板状の電磁鋼板を扇状に切り出して扇状の固定子コア（鉄心）を形成し、この固定子コアを複数枚組み合わせて環状としつつ回転軸方向に積層したものが用いられる。固定子コアの扇状の表面には絶縁用の薄膜が形成され、層間の電気的な導通は遮断されている。

固定子コア積層体を発電機に設置する際には、固定子コア積層体の外周にコアボルトおよび支持リングを配置した構成が採用される。具体的には、固定子コア積層体の外側には、回転軸方向に延びる複数のコアボルトが配置され、さらに、コアボルトの外側には環状の支持リングが複数配置される。そして、コアボルトで固定子コアの環状の組合せおよびそれらの積層を維持しつつ、コアボルトを介して支持リングで締め付けて束ねることで、これらを固定子コア積層体として一体化している。固定子コア積層体は、支持リングを介して発電機に支持される（特許文献１参照）。
固定子コア積層体において、各層の固定子コアの中間部にスルーボルト孔を形成し、各層の孔を一連のスルーボルトで挿通して軸方向に締め付けることで、各層の固定子コアどうしを結合する構成も採用されている（特許文献２参照）。

固定子コア積層体では、固定子コアどうしが異なる２点で接触して導通状態となると、この２点を通る回路によりコア層間電流が生じる。コア層間電流が流れる部分は発熱し、焼損あるいは溶損など損傷する可能性がある。このような導通を防止するため、固定子コアの表面には絶縁被膜が形成される。
固定子コアの表裏の平坦面については、固定子コアを切り出す前に、母材である電磁鋼板の表面に絶縁性材料を塗布している。そのため、固定子コアの表裏の平坦面は絶縁が得られることになるが、一方で、母材である電磁鋼板から切り出された際の切断面にあたる固定子コアの側面部（端面）は、絶縁被膜から母材が露出してしまうこととなり、絶縁が得られない。
前述したコアボルトは、構造上、固定子コアの端面に接触するため、固定子コアに、コアボルトの接触箇所以外の、異物侵入や疵等トラブルにより絶縁が得られなくなった箇所があると、コア層間電流の原因になる。
そこで、切り出し後の固定子コアの端面に、改めて絶縁被膜による絶縁処理が行われる。絶縁被膜としては、シリコンポリマーなどを塗布して形成された平均膜厚０．５μｍ以上のシリコン化合物被膜などが用いられる（特許文献３参照）。

特開２０１６−１０３９５０号公報 特開２０１０−２２０９０号公報 特開２００３−１９３２６３号公報

前述のように、コアボルトと固定子コアの絶縁が得られない箇所を介してコア層間電流が発生するため、固定子コアの表面および端面の全てに絶縁被膜を形成しておけば、コアボルトを用いる構成において、固定子コアどうしの短絡等によるコア層間電流を防止できる。
しかし、固定子コアのコアボルトに当接する部分は、コアボルトと強く接触するため、絶縁被膜が破壊されることがある。とくに、平均膜厚０．５μｍ程度の絶縁被膜は、コアボルトとの接触によって容易に破断され、絶縁性を維持することが難しい。

また、固定子コアの表面および端面の全てに絶縁被膜を形成してなかったとしても、固定子コアの各層間の導通がコアボルト部分だけであり、固定子コアの他の部分（コアボルトより径方向内側の部分）で各層間の絶縁が確保されていれば、コア層間電流は発生しない。しかし、固定子の内部で、異物の侵入による導通が生じたとすると、この異物による導通部分と、コアボルトによる導通部分とを通る回路が形成され、コア層間電流が発生することになる。
例えば、工場での固定子製造工程において、固定子コアのコア積作業やスルーボルト挿入作業時に、固定子コアやスルーボルトに異物が付着することで、固定子コア積層体の内部に異物が侵入することがある。そして、侵入した異物が導電性であり、固定子コア端面に絶縁被膜がない場合、または、異物が絶縁被膜を削り取るようなものである場合には、固定子コアの各層間にコア層間電流が生じ、異物の周辺で発熱して固定子コアの損傷を招く可能性がある。

