JPWO2014128954A1 - 回転機 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、固定子のスロット出口付近のコロナ防止層の劣化、焼損を抑制し得る回転機を提供することにある。本発明は、固定子鉄心1を備えた固定子8と、該固定子8に対向配置されかつ回転可能に保持された回転子9とを有し、低抵抗コロナ防止層3が巻かれた固定子コイル2が該固定子鉄心1に装着された回転機において、該固定子8のエンド部に、該固定子鉄心1から該回転機の回転軸方向に遠ざかるほど該固定子コイル2との間隔が広がる構造を該固定子コイル2上に導電性部材7で形成したことを特徴とする。

Description

本発明は電動機や発電機などの回転機に係り、特に、高周波成分を有する電圧で駆動されるものに好適な回転機に関する。

回転機は主に、固定子と回転子から構成される。回転子は固定子の内径側もしくは、外径側に形成され、固定子コイルは固定子の固定子鉄心のスロット内に装着されている。回転機の固定子コイルは、スロット内での部分放電を抑制するために、固定子コイル導体に施された絶縁層の表面に低抵抗コロナ防止層が被覆されることがある。
一方、回転機は運転効率を高めるためにインバータで駆動される場合があり、インバータには、SiやSiC、GaN等の半導体材料が用いられている。インバータにより、回転機に印加される電圧は、高周波成分を多く含む。特に高周波数成分を多く含む電圧が回転機の固定子コイルに印加された場合には、固定子のスロット出口付近に電界が集中し、低抵抗コロナ防止層に大きな電流が流れることで、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層が発熱することが非特許文献１で開示されている。
スロット出口付近の電界集中抑制の方法として、固定子鉄心端部に樹脂または金属で、断面が円弧型や、三角形型の部材を配置、もしくは打ち抜いた板や部材を幅の小さくなる順に積層させた構成を構成する方法が特許文献１で開示されている。

特開2006-３３９１８号公報

F. P. Espino-Cortes et al., "Impact of Inverter Drives Employing Fast-Switching Devices on Form-Wound AC Machine Stator Coil Stress Grading", IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 23, No. 1, pp.16-28, (2007).

従来の、インバータで駆動しない回転機では、駆動電圧波形に含まれる高周波成分が比較的小さく、また、入力電圧の立ち上がり及び立ち下がり時の過渡時間も比較的緩やかであったため、固定子のスロット出口付近の電界は小さく、回転機の固定子コイルに巻かれた低抵抗コロナ防止層は固定子鉄心とほぼ同電位に保たれていた。そのため、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層に流れる電流は小さく、その発熱は低く抑えられていた。そのため、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層を劣化、焼損させる問題は生じなかった。
ところが、インバータで駆動する回転機では、インバータの高速スイッチングに伴う急峻な駆動電圧の立ち上がりにより、特に高周波数成分を多く含む電圧が回転機の固定子コイルに印加され、固定子のスロット出口付近に電界が集中し、低抵抗コロナ防止層に大きな電流が流れることで、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層が発熱する。
高速スイッチング化のため、SiCやGaN等の半導体材料を用いたインバータによる駆動では、駆動電圧の立ち上がりが特に急峻になることがあり、その場合固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層の発熱は大きくなる。
また、インバータの駆動電圧に、インバータ、ケーブル、及び回転機の特性インピーダンスの違いに伴い発生するサージ電圧が重畳した電圧が入力される場合がある。その結果、回転機には駆動電圧よりも高い入力電圧が印加される。特にキャリア周波数の大きい場合は駆動電圧の２倍以上の電圧が印加される可能性があり、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層の発熱は大きくなる。
スロット出口付近の電界集中抑制の方法として、特許文献１では、固定子鉄心端部に樹脂または金属で、断面が円弧型や、三角形型の部材を配置、もしくは打ち抜いた板や部材を幅の小さくなる順に積層させた構成を構成することで、電界が緩和できるとしている。
しかし、回転機は駆動時に振動するため、固定子コイルも振動する。特に、低抵抗コロナ防止層が巻かれるような駆動電圧の大きな回転機の固定子コイルは、低圧回転機に比べると、比較的、固定子コイルが長いため固定子コイルの振動が大きくなる。そのため、低抵抗コロナ防止層を有する回転機の固定子鉄心端部に、金属で断面が円弧型や、三角形型の部材を配置、もしくは打ち抜いた板や部材を幅の小さくなる順に積層させただけでは、上記部材と固定子コイルの間の距離が振動により変化するため、電界緩和の効果を安定的に得ることができない。
さらに、振動により固定子コイルと上記部材が接触しないように、距離を広げる必要があり固定子のスロット出口付近の十分な発熱抑制の効果が期待できない。
さらに、固定子コイルのエンド部が曲っているために、振動が発生した際に、固定子コイルのエンド部と、上記部材の一部が近づき、スロット出口から離れた位置の電界が上昇し、スロット出口から離れた位置で気中放電を招く恐れがある。
上記の観点から、高周波数成分を多く含む電圧が回転機の固定子コイルに印加された際の、低抵抗コロナ防止層の発熱を抑制するという観点では、特許文献１で開示されている構造は、十分な対策とは言えない。
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、特に高圧で高周波成分を多く含む電圧が回転機に入力される場合であっても、固定子のスロット出口付近のコロナ防止層の発熱を抑制し、低抵抗コロナ防止層の劣化、焼損を防止し得る回転機を提供することにある。

