JPH11234929A

JPH11234929A - 発電機固定子

Info

Publication number: JPH11234929A
Application number: JP3583898A
Authority: JP
Inventors: Shuya Hagiwara; 修哉萩原; Mitsuru Onoda; 満小野田; Hiroyuki Kamiya; 宏之神谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】固定子コアとコイル導体との間の熱膨張差を
縮小し、その結果として絶縁層に加わる応力を緩和する
ことで、絶縁層の絶縁信頼性が高く、かつ運転寿命が長
い発電機を提供する。【解決手段】珪素鋼板を積層した複数個のコアブロッ
クの各々を隣接するコアブロック間に冷却媒体の流路を
確保するためのダクトスペーサを介して並置し、周囲を
絶縁層で覆ったコイル導体の固定子コイルを前記コアブ
ロックに設けた溝に挿通して組込み、前記ダクトスペー
サの材料の線膨張率を、前記コアブロックを形成する前
記珪素鋼板の線膨張率より大きくしてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電機の固定子に
係り、特に、固定子コアと固定子コイルとの運転時の温
度上昇による熱膨張の差異に基づく絶縁層の劣化を防止
した発電機の固定子に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の発電機は、回転子と固定子とか
ら成り、該発電機の回転子の周囲に同軸状に固定子が配
置されている。該固定子には、固定子コアが配置され、
該固定子コアには溝が設けられており、該溝に固定子コ
イルが組込まれ、前記固定子コイルは内部導体と絶縁層
とからなっている。

【０００３】前記発電機の固定子コイル導体は、運転
中、その負荷電流により損失が生じて、その内部導体の
温度が上昇し、比較的大きな熱膨張を行う。一方、固定
子コアは、コイル導体の熱を吸収し、周囲の冷却媒体に
放熱する役割を担うことから、運転時の温度上昇は、通
常、前記コイル導体よりも小さく、また固定子コアの材
料の特性から運転時の熱膨張は、コイルの内部導体より
も小さいものとなっている。

【０００４】従ってコイル導体と固定子コアとの間に
は、熱膨張に差が生じて、両者間に介在するコイル絶縁
層に応力が加わり、歪が生じる。そして、長時間の運転
中に温度差に基づく繰り返し歪が加わると絶縁層が剥離
したり、亀裂が生じて絶縁特性が劣化し、最悪の場合に
は、絶縁破壊が起こり、事故につながる恐れがある。前
記絶縁層が剥離したり亀裂を生じたりして絶縁特性が劣
化するのを防ぐために、コイル導体と固定子コアとの間
に弾性材を介在させて応力緩和層として応力の緩和をさ
せ、歪を防ぐ手段が提案されている（例えば、特開平6-
38424号公報、特開平9-9589号公報参照）。また固定子
コアとコイル絶縁層を摺動させて応力を避ける手段も提
案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、応力緩和層
を設ける手段は、小容量の発電機には有効であるが、熱
膨張に伴う変位が大きい大容量の大形発電機に適用する
には限界がある。また他方、固定子コアとコイル絶縁層
間を摺動させる手段を備えた構造のものは、その端部ほ
ど固定子コアとコイルとの相対変位が拡大することにな
り、その変位拡大部分での摩擦力が高くなり該摩擦によ
る絶縁層の損傷が大きくなる。従っていずれの手段の構
造のものでも、固定子コアとコイル導体とを一体に強固
に樹脂含浸固着する発電機においては、応力低減効果を
十分に発揮できないこととなる。そして絶縁層の剥離、
亀裂による絶縁性能低下の懸念も解消できない。