本発明の目的は、異物の侵入等があってもコア層間電流による損傷を回避できる固定子およびそれを用いた回転電機を提供することにある。

本発明の固定子は、回転電機の固定子であって、電磁鋼板から形成される固定子コアと、複数の前記固定子コアを環状に組み合わせ、積層した固定子コア積層体と、前記固定子コア積層体の外周に配置され、前記固定子コアの組み合わせおよび積層を維持するコアボルトと、前記コアボルトの表面に形成された絶縁被膜と、を有する。

本発明では、コアボルトの表面に形成された絶縁被膜により、各層の固定子コアとこれに当接されるコアボルトとの間が電気的に絶縁され、または導通しても電流が抑制される。このため、異物の侵入などにより固定子の内部で固定子コアの各層間の導通が生じても、コア層間電流を防止または抑制することができ、発熱による固定子コアの損傷を防止できる。

本発明の固定子は、回転電機の固定子であって、電磁鋼板から形成される固定子コアと、複数の前記固定子コアを環状に組み合わせ、積層した固定子コア積層体と、前記固定子コア積層体の外周に配置され、前記固定子コアの組み合わせおよび積層を維持するコアボルトと、絶縁材料または高抵抗材料で形成され、前記コアボルトの表面および前記固定子コアの各々の前記コアボルトに当接する部分の表面の少なくともいずれか一方に張られた絶縁シートと、を有する。

本発明では、塗装や表面処理による絶縁被膜ではなく、絶縁シートによる絶縁を行うため、絶縁被膜より高い機械的強度を得ることができ、コアボルトと固定子コアとが当接する部分であっても破損、摩滅あるいは脱落を防止できる。
そして、耐久性がある絶縁シートにより、各層の固定子コアとこれに当接されるコアボルトとの間が電気的に絶縁され、または導通しても電流が抑制される。このため、異物の侵入などにより固定子の内部で固定子コアの各層間の導通が生じても、コア層間電流を防止または抑制することができ、発熱による固定子コアの損傷を防止できる。

本発明において、絶縁シートとしては、耐久性を有する紙などの繊維質や合成樹脂製不織布などのシート基材に、絶縁材料または高抵抗材料を含浸させたものが利用できる。絶縁シートには、片面に粘着剤を塗布しておくことで、コアボルトあるいは固定子コアの表面に張る作業を容易にすることができる。
絶縁材料としては、固定子コアの層間電圧のもとでも絶縁性が確保できる材料であり、例えばマイカ材（雲母）、その他、加流ゴム（エボナイト）、絶縁ファイバー、シリコン樹脂などの絶縁性樹脂が利用できる。
高抵抗材料としては、固定子コアの層間電圧が印加されても発熱が生じない程度の電気抵抗を有する材料であり、その電気抵抗率としては例えば１Ｋ〜１００ＫΩｍあるいはそれ以上が好ましく、具体的な材料としては例えばペーパーシリンダーや高強度ケイ素セラミックなどが利用できる。

本発明の発電機の固定子において、前記絶縁シートは、絶縁材料としてマイカ材を含有するマイカシートであることが好ましい。
本発明では、絶縁材料としてマイカ材を用いるので、安価で優れた電気的絶縁性を得ることができる。

本発明の発電機の固定子において、前記絶縁シートは、テープ状に形成され、前記コアボルトに巻き付けられていることが好ましい。
本発明では、絶縁シートをテープ状とすることで、コアボルトに巻き付けることでコアボルトに張る作業を効率よく行うことができる。

