WO2018002970A1 - 絶縁構造製造方法、絶縁構造および回転電機 - Google Patents

絶縁構造製造方法、絶縁構造および回転電機 Download PDF

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insulating
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光太郎 武良
晋介 菊田
敏宏 津田
哲夫 吉満
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an insulating structure manufacturing method, an insulating structure, and a rotating electric machine using the same.
  • the electrical tree is considered to start from a high electric field concentration part such as an air gap between the electrode and the insulator, foreign matter, foreign matter, protrusion, void in the insulator.
  • inverter-driven electric motors In recent years, the use of inverters has progressed, but in inverter-driven electric motors, repeated use of an impulse voltage including inverter surges can significantly reduce the life of the insulation material of the coil conductors. . For this reason, for example, the inverter drive motor for the rated voltage of 3.3 kV has a situation in which it is inevitably required to use the insulation for the normal rated voltage of 6.6 kV.
  • a coil lead wire is usually covered with an insulator having an insulating material.
  • a conductor that reaches a relatively high temperature often has a mica insulation structure using mica (mica), which is a kind of silicate mineral, as an insulation material having a high insulation class that can withstand a relatively high temperature.
  • a mica insulating structure is frequently used.
  • the mica insulation structure as the main insulation is often formed by impregnating mica insulation tape with epoxy resin.
  • the mica insulating tape is composed of mica and an epoxy glass layer.
  • the mica insulating tape thus configured is wound around a coil conductor and then impregnated with an epoxy resin, whereby an insulating process using a mica insulating structure is performed.
  • the present invention has been made on the basis of such knowledge, and an object thereof is to suppress the progress of an electrical tree in an insulating structure.
  • the present invention is a method for manufacturing an insulating structure that covers the outer surface of an object to be insulated, and taping the outside of the object to be insulated with a main insulating tape to form a main insulating part.
  • a vacuum drawing step for evacuating the taped insulation object after the taping step; and after the evacuation step, a polymer particle for impregnation containing nanoparticles in which nanoparticles are kneaded in the main insulating portion.
  • an impregnation step for impregnating the coalescence by press-fitting.
  • the present invention is an insulating structure that covers the outer surface of the object to be insulated so as to cover the outer surface of the object and electrically insulate the object, and along the surface of the object to be insulated.
  • a main insulating layer spread in a plane, a fiber reinforced portion extending along the main insulating layer, and a polymer weight formed in the fiber reinforced portion to join the main insulating layer and the fiber reinforced portion to each other.
  • a polymer part, and nanoparticles are scattered in the polymer part.
  • the present invention also provides a rotor having a rotor shaft extending in the axial direction, a rotor core provided radially outside the rotor shaft, and a gap formed radially outside the rotor core.
  • a cylindrical stator core formed in a plurality of slots formed on the inner surface of the stator core at intervals in the circumferential direction and extending to both ends in the axial direction of the stator core, and the axial direction of the stator core
  • a stator winding conductor disposed on the outside, two bearings that rotatably support the rotor shaft on both sides of the rotor core in the axial direction of the rotor core, and
  • a rotating electrical machine comprising: a rotor iron core and a frame for housing the stator; and an insulating structure applied to the stator winding conductor to electrically insulate the stator winding conductor, Insulation structure A main insulating layer extending in a plane along the surface of the object to be insulated; a fiber reinforced
  • the progress of the electrical tree in the insulating structure can be suppressed.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a rotating electrical machine according to an embodiment.
  • the rotating electrical machine 100 includes a rotor 10, a stator 20, a frame 6 that surrounds these radially outer sides, and bearing brackets 7 that are provided on both sides of the frame 6 in the axial direction.
  • the rotor 10 includes a rotor shaft 11 extending in the longitudinal direction and a rotor core 12 provided on the radially outer side of the rotor shaft 11.
  • the rotor shaft 11 is pivotally supported by bearings 5 near both ends.
  • Each bearing 5 is fixedly supported by a bearing bracket 7.
  • the stator 20 has a stator core 21 disposed with a gap on the outer side in the radial direction of the rotor core 12, and a stator winding 22 penetrating through the stator core 21.
  • a plurality of stator slots are formed along the inner surface of the stator core 21 at intervals in the circumferential direction to both ends in the axial direction.
  • a conductor 24 for the stator winding 22 (FIG. 2) is disposed in the stator slot.
  • FIG. 2 is a perspective view for explaining the insulating structure and the tape winding conductor according to the embodiment.
  • a plurality of stator winding conductors 24 constituting the stator winding 22 are laminated and arranged in two rows to form a laminated conductor 23 with 14 bodies.
  • the number of stacked layers is 7 and the number of rows is 2 as an example, and the number of layers is not limited to these.
  • Each of the stator winding conductors 24 is provided with a turn insulation 25 on the outside thereof and is covered with the turn insulation 25. Therefore, the outer surface of the laminated conductor 23 is also covered with the turn insulation 25.
  • the main insulating tape 40 is wound as the main insulation on the outer side of the laminated conductor 23 to which the turn insulation 25 is applied, and the main insulating portion 49 is formed on the outer side of the laminated conductor 23 to form the tape wound conductor 50.
  • the width of the main insulating tape 40 is W.
  • the main insulating tape 40 is wound in a spiral shape when viewed in the longitudinal direction of the laminated conductor 23.
  • the winding method at this time is a half wrap method. That is, the pitch of the helix is, for example, W / 2 that is half the width W of the main insulating tape 40. That is, it is wound so as to overlap with the main insulating tape 40 wound in the previous turn.
