JP7153437B2 - Rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、電動機、発電機、誘導機などの回転電機に関し、特に、部分放電が発生するような高電圧で駆動され、部分放電劣化に対して耐久性を有するマイカを絶縁物に含む回転電機に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to rotating electric machines such as electric motors, generators, and induction motors, and in particular, rotating electric machines that are driven at a high voltage that causes partial discharge and that include mica as an insulator, which has durability against partial discharge deterioration. Regarding.
省エネ・省資源化・環境低負荷化などの観点から、回転電機の小型化および製造リードタイムの短縮が重要な課題の一つとして挙げられている。近年、回転電機の使用材料を削減すべく、回転電機の小型化技術の開発が盛んになっている。 From the viewpoint of saving energy, saving resources, and reducing the burden on the environment, miniaturization of rotating electric machines and shortening of manufacturing lead time are cited as one of the important issues. 2. Description of the Related Art In recent years, in order to reduce the materials used in rotating electric machines, development of downsizing technologies for rotating electric machines has become active.
小型化技術の1手段として、放熱性向上のための絶縁薄肉化(もしくは簡略化)が重要となっている。また、製造ランニングコストの低減の観点から絶縁薄肉化が可能となれば、絶縁物をテーピングする工程を短縮することが可能となり、過剰な設備稼働を押さえることができる。 As one means of downsizing technology, thinning (or simplification) of insulation for improving heat dissipation is becoming important. In addition, if it becomes possible to reduce the thickness of the insulation from the viewpoint of reducing the manufacturing running cost, the process of taping the insulation can be shortened, and excessive equipment operation can be suppressed.
しかし、絶縁薄肉化(もしくは簡略化)するということは、コイルとコアの間の電界が高くなり大きな電荷をもつ放電が生じてしまい、回転電機の信頼性を損なう恐れがある。そのため、絶縁薄肉化しつつ高い絶縁性を担保する必要がある。 However, thinning (or simplification) of the insulation increases the electric field between the coil and the core, causing discharge with a large amount of electric charge, which may impair the reliability of the rotating electric machine. Therefore, it is necessary to ensure high insulation while reducing insulation thickness.
従来技術では、定格電圧が1kV程度の、例えば車両用の回転電機では、ガラス絶縁で被覆されたバー状の素線を複数本纏めて素固めし、絶縁素線の束の表層にマイカテープを巻き回す構成が主となっている(例えば特許文献1参照)。また、3kV以上の高圧一般産業用の回転電機では、マイカ絶縁で被覆された素線を複数本纏めた束の表層にマイカテープを巻き回す構成も採用されている(例えば特許文献2参照)。 In the conventional technology, for example, in a rotating electrical machine for a vehicle with a rated voltage of about 1 kV, a plurality of bar-shaped strands coated with glass insulation are bundled together and solidified, and mica tape is applied to the surface layer of the bundle of insulated strands. It is mainly configured to be wound (see Patent Document 1, for example). In addition, in general industrial rotating electric machines with a high voltage of 3 kV or higher, a configuration is adopted in which a mica tape is wound on the surface layer of a bundle of a plurality of strands coated with mica insulation (see, for example, Patent Document 2).
背景技術で述べたように、ここ近年において、回転電機の小型化・製造プロセスの簡易化は重要な課題となっているが、信頼性とのバランスを適正化する必要がある。その一方で、絶縁材料技術の進歩も著しい。 As described in Background Art, in recent years, miniaturization and simplification of the manufacturing process of rotating electric machines have become important issues, but it is necessary to properly balance them with reliability. On the other hand, the progress of insulating material technology is also remarkable.
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、機器の小型化、絶縁寿命の適正化と製造コストの低減を両立可能な回転電機を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a rotating electric machine capable of achieving both miniaturization of equipment, optimization of insulation life, and reduction of manufacturing cost.