本発明の回転電機は、前述した本発明の固定子を有することを特徴とする。
本発明では、先に本発明の固定子について説明した通りの効果を得ることができる。

本発明によれば、異物の侵入等があってもコア層間電流による損傷を回避できる固定子およびそれを用いた回転電機を提供することができる。

本発明の一実施形態における固定子を示す斜視図。 前記実施形態における固定子コア単体を示す正面図。 前記実施形態におけるコアボルト部分を示す断面図。 本発明の他の実施形態におけるコアボルト部分を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下には、タービン発電機等の発電機における固定子の例を説明するが、同じく回転電機である送風機や圧縮機等の電動機における固定子についても、発電機の固定子と同様の構造を有していることから、同様の説明をすることができる。すなわち、発電機および電動機を含む回転電機の種々の固定子に対して、本発明を適用することができる。
図１において、固定子１は、タービン発電機に設置されるものであり、円筒状に形成され、内部に回転子（図示省略）が設置される。固定子１に対して、回転子はＡ方向を回転軸とし、Ｒ方向に回転する。
固定子１は、電磁鋼板を切り出して形成された扇状の固定子コア２（図２参照）を繋いで環状に組み合わせ（以下この構成を便宜的にコア層３と称する）、これを複数Ａ方向に積層して形成された固定子コア積層体４を主要構造としている。

固定子コア積層体４の外側には、Ａ方向に延びる複数のコアボルト５が配置され、さらに、コアボルト５の外側には環状の支持リング６が複数配置されている。そして、コアボルト５で固定子コア２の、コア層３となる環状の組合せ、および、固定子コア積層体４となる積層を維持しつつ、コアボルト５を介して支持リング６で締め付けて束ねることで、固定子コア積層体４として一体化している。
固定子コア積層体４は、支持リング６を介して発電機の基礎に支持される。なお、図１では支持リング６を一部図示省略しているが、支持リング６は固定子コア積層体４の全長にわたって所定間隔で配置される。

固定子コア２の貫通孔には、Ａ方向に延びる複数のスルーボルト７が挿通されている。スルーボルト７でコア層３をＡ方向つまり積層方向に締め付けることで、固定子コア積層体４におけるコア層３の積層が確実に維持されている。

固定子コア２には、固定子コア積層体４の内面に臨む側に、多数のスリット８が形成されている。各スリット８は、コア層３を積層することで、固定子コア積層体４の内側にＡ方向に連続する。これらのスリット８により、固定子コア積層体４の内側にはＡ方向に延びる誘導コイル（図示省略）が保持される。

図２において、固定子コア２は、表裏に絶縁被膜が形成された電磁鋼板から扇状に切り出されたものである。
固定子コア２の外周側（図２下側）には、コアボルト５が係合可能な半円形の切欠きが形成されている。
固定子コア２の略中央にはスルーボルト７を挿通させるための円形の孔が形成され、固定子コア２の両側縁の中間にはスルーボルト７を挿通させる半円形の切欠きが形成されている。

固定子コア２の内周側（図２上側）には多数のスリット８が形成されている。
固定子コア２の表面および裏面には、半径方向に連続した凹溝が多数形成されている。これらの凹溝は、コア層３として積層した際に他の層の凹溝と向かい合わせられ、固定子コア積層体４の内周側と外周側とを連通する冷却用空気通路を形成する。

図３において、コアボルト５の表面には、固定子コア積層体４に組み込まれる前に、全周面にわたって絶縁被膜が形成されている。
絶縁被膜を形成する手法としては、例えば、コアボルト５の表面に絶縁シートを被覆する手法や、コアボルト５自体の表面層に酸化被膜を形成する手法等が考えられる。
以下の説明では、説明を簡単にするために、絶縁層および絶縁シートの例として、マイカテープを用いる場合を例に説明するが、マイカテープを用いる場合に限定されるものではない。
コアボルト５の表面には、固定子コア積層体４に組み込まれる前に、全周面にわたってマイカテープ９が巻かれている。マイカテープ９は、繊維質基材にマイカ材を含有させた絶縁シートである。マイカテープ９は裏面に粘着剤を有する粘着テープとされており、この粘着剤によりコアボルト５の表面に粘着固定されている。