  • the winding method is not limited to the half wrap method.
  • the overlapping width may be changed.
  • interval, without overlapping may be sufficient. In this case, the second winding is performed such that, for example, half the width of the main insulating tape 40 is shifted in the longitudinal direction.
  • the second winding is further performed from above, and the main insulating tape 40 is layered.
  • the winding of the main insulating tape 40 is not limited to twice. For example, it may be three times or more, and may be once, and is selected according to the required insulation performance.
  • stator winding conductors 24 is subjected to individual insulation treatment, and mica insulation treatment may be performed from the outside thereof.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a main insulating tape having an insulating structure according to the embodiment.
  • the main insulating tape 40 constituting the insulating structure 30 penetrates the main insulating layer 41, the fiber reinforced portion 42, and the fiber reinforced portion 42 and joins the fiber reinforced portion 42 and the main insulating layer 41. It has a coalescence 43.
  • the main insulating layer 41 is a part that basically assumes an insulating function.
  • the fiber reinforced portion 42 is a portion having a function of securing the strength as the main insulating tape 40 by supporting the main insulating layer 41 along the main insulating layer 41.
  • the material of the main insulating layer 41 is, for example, mica, asbestos, or porcelain.
  • the material of the fiber reinforcement part 42 is glass fiber etc., for example, and is normally knitted in mesh shape.
  • the bonding polymer 43 is, for example, an unsaturated polyester resin or an epoxy resin.
  • the thickness of the main insulating layer 41 is, for example, about 100 ⁇ m. Moreover, the thickness of the fiber reinforced part 42 is thinner than this, for example, about 30 micrometers.
  • the fiber reinforced portion 42, the bonding polymer polymer 43, and the main insulating layer 41 are illustrated as components of the main insulating tape 40, but the bonding polymer polymer 43 is immersed in the fiber reinforced portion 42. In addition, the main insulating layer 41 and the fiber reinforced portion 42 are joined. For this reason, there is almost no thickness of only the bonding polymer 43, and the main insulating layer 41 and the fiber reinforced portion 42 are usually in contact with each other.
  • the main insulating tape 40 is wound with the main insulating layer 41 side on the insulating object side and the fiber reinforced portion 42 on the outside.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the insulating structure manufacturing method according to the embodiment.
  • step S01 taping is performed around the laminated conductor 23 with the main insulating tape 40 (step S01). As a result, the tape winding conductor 50 (FIG. 2) is formed.
  • FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view showing a configuration of an integrated winding assembly of the rotating electrical machine according to the embodiment.
  • the integrated winding assembly 90 includes a stator core 21, a stator winding 22, and a frame 6 disposed on the outer side in the radial direction.
  • the stator winding 22 is formed by connecting the tape winding conductor 50 (FIG. 2) after being accommodated in a plurality of slots (not shown).
  • the slots are formed on the inner surface of the stator core 21 so as to extend to both ends in the axial direction of the stator core 21 at intervals in the circumferential direction.
  • the winding assembly is assembled into the integrated body 90 (step S02).
  • FIG. 6 is an elevational sectional view showing a state of the vacuuming step. Specifically, first, the winding built-in integrated object 90 is accommodated in the container 61 of the impregnation apparatus 60. In addition, the winding built-in integrated object 90 is taken in and out, for example, in such a configuration that the container 61 can be divided into upper and lower parts and the upper and lower parts are coupled by a flange (not shown).
  • the high polymer supply valve 63a on the high polymer supply pipe 63 and the vacuum exhaust valve 62a on the vacuum exhaust pipe 62 are closed to close the container 61, for example, a vacuum pump (not shown) is used.
  • the vacuum exhaust valve 62a on the connected vacuum exhaust pipe 62 is opened, and the inside of the container 61 is evacuated.
  • each space portion in the main insulating tape 40 of the tape winding conductor 50 in the winding built-in integrated object 90 housed in the container 61 is also evacuated.
  • FIG. 7 is an elevational sectional view showing a state of the high-molecular polymer press-fitting step.
  • step S03 After the inside of the container 61 is evacuated in step S03, the vacuum exhaust valve 62a on the vacuum exhaust pipe 62 is closed, and the high polymer supply valve 63a on the high polymer supply pipe 63 is opened. Then, the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles is supplied into the container 61. The supply of the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles is carried out until the inside of the winding integrated body 90 is sufficiently immersed in the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles.
  • nanoparticles are kneaded in the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles.
  • the nanoparticles for example, silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), boron nitride (BN), carbon nanotube (CNT), or the like can be used.
  • Nanoparticles are generally said to include particles having a particle size of about several hundred nm.
  • the nanoparticles used in the present embodiment are those having a particle size of 100 nm or less, that is, about several tens of nm. When a film having a thickness of about several hundreds of nanometers exceeding 100 nm is used, it is considered that the following effects cannot be expected.
  • a manufacturing method of a particle having a particle size of 100 nm or less there is a method of manufacturing by growing from a finer one chemically. Or you may grind
  • nanoparticles those having a size of 100 nm or less are referred to as nanoparticles.
  • the pressurized gas 65 is supplied into the container 61 from the polymer polymer supply pipe 63, Pressurize.
  • the pressurized gas 65 for example, an inert gas that is not reactive with the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles is used.
  • the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles permeates into the main insulating tape 40 provided around the laminated conductor 23, and the main insulating tape 40 impregnates the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles. Then, the polymer polymer portion 45 (FIG. 8) is formed.
  • the nanoparticles in the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles also spread throughout the main insulating tape 40.