【０００６】本発明は、このような点に鑑みてなされた
ものであって、その目的とするところは、固定子コアと
コイル導体との間の熱膨張差を縮小し、その結果として
絶縁層に加わる応力を緩和することで、絶縁層の絶縁信
頼性が高く、かつ運転寿命が長い発電機を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明の発電機固定子は、基本的には、珪素鋼板を積層
した複数個のコアブロックの各々を隣接するコアブロッ
ク間に冷却媒体の流路を確保するためのダクトスペーサ
を介して並置し、周囲を絶縁層で覆ったコイル導体の固
定子コイルを前記コアブロックに設けた溝に挿通して組
込み、前記ダクトスペーサの材料の線膨張率を、前記コ
アブロックを形成する前記珪素鋼板の線膨張率より大き
くしたことを特徴としている。

【０００８】そして、本発明の発電機固定子の具体的な
態様としては、前記ダクトスペーサの材料の20℃におけ
る線膨張率の値が、12×10^-6（Ｋ^-1）を越える材料であ
り、前記固定子コアに組込む前記固定子コイルの絶縁層
が、マイカ、樹脂、及び添加物を含んでおり、該添加物
の熱伝導率がマイカあるいは樹脂より大きいことを特徴
としている。

【０００９】このように構成された本発明の発電機固定
子は、従来の発電機の固定子コアの熱膨張量がコイル導
体の熱膨張量より小さいことによって絶縁層に応力が生
じるのを回避するものであって、固定子コアの熱膨張量
を固定子コイルの熱膨張量に近づけ、運転時の温度上昇
による前記固定子コアと前記固定子コイルの相対変位を
縮小し、発生応力を緩和することができる。そして固定
子コイルのコイル導体と固定子コアに挟まれる絶縁層に
加わる応力を軽減し、該絶縁層の剥離や亀裂といった劣
化現象を防ぎ、絶縁層の信頼性の向上とコイル寿命の伸
長を図ることができる。

【００１０】また、前記固定子コアの熱膨張量を拡大す
る手段として前記固定子コアに冷却ダクトを設けるため
のダクトスペーサの材料として、前記固定子コアの材料
よりも熱膨張率の大きい材料を用い、温度上昇時に冷却
ダクトの寸法を拡大して、前記固定子コアの全体の寸法
を大きくしている。そして、本発明の発電機固定子の具
体的な他の態様としては、前記基本的な構成に付加し
て、前記コアブロックに設けられた溝の中を前記固定子
コイルが摺動可能に組込まれ、前記コアブロックと前記
固定子コイルの絶縁層との接触面に、該固定子コイルの
絶縁層よりも弾性率が小さい材料から成る緩衝材を備え
たことを特徴としている。

【００１１】また、本発明の発電機固定子の具体的な更
に他の態様としては、前記基本的な構成に付加して、前
記固定子コアに固定子コイルを組込んだ後に、全体を一
体として樹脂含浸固着したことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施形態の発電
機１の主要な構造を示した部分断面図である。該発電機
１の回転子２の周囲には、同軸状に固定子（固定子コ
ア）３が配置され、該固定子３には、スロットと呼ばれ
る溝３ａ、３ａ、・・・が設けられており、該溝３ａ、３
ａ、・・・に固定子コイル4a,4b,…,4h,4i,…が組込まれて
いる（図１の回転子２は、説明の都合上、一部を切り欠
いて描いてある）。前記固定子２に前記固定子コイル4
a,4b,…,4h,4i,…を取り付けるためには、ウェッジやス
ペーサ等のいくつかの部材が用いられるが、図１ではそ
の図示を省略している。

【００１３】前記固定子３は、多数のコアブロック31a,
31b,31c,…を並べて構成したものであり、各コアブロッ
ク31a,31b,31c,…間には、冷却ダクト32a,32b,32c,…を
設けている。該冷却ダクト32a,32b,32c,…を形成するた
めには、ダクトスペーサ32d1,32d2,32d3,32d4…が配置
されている（図１では、前記冷却ダクト32dに配置され
た前記ダクトスペーサ32d1,32d2,32d3,32d4…が見える
ように固定子２を切り欠いて示している。