このような本実施形態では、絶縁性のマイカテープ９を介してコアボルト５と固定子コア２が当接され、各々の間では電気的に絶縁される。そして、固定子コア積層体４の各コア層３は、コアボルト５部分で互いに導通することが防止される。その結果、固定子コア積層体４の内部で、異物による各層間の導通が生じたとしても、コア層間電流およびこれに伴う発熱ないし損傷を防止することができる。
さらに、マイカテープ９は、絶縁材料であるマイカ材を基材に含浸させたものであり、基材の機械的強度が塗装や表面処理による絶縁被膜より十分大きいため、コアボルト５と固定子コア２とに挟まれても破損、摩滅あるいは脱落を防止できる。
その結果、本実施形態の固定子１では、異物の侵入等があってコア層間電流による損傷を回避することができる。

前述した実施形態では、コアボルト５にマイカテープ９を巻いて絶縁シートとし、コアボルト５と固定子コア２との間を電気的に絶縁した。
これに対し、図４に示すように、固定子コア２の切欠き部分にマイカテープ９を張り付けるようにしてもよい。この場合でも、コアボルト５と固定子コア２との間を電気的に絶縁することができる。

また、絶縁シートとしては、マイカテープ９のようにテープ状に限らず、縦横に広いシート状であってもよい。そして、絶縁材料としてはマイカ材に限らず、他の物質であってもよい。
さらに、絶縁シートは、電気的に絶縁が得られるものに限らず、導通はするが大電流を抑制できる高抵抗材料を含浸させたものとしてもよい。このような高抵抗材料があることで、コアボルト５と固定子コア２との間にコア層間電流が流れる状態となっても、電流が抑制されて過大な発熱を抑制でき、損傷を防止することができる。

前述した実施形態において、スルーボルト７と固定子コア２との接触部分については特に説明しなかったが、これらの間にも適宜絶縁シートを介在させてもよい。例えば、スルーボルト７にマイカテープ９を巻いて固定子コア２との絶縁を図ってもよい。
また、スルーボルト７と固定子コア２との間は既存の絶縁被膜による絶縁としてもよい。スルーボルト７と固定子コア２とは基本的に大きな荷重がかからないので絶縁被膜でも破壊されにくく、破壊されたとしても、コアボルト５のマイカテープ９によりコアボルト５を通してコア層間電流が生じることは防止できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態におけるスルーボルト７は省略してもよく、固定子コア２の形状、固定子１としての形態なども適宜選択できる。

本発明は、発電機または電動機などの回転電機に用いられる固定子およびそれを用いた回転電機として利用できる。

１…固定子、２…固定子コア、３…コア層、４…固定子コア積層体、５…コアボルト、６…支持リング、７…スルーボルト、８…スリット、９…絶縁シートであるマイカテープ。

Claims (4)

1. 回転電機の固定子であって、
   表裏に絶縁被膜が形成された電磁鋼板から形成される固定子コアと、
   複数の前記固定子コアを環状に組み合わせ、積層した固定子コア積層体と、
   前記固定子コア積層体の外周に配置され、前記固定子コアの組み合わせおよび積層を維持する外周に配置された環状の支持リングによって締め付けられたコアボルトと、
   絶縁材料または高抵抗材料で形成され、前記コアボルトの表面、または前記固定子コアの各々の前記コアボルトに当接する部分を含む前記固定子コアの端面の一部の表面のみの少なくともいずれか一方に張られた絶縁シートと、を有する固定子。
2. 前記絶縁シートは、絶縁材料としてマイカ材を含有するマイカシートである、請求項１に記載の固定子。
3. 前記絶縁シートは、裏面に粘着剤を有するテープ状に形成され、前記コアボルトに巻き付けられ前記コアボルトの表面に粘着固定されている、請求項１または請求項２に記載の固定子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載した固定子を有する、回転電機。

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