  • the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles is solidified (step S05). Specifically, the integrated winding 90 is taken out of the container 61, and the polymer part 45 (FIG. 8) mainly containing the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles is solidified.
  • the polymer is a thermosetting resin such as an epoxy resin, it is cured by heating or the like.
  • the high molecular polymer is a thermoplastic resin, it is cooled and solidified.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the insulating structure according to the embodiment. The cross section along the longitudinal direction of the laminated conductor 23 which is an insulation object is shown.
  • FIG. 8 shows a case where the main insulating tape 40 is wound twice, and the taping layer A by the first winding and the taping layer B by the second winding are formed. Show.
  • the insulating structure 30 includes a main insulating layer 41 that is a main insulating portion of the main insulating tape 40 (FIG. 3), a fiber reinforced portion 42 (FIG. 3), and a polymer portion 45.
  • the polymer portion 45 is a polymer polymer for impregnation containing nanoparticles in the bonding polymer 43 existing in the fiber reinforced portion 42 and between the fiber reinforced portion 42 and the main insulating layer 41.
  • the union 47 is formed by seepage.
  • a polymer part 45 is formed on the outside of the main insulating layer 41 by the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles adhering during the impregnation treatment. Instead, as shown in FIG. 8, a polymer portion 45 is integrally formed on the surface of the main insulating layer 41.
  • the thickness of the main insulating layer 41 is displayed extremely thin in order to emphasize the polymer portion 45 formed by entering the fiber reinforced portion 42, The display of the fiber reinforced portion 42 is omitted.
  • the main insulating layers 41 adjacent to each other in the longitudinal direction of the laminated conductor 23 overlap each other by half of the width. This is a result of winding the main insulating tape 40 described above.
  • the nanoparticles 48 contained in the polymer polymer 47 for impregnation with nanoparticles are scattered.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the progress of the electric tree in the conventional insulating structure.
  • a curve with a thick arrow schematically shows the path of progress of the electrical tree.
  • the high polymer part 45a does not contain nanoparticles.
  • the electrical tree emanating from the laminated conductor 23 reaches the surface while passing through the polymer portion 45a between the main insulating layers 41 through a substantially shortest route.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the effect of the insulating structure according to the embodiment.
  • the insulating structure 30 according to the present embodiment nanoparticles 48 are scattered in the polymer portion 45 between the main insulating layers 41. For this reason, when the nanoparticles 48 are not present, the electric tree advances in the shortest route, and the appearance is changed while changing the direction due to the presence of the nanoparticles 48. As a result, the progress rate is significantly reduced as compared with the case where the nanoparticles 48 are not present. Or the progress stops on the way.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing a first test system of the insulating structure according to the embodiment.
  • the first test body 70 simulates a state in which a plurality of mica tapes are stacked. Therefore, the material of the main insulating layer 41 is mica, the fiber reinforced portion 42 is glass fiber, and the material of the high polymer portion 45 is epoxy resin. Epoxy resins do not contain nanoparticles.
  • a plurality of main insulating layers 41 are stacked substantially in parallel with each other. Between the main insulating layers 41 adjacent to each other, a fiber reinforced portion 42 and a high polymer portion 45 are disposed.
  • the thickness of the main insulating layer 41 was 100 to 140 ⁇ m per layer, and the thickness of the fiber reinforced portion 42 and the polymer portion 45 was 10 to 40 ⁇ m per layer.
  • the thickness of the main insulating layer 41 is displayed extremely thin in order to emphasize the polymer portion 45 formed by entering the fiber reinforced portion 42, Moreover, the display of the fiber reinforcement part 42 is abbreviate
  • a first test system was set in which the needle electrode 71 was inserted at a substantially central position in the plane of the first test body 70.
  • an AC voltage of 50 Hz was applied between the needle electrode 71 and the ground plate 72, and the partial discharge start voltage was measured. After detecting the partial discharge start voltage, the applied voltage was increased at a boosting rate of 600 V / sec until the sample breakdown.
  • FIG. 12 is a partial longitudinal sectional view around the needle electrode schematically showing the test result of the insulating structure according to the embodiment.
  • the electric tree 75 has advanced in the direction in which the main insulating layer 41 spreads by sewing between the main insulating layers 41 adjacent to each other in the vertical direction, as indicated by broken line arrows in FIG. Further, the electric tree 75 is not from the tip portion 71a of the needle electrode 71 having the highest electric field strength but from a position slightly off the tip portion 71a (a portion slightly closer to the root portion than the tip portion 71a in FIG. 12). The electric tree 75 progresses with a spread in the direction in which the main insulating layer 41 spreads.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view schematically showing a second test system of the insulating structure according to the embodiment.
  • the needle electrode is inserted into the fiber reinforced portion 42 between the main insulating layers 41 adjacent to each other, and the polymer polymer portion 45 has no nanoparticles, Each test was conducted for the case where nanoparticles were present.
  • the second test body 70 a simulates a state in which a plurality of mica tapes are stacked in the same manner as the first test body 70. Therefore, the material of the main insulating layer 41 is mica, the fiber reinforced portion 42 is glass fiber, and the material of the high polymer portion 45 is epoxy resin.
  • the epoxy resin may or may not contain nanoparticles.
  • a plurality of main insulating layers 41 are stacked substantially in parallel with each other. Between the main insulating layers 41 adjacent to each other, a fiber reinforced portion 42 and a high polymer portion 45 are disposed.
  • a ground plate 72 is provided at an end portion where the main insulating layer 41 and the fiber reinforced portion 42 extend.