【００１４】図２は、図１に示した発電機１の回転軸10
を含む一断面を示した図である。発電機１のn個のコア
ブロック31a,31b,31c,…,31nは、前記ダクトスペーサ32
a,32b,32c,…,32mを介して並べられ、両端にエンドプレ
ート36a,36bを配して、ロッド37で締め付けて固定され
ている。コアブロック31a,31b,31c,…,31nはキーバー38
（38i,38j,38k,…）で保持されている。このようにコア
ブロック31a,31b,31c,…,31n、ダクトスペーサ32a,32b,
32c,…,32mとそれらの支持構造体よりなる固定子３に
は、固定子コイル4i,4j,4kが組込まれると共に、中心に
は回転子２が挿入されている。

【００１５】図３は、前記発電機１の回転軸10と直交す
る一断面を示した図で、円形状の断面の内の半分だけを
図示しており、図２のIIIーIII矢視の冷却ダクト32dの
位置を示している。前記回転子２を囲むコアブロック31
eには、固定子コイル4i,4j,4kが貫通しており、また、
外周はキーバー38i,38j,38k,…で、エンドプレート36a
と対向するエンドプレート36b（図３には表わせない）
に取り付けられている。

【００１６】コアブロック31a,31b,31c,…,31nを軸方向
に締め付けるロッド37i,37j,37k,…は、コアブロック31
a,31b,31c,…,31nの外周から離れ、間隔をおいた位置に
取り付けられている。そしてコアブロック31eには、冷
却ダクトを構成するための本実施形態に直接係わるダク
トスペーサ32di,32dj,32dk,…が略放射状に取り付けら
れている。

【００１７】図４は、前記固定子コア３に組み込まれた
２本の固定子コイル4a,4bの一断面を示している。前記
固定子コア３は、複数のコアブロック31a,31b,31c,…と
ダクトスペーサ32a,32b,32c…を交互に配置して構成さ
れる。固定子コイル4a,4bは、通常は銅の材料で作られ
る内部導体41a,41bと、通常はマイカ片を合成樹脂で固
めて構成される絶縁層42a,42b,42c,42dから構成され
る。前記固定子コア３と固定子コイル4a,4bは、ウェッ
ジ43で固定され、その他にスペーサ部材等が用いられる
が、図示は省略している。

【００１８】このように、構成された本実施形態の発電
機１の動作について説明する。運転中の発電機１の固定
子コイル4a,4b，・・・の導体には、発電機１の出力となる
電流が流れるために損失が生じ、温度が上昇する。一
方、定期点検などで運転が止まると、前記コイル導体の
温度は、周囲温度まで下がる。また、電力負荷調整用の
発電機１では、１日の間に運転と停止を行うような運転
形態をとる場合もあり、温度の昇降が頻繁に繰り返され
ることになる。

【００１９】ここで、図４に示すコイル内部導体4a,4b
は、温度の昇降時に膨張、収縮し、特にコイルの長手方
向の端部には大きな変位が生じる。この時、固定子コア
３には、内部導体4a,4bの熱が絶縁層42a,42b,42c,42dを
通して伝わり、同様に熱膨張、収縮する。しかし、絶縁
層42a,42b,42c,42dは、断熱作用も大きいこと、加えて
固定子コア３は、冷却ダクトを流れる周囲の媒体、通常
は空気や水素ガスで冷却されるため、固定子コア３は、
コイル内部導体4a,4bより温度上昇が小さい。さらに、
これまでダクトスペーサ32a,32b,32c…として用いられ
ている鋼材は、銅材を用いる内部導体4a,4bより熱膨張
率も小さい。これらのことから、コイル内部導体4a,4b
と固定子コア３が無拘束だと仮定すると、熱膨張時に寸
法差が生じる。現実には、絶縁層42a,42b,42c,42dを介
して相互に拘束しあうため、熱膨張の差は、絶縁層42a,
42b,42c,42dに加わる応力となる。例えば１日に一回運
転、停止する発電機では毎日応力変化を受けることにな
る。