本発明の「回転電機」の一例を挙げるならば、
回転子と固定子を備え、前記固定子が、固定子コアと、前記固定子コアのスロット内に装着される固定子コイルにより構成される回転電機であって、前記固定子コイルは、素線導体と該素線導体の表面に被覆した第1の絶縁体である素線絶縁から構成される絶縁素線を、巻き回して束ねて巻線束を形成し、該巻線束の周囲に第2の絶縁体である主絶縁を形成したものであり、前記第1の絶縁体である素線絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、前記第2の絶縁体である主絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、前記第1の絶縁体である素線絶縁に絶縁性能が高い、マイカを含む絶縁体またはナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁体を用い、前記第2の絶縁体である主絶縁に前記第1の絶縁体より絶縁性能が低い、ガラス材を含む絶縁体を用いたものである。
To give an example of the "rotating electric machine" of the present invention,
A rotating electric machine comprising a rotor and a stator, wherein the stator is composed of a stator core and stator coils mounted in slots of the stator core, wherein the stator coils are composed of strands of wire. An insulated wire composed of a conductor and a wire insulation that is a first insulator coated on the surface of the wire conductor is wound and bundled to form a winding bundle, and a second wire is wound around the wire bundle. The main insulation that is an insulator is formed, the wire insulation that is the first insulator is a wound tape-shaped insulator, and the main insulation that is the second insulator is , A tape-shaped insulator is wound, and an insulator containing mica or an insulator composite with nanoparticles or sub-nanoparticles, which has high insulation performance for the wire insulation that is the first insulator, is used, An insulator containing a glass material having lower insulating performance than the first insulator is used for the main insulator, which is the second insulator.
本発明によれば、機器の小型化、絶縁寿命の適正化と製造コストの低減を両立可能な回転電機を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a rotating electric machine capable of achieving both miniaturization of equipment, optimization of insulation life, and reduction of manufacturing cost.
図1は、回転電機の全体を示す回転軸(シャフト)方向の断面図であり、全実施例において共通するものである。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。 FIG. 1 is a cross-sectional view of the entire rotary electric machine in the direction of the rotation axis (shaft), which is common to all the embodiments. In addition, in each drawing for describing the embodiments, the same component is given the same name and reference numeral, and the repeated description thereof is omitted.
回転電機は、回転軸(シャフト)8に取り付けられて回転する回転子9と、回転子9の周りに配置された固定子2を備えている。
The rotating electric machine includes a
固定子2は、固定子コア4と固定子コア4に装着された固定子コイル3とで構成される。固定子コア4は複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成され、この固定子コア4の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数のスロットが形成される。そして、これら複数のスロット内に固定子コイル3の直線部が装着される。さらに、図示していないが、固定子コア4の外径側を支持する固定子枠と、この固定子枠の軸方向両端部に固定される端板と、この端板に前記回転軸8を支える軸受を備えている。
The
以下、本発明の回転電機の第1の実施の形態を、図2に基づいて説明する。図2は、固定子コア4のスロット5内に装着された固定子コイル3の断面図を示している。
A first embodiment of the rotating electric machine of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the
固定子コイル3は、素線導体10と、この素線導体10の表面に形成された素線絶縁11(第1の絶縁)からなる絶縁素線15を巻き回して巻線束を形成し、その素線絶縁11された巻線束の表面に主絶縁12(第2の絶縁)を形成する。固定子コイル3は、図1に示すように、固定子コア4のスロット5内に装着される直線部31と、スロット5外に張出したコイルエンド部32から構成されている。
The
固定子コイル3の製造は、先ず角面取りした矩形の銅導線(素線導体10)に素線絶縁11を巻きまわす。そして、その絶縁された絶縁素線15を電気設計に応じた数に束ねる。後述の理由で、素線間には素固め材20を介する。これらの素線束を主絶縁12(第2の絶縁)で巻きまわした後に、固定子コイル3の全体をエポキシ樹脂で含浸して固着する。