  • the needle electrode 71 is inserted in the region of the fiber reinforced portion 42 and the polymer portion 45 sandwiched between the main insulating layers 41 adjacent to each other.
  • the test was conducted using a system in which the width W of the ground plate was about 4 mm, the depth was about 25 mm, and the distance D between the needle electrode 71 and the ground plate 72 was about 3 mm.
  • the time until the dielectric breakdown occurs when the state of 15 kV is maintained was maintained. And compared. In the test results, for example, it was about 1.9 hours when the nanoparticles were not present, whereas it was 3 weeks or more when the nanoparticles were present. In this case, the average particle diameter of the nanoparticles was 10 to 20 nm, and the mixing ratio of the nanoparticles was 10 wt%.
  • the thermal conductivity is about 0.25 W / m ⁇ K, for example, 0.40 W / m ⁇ K.
  • the thermal conductivity is about 0.25 W / m ⁇ K, for example, 0.40 W / m ⁇ K.
  • the heat dissipation effect can be further increased, a current can be further flowed, so that the storage output, that is, the output per unit volume can be increased.
  • the progress of the electric tree in the insulating structure can be suppressed, and the storage output can be improved and the efficiency of the assembly work can be improved.
  • Impregnation device 61 ... Container, 62 ... Vacuum exhaust pipe , 62a ... Vacuum exhaust valve, 63 ... High polymer feed pipe, 63a ... High polymer feed valve, 65 ... Pressurized gas, 70 ... First test piece, 70a ... Second test piece, 71 ... Needle Electrode, 71a ... tip portion, 72 ... ground plate, 75 ... electric tri , 90 ... winding embedded one piece, 100 ... rotary electric machine

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Abstract

絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造の製造方法は、主絶縁テープにより絶縁対象物の外側にテーピングして絶縁部を形成するテーピングステップ（Ｓ０１）と、テーピングステップ後に、テーピングされた絶縁対象物を真空引きする真空引きステップ（Ｓ０３）と、真空引きステップの後に、絶縁部にナノ粒子を混練したナノ粒子入り含浸用高分子重合体を圧入して含浸させる含浸ステップ（Ｓ０４）とを有する。

Description

絶縁構造製造方法、絶縁構造および回転電機
　本発明は、絶縁構造製造方法、絶縁構造、およびこれを用いた回転電機に関する。
　絶縁体に電界が加わり、不平等電界部分が生じ、その部分の電界が絶縁強度限界電圧を超えると、その部分に局部破壊が生ずる。この局部破壊が樹枝状に進展すると電気トリーとなる。電気トリーは、電極と絶縁体との間のエア・ギャップや、異物、絶縁体中の異物・突起物・ボイドなど、高電界集中部が起点となると考えられている。
　近年、インバータの利用が進んでいるが、インバータ駆動電動機では、繰り返し、インバータサージを含むインパルス電圧が作用する状態で使用することにより、コイル導線の絶縁材料の寿命が大幅に低下する可能性がある。このため、たとえば、定格電圧３．３ｋＶ用のインバータ駆動電動機には、通常の定格電圧６．６ｋＶ用の絶縁を使用するような仕様とせざるを得ない等の状況が生じている。
　回転電機に使用される導電体の絶縁構造の例として、たとえばコイルの導線は、通常、絶縁材料を有する絶縁体で覆われている。ここで、比較的高温に達する導体については、比較的高温に耐える絶縁階級の高い絶縁材料としてケイ酸塩鉱物の一種であるマイカ（雲母）を用いたマイカ絶縁構造の場合が多い。
　電気トリーが進展すれば、マイカ絶縁構造に破壊がもたらされる。マイカ絶縁構造の中において、電気トリーがどのように発生し、進展していくのかを把握することは、電気トリーの発生・進展を防止し、健全な回転電機を維持する上で、きわめて重要な事項である。
　このような絶縁材料の健全性については、たとえば、国際電気標準会議（ＩＥＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｉｎｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）による、事故防止のための新たな絶縁試験手法を規定した国際規格制定のための動きがある。
米国特許出願公開第２０１５／０１０１８４５号明細書
　たとえば、高圧型巻き電動機において、その絶縁寿命を大きく左右するのは、固定子鉄心の内部に配された主絶縁とターン絶縁である。これらには、いずれもマイカ絶縁構造が多用されている。