【００２０】絶縁層42a,42b,42c,42dは、通常はマイカ
片を合成樹脂で固めて構成されているために、応力が加
わると歪が生じ、これが繰り返されると絶縁層に剥離や
亀裂が生じる危険がある。剥離や亀裂のできた絶縁層は
絶縁耐力が急激に低下するために、絶縁が破壊する事故
につながる恐れがある。本実施形態の発電機１において
は、ダクトスペーサ32a,32b,32c…、32mをコアブロック
を構成する珪素鋼板よりも熱膨張率が大きい材料で構成
したものである。このために、運転時の温度上昇により
コイル内部導体4a,4bが熱膨張した時に、固定子コア３
の熱膨張量をより大きくすることで、両者の変位差を縮
小し、絶縁層42a,42b,42c,42dに加わる応力を低減する
ことができ、絶縁層の劣化の抑制につながる効果が得ら
れる。

【００２１】本実施形態の前記効果を、図４を用いて定
量的に説明する。前記構造体の熱膨張は、次の式(1)で
表わされる。

【００２２】

【数１】Ｌ’＝Ｌ×（１＋α×ΔＴ） (1)

【００２３】ここで、Ｌ’は温度上昇後の長さ、Ｌは温
度上昇前の長さ、αは材料の線膨張率、ΔＴは温度上昇
である。次の表１は、理科年表から抜き出した各種材料
の線膨張率を示したものである。

【００２４】

【表１】

【００２５】通常、銅材を用いるコイルの内部導体4a,4
bの熱膨張の度合いは、温度の上昇・下降に依存して決
まる。一方、固定子コア３の熱膨張は、コイル内部導体
4a,4bから絶縁層42a,42b,42c,42dを介して伝わる熱と周
囲媒体への放熱のバランスで決まる温度上昇と、コアブ
ロック31a,31b,31c,…とダクトスペーサ32a,32b,32c…
の比率と、ダクトスペーサ32a,32b,32c…の線膨張率に
よって決まる。ここでは、一例として表２のような条件
下での本実施形態の効果を試算した。

【００２６】

【表２】

【００２７】図５は、その試算結果の一例を示したもの
である。図５の横軸は、ダクトスペーサ32a,32b,32c…
の線膨張率であり、縦軸βは、次の式(2)で定義される
コアとコイルの長さの比である。

【００２８】

【数２】 β＝（固定子コア３の長さ／コイル内部導体4a,4bの長さ）×100％ (2)

【００２９】運転停止時に、固定子コア３とコイル内部
導体4a,4bがともに周囲温度であれば、コアとコイル内
部導体の長さは、ほぼ等しく、β≒100.00％である。も
し運転時にも、両者の熱伸び量が等しければ、やはりβ
≒100.00％で、絶縁層42a,42b,42c,42dには、応力は生
じない。ところが、固定子コア３とコイル導体4a,4bの
熱膨張量に差がある時には、β≠100.00％（β＜100％
であれば、運転時のコア３の長さはコイル内部導体4a,4
bの長さより小さく、β＞100％なら逆となる）となり、
絶縁層42a,42b,42c,42dに応力が加わることになる。100
％に近いほど絶縁層42a,42b,42c,42dに加わる応力は小
さい。

【００３０】図５に示す計算例は、表２のケースＡの場
合で、コイルの内部導体4a,4bが運転時に120℃になった
時に、固定子コア３の温度が80℃になるケースの例であ
る。ダクトスペーサ32a,32b,32c…が鋼材の場合には、
表１より線膨張率は11.8×10^ー6（Ｋ^-1）でβ＝99.91％
程度であるが、鋼材より線膨張率の大きい材料、例とし
てアルミや鉛、さらにはエボナイト等を用いると、次第
に100％に近づき、条件によっては100％を超える場合も
生じる。アルミや鉛については、これらを成分とする合
金の中にも類似の線膨張率を示す材料があり、それらを
用いることが可能である。