In the manufacture of the
素線絶縁11は、絶縁性能の高い、例えば、マイカテープを巻きまわして構成する。これは、コイル近傍においてはその幾何構造から角部や空隙部などで電界が集中しやすく放電が発生しやすいため、マイカなどの放電が発生しても絶縁劣化しにくい材料を適用する必要がある。
The
図2に示すように、通常、隣接する絶縁コイルの間には素固め材20を用いる。これは、コイル引き曲げ時においてコイルがばらばらになるのを防止するためである。
As shown in FIG. 2, a
スロット5内に固定子コイル3の直線部31を装着する際、主絶縁12を施した固定子コイル3を、スロット5の開口側に楔(図示しない)を嵌着してスロット5内に強固に支持する。
When the
第2の絶縁層である主絶縁12については、素線絶縁11よりも絶縁性が低い絶縁材を適用する。これは、第2の絶縁領域での電気的なストレスが、第1の絶縁である素線絶縁11より電気的ストレスが低いためである。また、製造コストの観点からも、第2の絶縁である主絶縁12は絶縁を施す領域がより大きいため、より簡素な安価な絶縁材を適用することが望ましい。
For the
主絶縁12には、絶縁性能の低い、例えば、ガラステープなどを適用する。マイカ巻絶縁より絶縁性能が低くても、回転電機全体として絶縁試験を満足すれば問題ない。製造リードタイムが短くて済むものを優先することにより、製造原価を抑えることができる。
For the
従来構造では、部分放電が多発する第1の絶縁に対しポーラスなガラス絶縁を適用するため部分放電劣化が早くなるが、本実施例では第1の絶縁に部分放電耐性に優れたマイカ絶縁を使用するため、放電劣化を緩和することが可能になる。そして、第1の絶縁に絶縁性能の高い材料を使用することにより、第2の絶縁である主絶縁の厚みを薄くすることができ、絶縁物の総合的な厚みを薄くすることが可能となる。また、主絶縁の厚みを薄くすることにより、絶縁テープの巻き回し量が減り、製造リードタイムの短縮が可能となる。従来構造では、主絶縁にマイカテープを使用していたが、本実施例では主絶縁に比較的安価なガラス絶縁を使用するため、製造コストの低減が可能になる。 In the conventional structure, porous glass insulation is applied to the first insulation where partial discharge occurs frequently, which accelerates partial discharge deterioration, but in this embodiment, mica insulation with excellent partial discharge resistance is used for the first insulation. Therefore, it becomes possible to alleviate discharge deterioration. By using a material with high insulation performance for the first insulation, the thickness of the main insulation, which is the second insulation, can be reduced, and the overall thickness of the insulator can be reduced. . Also, by reducing the thickness of the main insulation, the winding amount of the insulating tape can be reduced, making it possible to shorten the manufacturing lead time. In the conventional structure, mica tape was used for the main insulation, but in this embodiment, relatively inexpensive glass insulation is used for the main insulation, so that the manufacturing cost can be reduced.
本実施例によれば、素線絶縁に絶縁性能が高いマイカテープを用いることにより、コイル近傍の絶縁性を強化しつつ、製造リードタイムの短縮、機器の小型化が可能となり、主絶縁として安価なガラステープを用いることにより、製造コストの低減が可能となる。 According to this embodiment, by using mica tape with high insulation performance for the wire insulation, it is possible to shorten the manufacturing lead time and downsize the equipment while strengthening the insulation near the coil, and it is inexpensive as the main insulation. By using such a glass tape, it is possible to reduce the manufacturing cost.
以下、本発明の回転電機の第2の実施の形態を、図3に基づいて説明する。 A second embodiment of the rotating electric machine of the present invention will be described below with reference to FIG.
実施例1と同様に、第1の絶縁である素線絶縁11は、第2の絶縁である主絶縁12よりも絶縁性能に優れる絶縁材を適用する。例えば、実施例1と同様に、第1の素線絶縁11にはマイカテープを適用し、第2の絶縁である主絶縁12には、比較的安価なガラステープを適用する。ただし、実施例2では、実施例1で設けた絶縁素線15の間の素固め材20を用いない。
As in the first embodiment, the
これは、素固め材20を設けるのは、コイル配置のバラつきが生じ、それにより発生する絶縁面での弱点(空隙やボイドなど)が発生するのを防止するためであるが、素線絶縁11の強度が強いため多少のバラつきが発生しても問題無いためである。
This is because the reason why the hardening
本実施例によれば、素固め材を設けないため、製造リードタイムの短縮や製造コストの低減が可能となる。 According to this embodiment, since no hardening material is provided, it is possible to shorten the manufacturing lead time and reduce the manufacturing cost.