　また、主絶縁としてのマイカ絶縁構造では、マイカ絶縁テープをエポキシ樹脂で含浸することにより形成される場合が多い。マイカ絶縁テープは、マイカとエポキシガラス層で構成されている。このように構成されたマイカ絶縁テープを、コイル導体に巻回した上で、エポキシ樹脂で含浸することにより、マイカ絶縁構造による絶縁処理がなされる。
　このように構成されたマイカ絶縁構造における電気トリーのパスは、マイカ絶縁層を貫通するのではなく、マイカ絶縁層の外側のエポキシガラス層側に形成されることを、試験の結果から確認することができた。すなわち、主絶縁における弱点部分はエポキシガラス層であることが判明した。
　本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、絶縁構造における電気トリーの進展を抑制することを目的とする。
　上述の目的を達成するため、本発明は、絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造の製造方法であって、主絶縁テープにより前記絶縁対象物の外側にテーピングして主絶縁部を形成するテーピングステップと、前記テーピングステップ後に、テーピングされた前記絶縁対象物を真空引きする真空引きステップと、前記真空引きステップの後に、前記主絶縁部に、ナノ粒子を混練したナノ粒子入り含浸用高分子重合体を圧入して含浸させる含浸ステップと、を有することを特徴とする。
　また、本発明は、絶縁対象物の外表面を覆って当該絶縁対象物を電気的に絶縁するために前記絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造であって、前記絶縁対象物の表面に沿って平面的に広がった主絶縁層と、前記主絶縁層に沿って広がった繊維強化部と、前記繊維強化部内に形成されて前記主絶縁層と前記繊維強化部とを互いに接合する高分子重合体部と、を有し、前記高分子重合体部には、ナノ粒子が散在していることを特徴とする。
　また、本発明は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に間隙をあけて設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内面に周方向に互いに間隔をあけて形成され前記固定子鉄心の軸方向の両端まで延びる複数のスロット内および前記固定子鉄心の軸方向外側に配された固定子巻線導体と、を有する固定子と、前記ロータシャフトの前記回転子鉄心の軸方向の両側のそれぞれで前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、前記固定子巻線導体を電気的に絶縁するために前記固定子巻線導体に施された絶縁構造と、を備えた回転電機であって、前記絶縁構造は、前記絶縁対象の表面に沿って平面的に広がった主絶縁層と、前記主絶縁層に面して広がった繊維強化部と、前記繊維強化部内および前記主絶縁層の周囲に形成された高分子重合体部と、を有し、前記高分子重合体部には、ナノ粒子が散在していることを特徴とする。
　本発明によれば、絶縁構造における電気トリーの進展を抑制することができる。
実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。 実施形態に係る絶縁構造およびテープ巻き導体を説明する斜視図である。 実施形態に係る絶縁構造の主絶縁テープの構成を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。 実施形態に係る回転電機の巻線組み込み一体物の構成を示す縦断面図である。 実施形態に係る絶縁構造製造方法における真空引きステップの状態を示す立断面図である。 実施形態に係る絶縁構造製造方法における高分子重合体の圧入ステップの状態を示す立断面図である。 実施形態に係る絶縁構造の構成を模式的に示す断面図である。 従来方式の絶縁構造における電気トリーの進展を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る絶縁構造の効果を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る絶縁構造の第１の試験体系を模式的に示す縦断面図である。 実施形態に係る絶縁構造の試験結果を模式的に示す針電極周辺の部分縦断面図である。 実施形態に係る絶縁構造の第２の試験体系を模式的に示す縦断面図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る絶縁構造、絶縁構造製造方法およびこれを用いた回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
　以下では、回転電機の固定子巻線導体に絶縁構造を適用した場合を例にとって説明するが、絶縁対象物は固定子巻線導体に限定されない。すなわち、導体の外表面を覆う絶縁構造であれば適用可能である。
　図１は、実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、これらの径方向外側を囲うフレーム６およびフレーム６の軸方向の両側に設けられた軸受ブラケット７を有する。
　回転子１０は、長手方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、両端付近をそれぞれ軸受５によって回転可能に軸支されている。軸受５は、それぞれ軸受ブラケット７により固定支持されている。
　固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に間隙をあけて配された固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１内を貫通する固定子巻線２２を有する。
　固定子鉄心２１の内面に沿って、互いに周方向に間隔をあけて軸方向の両端まで複数の固定子スロット（図示せず）が形成されている。固定子スロット内には、固定子巻線２２用の導体２４（図２）が配されている。
　図２は、実施形態に係る絶縁構造およびテープ巻き導体を説明する斜視図である。
　固定子巻線２２を構成する複数の固定子巻線導体２４は、７体が積層され、それが２列に並んで、１４体で積層導体２３を形成している。なお、積層数が７体、列数が２列は例であり、これらに限定されず、７体以外、１列あるいは３列以上でもよい。それぞれの固定子巻線導体２４には、その外側にターン絶縁２５が施され、ターン絶縁２５により覆われている。したがって、積層導体２３の外面もターン絶縁２５により覆われている。
　ターン絶縁２５が施された積層導体２３の外側には、主絶縁として主絶縁テープ４０が巻回され、積層導体２３の外側に主絶縁部４９が形成されて、テープ巻き導体５０となる。