本発明の回転機は、上記目的を達成するために、固定子鉄心を備えた固定子と、該固定子に対向配置されかつ回転可能に保持された回転子とを有し、低抵抗コロナ防止層が巻かれた固定子コイルが該固定子鉄心に装着された回転機において、該固定子コイルのエンド部に、該固定子鉄心から該回転機の回転軸方向に遠ざかるほど該固定子コイルとの間隔が広がる構造を、該固定子コイル上に導電性部材で形成したことを特徴とする。
上記のように構成することで、高周波成分を含む電圧が印加された際でも、固定子のスロット出口に電界が集中せず、また、固定子コイルのエンド部に導電性部材を形成することで、振動による影響を抑えることができる。

本発明によれば、高周波成分を多く含む電圧が回転機に印加される場合であっても、固定子のスロット出口付近のコロナ防止層の劣化、焼損を防止し得る回転機を得ることができる。

本発明における回転機の第１の実施の形態を示す、固定子のスロット出口部を示す拡大部分斜視図である。 本発明における回転機の第１の実施の形態を示す、固定子コイルのスロット出口付近の概略縦断面図である。 従来の電動機の概略図である。 従来の電動機の固定子コイルのスロット出口付近の概略断面図である。 従来の電動機と本発明の回転機の第１の実施の形態における固定子のスロット出口部近傍の発熱量の相対比較の一例を示す特性図である。 本発明における回転機の第2の実施の形態を示す、固定子コイルのスロット出口付近の概略縦断面図である。 本発明における回転機の第３の実施の形態を示す、導電性部材の概略図である。 本発明における回転機の第４の実施の形態を示す、導電性部材の概略図である。 本発明における回転機の第５の実施の形態を示す、導電性部材の概略図である。 本発明における回転機の第６の実施の形態を示す、導電性部材の概略図である。 本発明における回転機の第６の実施の形態を示す、導電性部材の概略図である。