以下、本発明の回転電機の第3の実施の形態を、図4に基づいて説明する。 A third embodiment of the rotating electrical machine of the present invention will be described below with reference to FIG.
本実施例は、インバータ駆動機におけるインバータサージに対応した絶縁適正化構成を備えるものである。インバータ(電力変換装置)では、高速スイッチングを行って矩形波を出力しており、その波形の急峻な立ち上がりによって、サージ電圧を発生する。インバータ駆動機においては、サージ電圧の分担電圧の大部分が過渡的に口出しに近い固定子コイルの第1ターンに掛かるため、ここの絶縁を強化する必要がある。 This embodiment is provided with an insulation optimization configuration corresponding to an inverter surge in an inverter-driven machine. An inverter (power conversion device) performs high-speed switching to output a rectangular wave, and a surge voltage is generated due to the steep rise of the waveform. In inverter-driven machines, most of the surge voltage is transiently applied to the first turn of the stator coil near the lead, so it is necessary to strengthen the insulation there.
インバータ駆動の回転電機において、固定子コイル3の口出しに近い第1ターンの素線絶縁111に最も絶縁性が優れた材料を適用する。その他のターンの素線絶縁11には、第1ターンよりも絶縁性が同等もしくは低い絶縁材を適用する。例えば、低圧機に対して、第1ターンの素線絶縁111にのみマイカ巻絶縁を適用し、他の素線絶縁11にはガラス巻絶縁を適用する。
In an inverter-driven rotating electric machine, a material with the highest insulating properties is applied to the
本実施例によれば、インバータ駆動の回転電機において、固定子コイルの口出しに近い第1ターンの素線絶縁に絶縁性が優れた材料を用いたので、サージ電圧に対応して絶縁性を強化することができる。また、その他のターンの素線絶縁に、第1ターンよりも絶縁性の低い材料を用いることにより、製造コストを抑えることができる。 According to this embodiment, in the inverter-driven electric rotating machine, a material with excellent insulation is used for the wire insulation of the first turn near the lead of the stator coil, so that the insulation is strengthened against surge voltage. can do. Also, by using a material with lower insulating properties than the first turn for wire insulation of other turns, the manufacturing cost can be suppressed.
素線絶縁11に使用する、絶縁性能が高い材料としては、マイカ材料の他にも、ナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁材を使用しても良い。ナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁材は、ナノ粒子の微細構造により放電劣化パスを長くすることで、絶縁体の寿命を延ばすものである。
As a material having high insulating performance to be used for the
第1の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれa1(V/m)、b1(m)とし、第2の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれa2(V/m)、b2(m)とした絶縁設計について説明する。 Let the insulation design electric field and thickness of the first insulator be a1 (V/m) and b1 (m) respectively, and the insulation design electric field and thickness of the second insulator be a2 (V/m) and b2 (m) respectively. I will explain the insulation design.
ここで、a1×b1>a2×b2の関係を満たすように絶縁設計する場合、設計電界値は限界のある値であり、第1の絶縁物にかかる絶縁距離を大きく取ることになる。これにより、第1の絶縁物に生じうる局所的な電気的なストレスを低減することが可能になる。局所的なストレスは、コイル角Rやボイドや剥離によるものである。 Here, when the insulation is designed so as to satisfy the relationship a1×b1>a2×b2, the design electric field value is a limited value, and a large insulation distance is required for the first insulator. This makes it possible to reduce local electrical stress that may occur in the first insulator. Localized stress is due to the coil angle R, voids and delamination.
以上の各説明は、車両用、一般産業用の電動機や風力発電機などの回転電機を例として説明したが、その他の分野の電動機や発電機など、回転電機一般にも適用できるのは勿論である。 Each of the above explanations has been given with examples of rotating electric machines such as electric motors for vehicles and general industrial use and wind power generators, but it is of course applicable to rotating electric machines in general, such as electric motors and generators in other fields. .