　ここで、主絶縁テープ４０の幅をＷとする。主絶縁テープ４０は、積層導体２３の長手方向に見てらせん状に巻回されている。この際の巻回方式は、ハーフラップ方式である。すなわち、らせんのピッチは、たとえば、主絶縁テープ４０の幅Ｗの半分のＷ／２である。すなわち、前回のターンで巻かれた主絶縁テープ４０と半分重なるようにして巻かれる。なお、巻回方式は、ハーフラップ方式に限らない。たとえば、重ね合わせの幅を変更してもよい。また、重ね合わせることなく、隣接して隙間なく巻回する方式でもよい。この場合は、２回目の巻回は、たとえば、主絶縁テープ４０の幅の半分だけ長手方向にずらせるようにして巻回する。
　一通り積層導体２３の長手方向に巻回されると、さらのその上から２回目の巻回がなされ、主絶縁テープ４０は、層状をなす。なお、主絶縁テープ４０の巻回は２回に限らない。たとえば、３回以上でもよいし、１回でもよく、必要な絶縁性能により選択される。
　なお、固定子巻線導体２４のそれぞれには、個別の絶縁処理が施され、その外側から、マイカ絶縁処理を行う場合もある。
　図３は、実施形態に係る絶縁構造の主絶縁テープの構成を模式的に示す断面図である。絶縁構造３０を構成する主絶縁テープ４０は、主絶縁層４１、繊維強化部４２、および、繊維強化部４２に浸透し、繊維強化部４２と主絶縁層４１とを接合させる接合用高分子重合体４３を有する。主絶縁層４１は、基本的に絶縁機能を担う部分である。また、繊維強化部４２は、主絶縁層４１に沿って主絶縁層４１を支持することにより主絶縁テープ４０としての強度を確保する機能を有する部分である。
　ここで、主絶縁層４１の材質は、たとえば、マイカ、石綿、あるいは磁器などである。また、繊維強化部４２の材料は、たとえば、ガラス繊維などであり、通常は、網目状に編み込まれている。また、接合用高分子重合体４３は、たとえば、不飽和ポリエステル樹脂、あるいはエポキシ樹脂などである。
　主絶縁層４１の厚みは、たとえば１００μｍ程度である。また、繊維強化部４２の厚みは、これより薄くたとえば３０μｍ程度である。図３において、主絶縁テープ４０の構成部分として繊維強化部４２、接合用高分子重合体４３および主絶縁層４１を図示したが、接合用高分子重合体４３については、繊維強化部４２に浸み込むとともに、主絶縁層４１と繊維強化部４２を接合する役割を有する。このため、接合用高分子重合体４３のみの部分の厚みは殆どなく、主絶縁層４１と繊維強化部４２は通常は互いに殆ど接している状態である。
　主絶縁テープ４０は、主絶縁層４１側を絶縁対象物側、繊維強化部４２を外側にして巻回される。
　図４は、実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。
　まず、主絶縁テープ４０により、積層導体２３の周囲にテーピングを施す（ステップＳ０１）。この結果、テープ巻き導体５０（図２）が形成される。
　図５は、実施形態に係る回転電機の巻線組み込み一体物の構成を示す縦断面図である。巻線組み込み一体物９０は、固定子鉄心２１、固定子巻線２２およびこれらの径方向外側に配されたフレーム６を有する。
　固定子巻線２２は、テープ巻き導体５０（図２）を、複数のスロット（図示せず）内に収納した上で結線することにより形成される。スロットは、固定子鉄心２１の内側表面に周方向に間隔をもって固定子鉄心２１の軸方向の両端まで延びるように形成される。ステップＳ０１に続いて、この巻線組み込み一体物９０に組み立てる（ステップＳ０２）。
　次に、巻線組み込み一体物９０の真空引きを行う（ステップＳ０３）。図６は、真空引きステップの状態を示す立断面図である。具体的には、まず、巻線組み込み一体物９０を、含浸装置６０の容器６１内に収納する。なお、巻線組み込み一体物９０の出し入れは、たとえば、容器６１が上下に分割可能で図示しないフランジで上下を結合させるような構成とする。
　高分子重合体供給配管６３上の高分子重合体供給弁６３ａおよび真空排気配管６２上の真空排気弁６２ａを閉じて、容器６１を密閉状態とした後に、たとえば、真空ポンプ（図示せず）に接続された真空排気配管６２上の真空排気弁６２ａを開き、容器６１内を真空引きする。この結果、容器６１内に収納された巻線組み込み一体物９０内のテープ巻き導体５０の主絶縁テープ４０内の各空間部も真空引きされる。
　次に、ナノ粒子を混練したナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７を圧入、含浸する（含浸ステップＳ０４）。図７は、高分子重合体圧入ステップの状態を示す立断面図である。
　具体的には、ステップＳ０３で容器６１内が真空引きされた後に、真空排気配管６２上の真空排気弁６２ａを閉じて、高分子重合体供給配管６３上の高分子重合体供給弁６３ａを開き、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７を容器６１内に供給する。ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７の供給は、巻線組み込み一体物９０内がナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７に十分に浸漬するまで行う。
　ここで、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７には、ナノ粒子が混練されている。ナノ粒子は、たとえば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などを用いることができる。
　ナノ粒子は、一般的に、粒径が数１００ｎｍ程度のものまでを含むといわれている。本実施形態で用いるナノ粒子は、１００ｎｍ以下の粒径のもの、すなわち数十ｎｍ程度のものとする。１００ｎｍを超えて数百ｎｍ程度のものを用いた場合、以下に示すような効果は期待できないと考えられる。
　１００ｎｍ以下の粒径のものの製法としては、化学的に、より微細なものから成長させて製造する方法がある。あるいは、１００ｎｍより大きな粒径のものを粉砕して１００ｎｍ以下のものを製造してもよい。また、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７内での凝集を防止するために、表面修飾を行ってもよい。
　以下の説明においては、１００ｎｍ以下のものをナノ粒子と呼ぶこととする。
　巻線組み込み一体物９０がナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７に十分に浸漬する状態となったら、高分子重合体供給配管６３から加圧ガス６５を容器６１内に供給し、容器６１内を加圧する。ここで、加圧ガス６５は、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７と反応性のないたとえば不活性ガスなどを用いる。