(実施例1)
本発明による回転機について、図面を用いて説明する。図1および図2は、本発明における回転機の第１の実施の形態を示す、固定子のスロット出口部を示す拡大部分斜視図と、固定子コイルのスロット出口付近の概略縦断面図である。
本発明の形態を、図3および図4に概略を示す、従来の電動機との差異に基づいて説明する。
固定子は、図3に示すように、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された固定子鉄心と、この固定子鉄心の内径側もしくは、外径側に軸方向に伸延し周方向に所定の間隔をもって複数形成されたスロットと、これら複数のスロット内に装着された固定子コイルから概略構成される。
図4に示すように、固定子コイルはコイル導体と、このコイル導体の表面に形成された絶縁層とから成り、また、固定子コイルは、前記固定子のスロット内に装着される直線部と、スロット外のエンド部から構成されている。
固定子コイルのスロット内に装着される直線部の絶縁層の外周には、固定子鉄心と固定子コイル間のコロナ放電を防止する目的で、低抵抗コロナ防止層が被覆されている。また、固定子コイルのエンド部では、低抵抗コロナ防止層の端部に電界が集中することで、沿面放電が発生し低抵抗コロナ防止層や絶縁層の劣化を招く恐れがあるため、低抵抗コロナ防止層の端部の一部を覆い、固定子鉄心から回転機の回転軸方向に離れる方向に電界緩和層を被覆する場合もある。
このように構成された固定子コイルがインバータなど、高周波成分を有する電源に接続されて電動機が駆動されている。
インバータで駆動する回転機では、急峻な駆動電圧の立ち上がりにより、特に高周波数成分を多く含む電圧が回転機のコイルに印加された場合には、固定子のスロット出口付近に電界が集中し、低抵抗コロナ防止層に大きな電流が流れることで、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層が発熱する
特に、高速スイッチング化のため、SiCやGaN等の半導体材料を用いたインバータによる駆動では、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層の発熱は大きくなる。
また、インバータの駆動電圧に、インバータ、ケーブル、及び回転機の特性インピーダンスの違いに伴い発生するサージ電圧が重畳した電圧が入力される場合がある。その結果、回転機には駆動電圧よりも高い入力電圧が印加される。特にキャリア周波数の大きい場合は駆動電圧の２倍以上の電圧が印加される可能性がある。この場合、固定子のスロット出口付近の低抵抗コロナ防止層の発熱は大きくなる。
従来の構成では、サージ電圧印加時に固定子鉄心付近に電界が集中し、低抵抗コロナ防止層に大きな電流が流れ、低抵抗コロナ防止層の劣化および焼損に至る恐れがある。
そこで、本実施の形態では図1および図2に示すように、固定子のエンド部に固定子鉄心から回転機の回転軸方向に遠ざかるほど、固定子コイルとの間隔が広がる構造を導電性部材で固定子コイル上に形成している。
本発明による効果を得るためには、導電性部材と固定子鉄心の間に電気的な接触が得られていることが望ましい。その方法として、例えば、導電性部材と固定子鉄心が接触するように配置する方法があるが、特にこの方法に限るものではなく、ケーブル等で接続しても良い。
また、導電性部材と固定子鉄心が直接接触またはケーブル等で接続されていなくても、固定子鉄心の押さえ板等の金属を介して接続されていても良い。
導電性部材の固定子コイル上への配置により、スロット出口付近の電界集中を抑制し、低抵抗コロナ防止層の回転機の回転軸方向の電位勾配をなだらかにすることで、低抵抗コロナ防止層に流れる電流を小さくし、低抵抗コロナ防止層の発熱を抑制することができる。
導電性部材を構成可能な材料としては、金属、導電性プラスチックなど導電率が10^-2 [1/Ω・cm]以上の材料が適用可能である。
また、導電性部材は金属または導電性プラスチックなどだけで形成されている必要はなく、例えば絶縁性の樹脂などで形作った部材の表面に導電性ペイントや、金属の蒸着などにより導電性をもたせるなどして形成しても良い。
導電性部材の加工は、固定子コイルに取り付けた際に、固定子鉄心から回転機の回転軸方向に遠ざかるほど、固定子コイルとの間隔が広がるように金属板4枚を折り曲げて、それらを固定子コイルの周囲に固定するなどして形成すれば良いが、特にこの方法に限るものではなく、例えば、1枚の金属板を曲げてコイルの周囲に固定子鉄心から回転機の回転軸方向に遠ざかるほど、固定子コイルとの間隔が広がるように導電性部材を形成しても良い。
図5に、従来と本実施の形態の固定子のスロット出口付近の発熱量の相対比較図を示す。本発明による導電性部材を用いることで、図5に示す従来と本実施の形態の固定子のスロット出口付近の発熱量の相対比較図の一例のように、高周波成分を含む電圧が印加されても、低抵抗コロナ防止層の発熱を従来よりも大幅に抑制できることが理解される。その結果、低抵抗コロナ防止層の劣化および焼損を防止できることが分かる。
更に、全ての固定子コイルのスロット出口付近に導電性部材を設けることが望ましいが、特に発熱を抑えたい固定子コイルにのみ本発明による導電性部材を配置しても本発明による効果を得ることが出来る。たとえば、インバータからの接続部から最初の1本あるいは複数本の固定子コイルにのみ本発明による導電性部材を配置すれば良い。
(実施例2)
次に、本発明の第2の実施の形態を図6に示す、固定子コイルのスロット出口付近の概略縦断面図に基づいて説明する。本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、導電性部材と固定子コイルの間に絶縁部材が設けられていることである。導電性部材を固定子コイル上に絶縁部材を介して固定することで、振動の影響を大幅に低減することができる。
絶縁部材としては、エポキシ等の樹脂やゴム等の絶縁材で形成すれば良い。
樹脂の中に微粒子を混ぜても良い。無機粒子としては、例えば、チッ化ホウ素、シリカ、アルミナ等の無機材料や、クレー等の有機材料を樹脂に混ぜる方法が一般的に知られている。
実施例１と同様に、固定子鉄心と導電性部材の電気的な接続を得るためには、固定子鉄心端部に接するように導電性部材を固定子コイル上に配置する方法や、ケーブル等で電気的な接触を得る方法が適用できる。
さらに、導電性部材が固定子コイル上に絶縁部材で固定されているため、固定子鉄心と導電性部材の間を所望の距離に保てるため、固定子鉄心の端部に、導電性部材の一部を固定して固定子鉄心と導電性部材の電気的な接触を得ても良い。