【００３１】図５のパラメータであるケース１から４
は、表２に示した冷却ダクト比率に対応し、これはコア
ブロック31a,31b,31c,…とダクトスペーサ32a,32b,32c
…の長さの総和に対するダクトスペーサ32a,32b,32c…
の長さの和の比率である。これらの計算例を基にβが10
0％に近づくようにダクトスペーサ32a,32b,32c…の材料
を選択することで、絶縁層42a,42b,42c,42dに加わる応
力を緩和することができる。

【００３２】図６に、表２のケースＢの計算例を示す。
ケースＡに比べて絶縁層42a,42b,42c,42dの熱伝導率が
大きく、固定子コイルの内部導体4a,4bが120℃の時に固
定子コア３の温度が100℃になるケースの例である。こ
の場合にはケースＡの場合に比べて、固定子コアと固定
子コイルの長さ比βは、大きくなることがわかる。発電
機の小形化を図るに当たり、絶縁層に、例えばアルミナ
のような熱伝導率の大きい添加物を混ぜ、絶縁層全体の
熱伝導率を向上させ、固定子コイルの電流密度を上げ
る、という方法が検討されている。この高熱伝導絶縁に
おいては固定子コイルの内部導体4a,4bとコア３の温度
差が小さくなるのが特徴であり、前記計算例のケースＢ
に相当する。図５と図６の比較より本実施形態は、高熱
伝導絶縁と組合わせることで、より大きな効果を得られ
ることがわかる。

【００３３】本実施形態で用いるダクトスペーサ32a,32
b,…,32mに求められる特性としては、熱膨張率が大きい
ことであることをこれまでに説明してきたが、これに加
えてより好ましい特性としては、まず弾性率が大きいこ
とが挙げられる。図２に示すように、コアブロック31a,
31b,…,31nおよびダクトスペーサ32a,32b,…,32mは、ロ
ッド37とエンドプレート36a,36bで回転軸10方向に締め
付けている。ここでダクトスペーサ32a,32b,…,32mの弾
性率が小さいと、高温時の熱膨張の一部が内部応力とし
て残留し、十分な熱膨張変位につながらない。この場合
には、コア３の熱膨張量が不十分で、絶縁層の応力緩和
効果が減少する。

【００３４】また、ダクトスペーサ32a,32b,…,32mの熱
伝導率が大きい方が好ましい理由としては、該ダクトス
ペーサ32a,32b,…,32mを前記冷却媒体の流路となる冷却
ダクトに取り付けるために、熱伝導率が小さいと冷却能
力を損なう恐れが生じるためである。以上、本発明の一
実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態
に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され
た本発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々
の変更ができるものである。

【００３５】例えば、従来、絶縁層の応力を緩和する方
法の一つとしては、固定子コイルの外層と固定子コアの
接触面を摺動させる構造がとられてきた。しかし、大形
の発電機でコイル長さが、例えば5000mmの場合には、鋼
製のダクトスペーサを用いた時の運転時のコアの長さ
は、図５よりコイル長さの99.91％であるため、その差
は4.5mmにもなり、両端に１／２ずつ分配されたとし
て、端部の滑り量は２mmを越える。実際には固定子コア
とコイル絶縁層の接触面の摩擦により滑り量が抑えられ
る代わりに絶縁層に応力が生じる。また、厳しい運転条
件の発電機では、１日１回、滑りが生じることになり、
絶縁層の表面に擦過痕を残して絶縁特性を損いかねな
い。

【００３６】そこで、前記本発明を併用すれば、運転時
の固定子コアの熱膨張量を増大することで、コアとコイ
ルの摺動量を低減することができ、絶縁層の劣化を抑制
することができる。また、絶縁層の応力を緩和する別の
方法の一つとしては、固定子コアと固定子コイル絶縁層
との間に応力緩和層を介在させる方法も提案されてい
る。しかしこの方法だけでは、コイル導体とコアの熱膨
張差がある程度以上大きくなると応力を吸収しきれなく
なり、大形化に制約がある。そこで前記本発明を併用し
てコアとコイルの熱膨張差を低減することで、より大形
の発電機の絶縁層の応力緩和を図ることができる。