　この結果、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７が、積層導体２３の周囲に施された主絶縁テープ４０内に浸透し、主絶縁テープ４０がナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７を含浸し、高分子重合体部４５（図８）を形成する状態となる。ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７が、主絶縁テープ４０内に浸透すると、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７中のナノ粒子も主絶縁テープ４０内の全体に広がる。
　次に、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７の固化を行う（ステップＳ０５）。具体的には、巻線組み込み一体物９０を容器６１から取り出し、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７を主に含む高分子重合体部４５（図８）を固化させる。なお、高分子重合体がエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の場合は、加熱等により硬化させる。また、高分子重合体が熱可塑性樹脂の場合は冷却し固化させる。
　図８は、実施形態に係る絶縁構造の構成を模式的に示す断面図である。絶縁対象物である積層導体２３の長手方向に沿った断面を示している。図８は、主絶縁テープ４０の巻回が２回なされ、第１回目の巻回によるテーピング層Ａと、第２回目の巻回によるテーピング層Ｂと、２つの層が形成されている場合を示す。
　絶縁構造３０は、主絶縁テープ４０（図３）の主絶縁部分である主絶縁層４１と、繊維強化部４２（図３）と、高分子重合体部４５を有する。ここで、高分子重合体部４５は、繊維強化部４２内および繊維強化部４２と主絶縁層４１との間に存在していた接合用高分子重合体４３にナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７が浸透して形成されたものである。また、主絶縁層４１の外側にも、含浸処理の際に付着したナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７により、高分子重合体部４５が形成されており、繊維強化部４２の内部のみならず、主絶縁層４１の表面には、図８に示すように高分子重合体部４５が一体的に形成されている。
　なお、図８およびこれ以降の図においては、繊維強化部４２に入り込んで形成された高分子重合体部４５を強調するために、主絶縁層４１の厚さを極端に薄く表示し、また、繊維強化部４２の表示を省略している。
　テーピング層Ａおよびテーピング層Ｂのそれぞれにおいては、積層導体２３の長手方向に互いに隣接する主絶縁層４１同士は、幅の半分ずつ、互いに重なり合っている。これは、前述した主絶縁テープ４０の巻き方による結果である。
　主絶縁層４１の周囲の高分子重合体部４５には、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体４７に含まれていたナノ粒子４８が散在した状態となっている。
　図９は、従来方式の絶縁構造における電気トリーの進展を模式的に示す断面図である。太い矢印付の曲線は、電気トリーの進展パスを模式的に示したものである。高分子重合体部４５ａはナノ粒子を含んでいない。積層導体２３から発した電気トリーは、主絶縁層４１の間の高分子重合体部４５ａをほぼ最短ルートで抜けながら、表面に到達する。
　図１０は、実施形態に係る絶縁構造の効果を模式的に示す断面図である。本実施形態による絶縁構造３０においては、主絶縁層４１間の高分子重合体部４５にナノ粒子４８が散在している。このため、ナノ粒子４８が無い場合に電気トリーが最短ルートで進展するのとは様相が異なり、ナノ粒子４８の存在によって方向を変えながら進展する。この結果、ナノ粒子４８が無い場合に比べて進展速度が大幅に低下する。あるいは、途中でその進展が停止する。
　ナノ粒子の存在下での電気トリーの進展の様子を確認する試験を行った。以下にこの試験の結果を説明する。
　図１１は、実施形態に係る絶縁構造の第１の試験体系を模式的に示す縦断面図である。第１の試験体７０は、複数のマイカテープを積層した状態を模擬している。したがって、主絶縁層４１の材質はマイカ、繊維強化部４２はガラス繊維、高分子重合体部４５の材質はエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は、ナノ粒子を含まない。
　複数の主絶縁層４１が互いにほぼ平行に積層されている。互いに隣接する主絶縁層４１の間には、繊維強化部４２と高分子重合体部４５が配されている。
　主絶縁層４１の厚みは、１層当たり１００～１４０μｍであり、繊維強化部４２と高分子重合体部４５の層の厚みは、１層当たり１０～４０μmであった。但し、図１１および図１２では、前述のように、繊維強化部４２に入り込んで形成された高分子重合体部４５を強調するために、主絶縁層４１の厚さを極端に薄く表示し、また、繊維強化部４２の表示を省略している。
　第１の試験体７０の平面的にほぼ中央の位置に針電極７１を差し込んだ第１の試験体系を設定した。この体系で、針電極７１と接地板７２との間に５０Ｈｚの交流電圧を印加し、部分放電開始電圧を測定した。部分放電開始電圧を検出した後に、サンプルが絶縁破壊するまで、６００Ｖ／ｓｅｃの昇圧速度で印加電圧を上昇させた。
　図１２は、実施形態に係る絶縁構造の試験結果を模式的に示す針電極周辺の部分縦断面図である。試験の結果、電気トリー７５は、図１２に破線矢印で示すように、上下に互いに隣接する主絶縁層４１の間を縫って主絶縁層４１の広がる方向に進展している。また、電気トリー７５は、電界強度の最も高い針電極７１の先端部分７１ａではなく、先端部分７１ａを少し外れた位置（図１２の先端部分７１ａより少し根本側の部分）から発している。電気トリー７５は、主絶縁層４１の広がる方向に、広がりをもって進展している。
　以上の第１の試験体７０を用いた第１の試験体系での試験の結果、互いに隣接した主絶縁層４１の間の繊維強化部４２中の樹脂部分が弱いということが確認できた。
　図１３は、実施形態に係る絶縁構造の第２の試験体系を模式的に示す縦断面図である。第１の試験体系での試験結果を受けて、互いに隣接した主絶縁層４１の間の繊維強化部４２に針電極を挿入して、高分子重合体部４５にナノ粒子が存在しない場合と、ナノ粒子が存在する場合について、それぞれ試験を行った。
　第２の試験体７０ａは、第１の試験体７０と同様に複数のマイカテープを積層した状態を模擬している。したがって、主絶縁層４１の材質はマイカ、繊維強化部４２はガラス繊維、高分子重合体部４５の材質はエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は、ナノ粒子を含む場合と、含まない場合とがある。
　複数の主絶縁層４１が互いにほぼ平行に積層されている。互いに隣接する主絶縁層４１の間には、繊維強化部４２と高分子重合体部４５が配されている。主絶縁層４１および繊維強化部４２が延びた端部に接地板７２が設けられている。針電極７１は、互いに隣接する主絶縁層４１に挟まれた繊維強化部４２と高分子重合体部４５の領域に挿入されている。接地板の幅Ｗは約４ｍｍ、奥行きは約２５ｍｍ、針電極７１と接地板７２との間隔Ｄは約３ｍｍの体系で試験を行った。