このように導電性部材を配置することで、高周波成分を含む電圧が印加された場合であっても、低抵抗コロナ防止層の発熱の抑制を、安定的に得ることができ、低抵抗コロナ防止層の劣化および焼損を防止できる。
(実施例3)
次に、本発明の第３の実施の形態を図7に示す、導電性部材の概略図に基づいて説明する。第２の実施の形態と異なる点は、導電性部材が複数の金属板を積み重ねて形成されていることである。

端部が直線的に傾斜していることが望ましいが、端部が階段状になるように金属板を重ね、固定子コイルとの間隔が徐々に広がる構造を形成しても、前記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。
(実施例４)
次に、本発明の第４の実施の形態を図8に示す、導電性部材の概略図に基づいて説明する。第２の実施の形態と異なる点は、導電性部材がバルク状の導電性部材から形成されていることである。固定子鉄心と接しない面から形成される角部は、緩やかな丸みをもつことが望ましいが、尖っていても本発明による効果を得ることが出来る。

導電性部材は、金属の塊を切り出すなどして加工することが出来るが、本方法に限るものではなく、例えば、金属粉末に圧力をかけて押し固めることで、導電性部材を形成しても良いし、導電性樹脂を型に入れ、硬化させることで本発明による導電性部材を形成しても良い。
(実施例５)
次に、本発明の第４の実施の形態を図9に示す、導電性部材の概略図に基づいて説明する。第２の実施の形態と異なる点は、１つの導電性部材で、複数のスロットに納められた固定子コイルに対して、固定子鉄心から該回転機の回転軸方向に遠ざかるほど固定子コイルとの間隔が広がる構造を形成していることである。このように複数のスロットにまたがるように、導電性部材を配置しても前記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。
(実施例６)
次に、本発明の第５の実施の形態を図10および図11に示す、導電性部材の概略図に基づいて説明する。第１の実施の形態と異なる点は、導電性部材の端部が、固定子コイルと水平又は、導電性部材の内側に曲がるように形成されていることである。導電性部材の端部は、固定子コイルと水平又は、導電性部材の内側に曲がるように導電性部材を形成しても前記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。

導電性部材の端部を内側に曲げて、導電性部材を形成する場合は、導電性部材の端部を内側に曲げることで形成される角部が、緩やかな丸みをもつことが望ましいが、尖っていても良い。
以上の各説明は、回転機として電動機を一例に説明したが、電動機に限らず、発電機にも適用できるのは勿論である。

１固定子鉄心
２固定子コイル
３低抵抗コロナ防止層
４コイル導体
５絶縁層
６電界緩和層
７導電性部材
８固定子
９回転子
１０絶縁部材

Claims (8)

1. 固定子鉄心を備えた固定子と、該固定子に対向配置されかつ回転可能に保持された回転子とを有し、低抵抗コロナ防止層が巻かれた固定子コイルが該固定子鉄心に装着された回転機において、該固定子のエンド部に、該固定子鉄心から該回転機の回転軸方向に遠ざかるほど該固定子コイルとの間隔が広がるように導電性部材を設けたことを特徴とする回転機。
2. 請求項1に記載の回転機において、前記回転機が、インバータで駆動されていることを特徴とする回転機。
3. 請求項１に記載の回転機において、前記導電性部材と固定子コイルの間に絶縁部材が形成されたことを特徴とする回転機。
4. 請求項１に記載の回転機において、前記導電性部材が、固定子鉄心と電気的に接続されていることを特徴とする回転機。
5. 請求項１ないし５のいずれかに記載の回転機において、前記導電性部材が1種類もしくは、複数種類の金属から構成されることを特徴とする回転機。
6. 請求項１に記載の回転機において、前記導電性部材が、単一又は複数のバルク金属又は単一又は複数の金属板又はそれらの両方から形成されることを特徴とする回転機。
7. 請求項４に記載の回転機において、前記導電性部材が、複数枚の鉄板を積層した部材からなることを特徴とする回転機。
8. 請求項１に記載の回転機において、前記導電性部材の端部を導電性部材の内側もしくは、回転機の回転軸方向に曲げて構成したことを特徴とする回転機。

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