2…固定子
3…固定子コイル
31…直線部
32…コイルエンド部
4…固定子コア
5…スロット
8…回転軸(シャフト)
9…回転子
10…素線導体
11…素線絶縁(第1の絶縁)
12…主絶縁(第2の絶縁)
15…絶縁素線
20…素固め材
111…第1ターンの素線絶縁
2...
9...
12... Main insulation (second insulation)
15...
Claims (7)
前記固定子コイルは、素線導体と該素線導体の表面に被覆した第1の絶縁体である素線絶縁から構成される絶縁素線を、巻き回して束ねて巻線束を形成し、該巻線束の周囲に第2の絶縁体である主絶縁を形成したものであり、
前記第1の絶縁体である素線絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、
前記第2の絶縁体である主絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、
前記第1の絶縁体である素線絶縁に絶縁性能が高い、マイカを含む絶縁体またはナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁体を用い、前記第2の絶縁体である主絶縁に前記第1の絶縁体より絶縁性能が低い、ガラス材を含む絶縁体を用いた回転電機。 A rotating electric machine comprising a rotor and a stator, wherein the stator comprises a stator core and stator coils mounted in slots of the stator core,
In the stator coil, an insulating wire composed of a wire conductor and a wire insulation that is a first insulator coated on the surface of the wire conductor is wound and bundled to form a winding bundle. A main insulation, which is a second insulator, is formed around the winding bundle,
The wire insulation that is the first insulator is a tape-shaped insulator wound around,
The main insulation, which is the second insulator, is a tape-shaped insulator wound around,
An insulator containing mica or an insulator obtained by compositing nanoparticles or sub-nanoparticles, which has high insulation performance, is used for the wire insulation that is the first insulator, and the main insulator that is the second insulator is the first insulator. A rotary electric machine using an insulator containing a glass material whose insulating performance is lower than that of the insulator.
前記第1の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれa1(V/m)、b1(m)とし、前記第2の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれa2(V/m)、b2(m)とした場合に、
a1×b1>a2×b2 の関係を満たす回転電機。 In the rotary electric machine according to claim 1,
Let the insulation design electric field and thickness of the first insulator be a1 (V/m) and b1 (m), respectively, and the insulation design electric field and thickness of the second insulator be a2 (V/m) and b2 ( m), then
A rotary electric machine that satisfies the relationship a1×b1>a2×b2.
絶縁素線間に素固め材を備える回転電機。 In the rotary electric machine according to claim 1,
A rotary electric machine having a hardening material between insulated wires.
絶縁素線間に素固め材を備えることなく、隣接した絶縁素線が接触している回転電機。 In the rotary electric machine according to claim 1,
A rotating electrical machine in which adjacent insulated wires are in contact without providing a hardening material between the insulated wires.
定格電圧が1kV以上である回転電機。 In the rotary electric machine according to claim 1,
A rotating electrical machine with a rated voltage of 1 kV or higher.
前記回転電機は、車両用のモータである回転電機。 In the rotary electric machine according to claim 1,
The rotating electrical machine is a motor for a vehicle.
前記固定子コイルは、素線導体の表面に素線絶縁を被覆して絶縁素線を形成し、該絶縁素線を巻き回して束ねて巻線束を形成し、該巻線束の周囲に主絶縁を形成したものであり、
前記素線絶縁は、絶縁性能が高いマイカテープを巻き回したものであり、
前記主絶縁は、安価なガラステープのみを巻き回したものである回転電機。 A rotating electric machine comprising a rotor and a stator, wherein the stator comprises a stator core and stator coils mounted in slots of the stator core,
In the stator coil, the surface of the wire conductor is coated with wire insulation to form an insulated wire, the insulated wire is wound and bundled to form a winding bundle, and the main insulation is provided around the wire bundle. and
The wire insulation is wound with mica tape having high insulation performance,
A rotary electric machine in which the main insulation is wound only with an inexpensive glass tape.
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