【００３７】更に、本発明の最も効果的な適用例は、固
定子の一体含浸構造を採用する発電機である。これは、
固定子コアに固定子コイルを組込んだ後に、全体を樹脂
含浸固着して構成する発電機である。この一体含浸方式
固定子では、樹脂含浸固着する前の可撓性のある状態で
固定子コイルを固定子コアに組込むために、作業が容易
で、特性劣化の懸念も小さく、優れた製造方法である。
しかし固定子コアと固定子コイル絶縁層外表面が堅固に
固着されるために、熱膨張時の応力と歪みによる絶縁層
の特性劣化が大形化の制約になっていた。ここで、本発
明を適用すれば熱膨張による固定子コアと固定子コイル
の伸びの差異を低減できるので、大形機でも熱膨張時の
絶縁層の応力を緩和できる。この結果、製作が容易で特
性の良好な発電機固定子を製作することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の発電機の固定子は、固定子コアのダクトスペーサと
して、固定子コアに用いる鋼材より線膨張率が大きい材
料を使用したので、運転時にコイル導体が熱膨張した場
合に、固定子コアと固定子コイルの熱膨張差を縮小で
き、コアとコイル導体間の絶縁層に加わる応力を低減す
ることができる。その結果、絶縁層に剥離や亀裂が生じ
るのを防ぐことができるので、絶縁の信頼性が向上で
き、発電機の事故防止と運転寿命の伸長を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の発電機の部分断面斜視
図。

【図２】図１の発電機の固定子コアの回転軸を含む回転
軸方向の断面図。

【図３】図２の発電機のダクトスペーサの配置例を示す
回転軸に直角なIII-III矢視断面図。

【図４】図１の発電機の固定子コア、絶縁層、コイル導
体の関係を示す拡大断面図。

【図５】本発明の発電機の固定子コアと固定子コイルの
長さの関係の一例を示す特性図。

【図６】本発明の発電機の固定子コアと固定子コイルの
長さの関係の他の一例を示す特性図。

【符号の説明】

１…発電機、２…回転子、３…固定子（固定子コア）、
31a，31b，31c，31n…コイルブロック、32a，32b，32
c，32m…ダクトスペーサ、36a，36b…エンドプレート、
37…ロッド、38…キーバー、４，4a，4b，4c，4d…固定
子コイル、41a，41b…コイル内部導体、42a，42b，42
c，42d…絶縁層、43…ウェッジ、10…回転軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】珪素鋼板を積層した複数個のコアブロッ
クの各々を隣接するコアブロック間に冷却媒体の流路を
確保するためのダクトスペーサを介して並置し、周囲を
絶縁層で覆ったコイル導体の固定子コイルを前記コアブ
ロックに設けた溝に挿通して組込んだ発電機固定子にお
いて、前記ダクトスペーサの材料の線膨張率を、前記コ
アブロックを形成する前記珪素鋼板の線膨張率より大き
くしたことを特徴とする発電機固定子。
【請求項２】前記ダクトスペーサの材料の20℃におけ
る線膨張率の値が、12×10^-6（Ｋ^-1）を越える材料であ
ることを特徴とする請求項１に記載の発電機固定子。
【請求項３】前記固定子コアに組込む前記固定子コイ
ルの絶縁層が、マイカ、樹脂、及び添加物を含んでお
り、該添加物の熱伝導率がマイカあるいは樹脂より大き
いことを特徴とする請求項１に記載の発電機固定子。
【請求項４】前記コアブロックに設けられた溝の中を
前記固定子コイルが摺動可能に組込まれていることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電機
固定子。
【請求項５】前記コアブロックと前記固定子コイルの
絶縁層との接触面に、該固定子コイルの絶縁層よりも弾
性率が小さい材料から成る緩衝材を備えたことを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電機固定
子。
【請求項６】前記固定子コアに固定子コイルを組込ん
だ後に、全体を一体として樹脂含浸固着したことを特徴
とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電機固
定子。