　試験は、電圧を、１ｋＶから１ｋＶずつ１５ｋＶまで上昇した後に、１５ｋＶの状態を保った場合の絶縁破壊に至るまでの時間を、高分子重合体部４５にナノ粒子が存在しない場合と存在する場合とを比較した。試験結果では、たとえば、ナノ粒子が存在しない場合は約１．９時間であったのに対して、ナノ粒子が存在する場合は３週間以上であった。この場合、ナノ粒子の平均粒径は１０ないし２０ｎｍ、ナノ粒子の混在率は１０ｗｔ％であった。
　以上のように、高分子重合体部４５にナノ粒子を混在させた場合は、電気的な絶縁寿命が大幅に増加する。
　また、高分子重合体部４５にナノ粒子を混在させた場合は、熱伝導率が上昇すること、および機械的強度が高くなることが知られている。
　たとえば、熱伝導率は、高分子重合体部４５にナノ粒子が混在していない場合には、たとえば、０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であったものが、たとえば、０．４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度まで上昇する。この結果、放熱効果をより大きくできることから電流をより流すことができるため、収納出力、すなわち単位体積当たりの出力を高めることができる。
　また、機械的強度が高くなることにより、従来は巻線の固定作業に仮の補強等を要していたものが簡素化され、組立作業の効率化を図ることができる。
　以上のように、本実施形態によれば、絶縁構造における電気トリーの進展を抑制することができ、さらに収納出力の向上、組立作業の効率化を図ることができる。
　［その他の実施形態］
　以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、主絶縁テープの巻回がハーフラップ方式の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、長手方向に主絶縁テープの端部同士が隣接するような巻回方式であってもよい。
　さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
　実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
　５…軸受、６…フレーム、７…軸受ブラケット、１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、２３…積層導体、２４…固定子巻線導体、２５…ターン絶縁、３０…絶縁構造、４０…主絶縁テープ、４１…主絶縁層、４２…繊維強化部、４３…接合用高分子重合体、４５、４５ａ…高分子重合体部、４７…ナノ粒子入り含浸用高分子重合体、４８…ナノ粒子、４９…主絶縁部、５０…テープ巻き導体、６０…含浸装置、６１…容器、６２…真空排気配管、６２ａ…真空排気弁、６３…高分子重合体供給配管、６３ａ…高分子重合体供給弁、６５…加圧ガス、７０…第１の試験体、７０ａ…第２の試験体、７１…針電極、７１ａ…先端部分、７２…接地板、７５…電気トリー、９０…巻線組み込み一体物、１００…回転電機

Claims (6)

  1. 　絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造の製造方法であって、
    　主絶縁テープにより前記絶縁対象物の外側にテーピングして主絶縁部を形成するテーピングステップと、
    　前記テーピングステップ後に、テーピングされた前記絶縁対象物を真空引きする真空引きステップと、
    　前記真空引きステップの後に、前記主絶縁部に、ナノ粒子を混練したナノ粒子入り含浸用高分子重合体を圧入して含浸させる含浸ステップと、
    　を有することを特徴とする絶縁構造製造方法。
  2. 　前記絶縁対象物は回転電機の固定子巻線の積層導体であって、
    　前記テーピングステップの後であって、前記真空引きステップの前に、前記テーピングされた積層導体を固定子に組み込み、巻線組み込み一体物に組み立てる組み立てステップをさらに有し、
    　前記真空引きステップは、前記巻線組み込み一体物を真空引きすることにより、前記テーピングされた前記絶縁対象物を真空引きする、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁構造製造方法。
  3. 　前記テーピングステップは、前記主絶縁テープの幅の半分ずつずらすハーフラップ方式により前記主絶縁テープを巻回することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の絶縁構造製造方法。
  4. 　前記ナノ粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素およびカーボンナノチューブの少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の絶縁構造製造方法。
  5. 　絶縁対象物の外表面を覆って当該絶縁対象物を電気的に絶縁するために前記絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造であって、
    　前記絶縁対象物の表面に沿って平面的に広がった主絶縁層と、
    　前記主絶縁層に沿って広がった繊維強化部と、
    　前記繊維強化部内に形成されて前記主絶縁層と前記繊維強化部とを互いに接合する高分子重合体部と、
    　を有し、
    　前記高分子重合体部には、ナノ粒子が散在していることを特徴とする絶縁構造。
  6. 　軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
    　前記回転子鉄心の径方向外側に間隙をあけて設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内面に周方向に互いに間隔をあけて形成され前記固定子鉄心の軸方向の両端まで延びる複数のスロット内および前記固定子鉄心の軸方向外側に配された固定子巻線導体と、を有する固定子と、
    　前記ロータシャフトの前記回転子鉄心の軸方向の両側のそれぞれで前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、
    　前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
    　前記固定子巻線導体を電気的に絶縁するために前記固定子巻線導体に施された絶縁構造と、
    　を備えた回転電機であって、
    　前記絶縁構造は、
    　前記絶縁対象の表面に沿って平面的に広がった主絶縁層と、
    　前記主絶縁層に面して広がった繊維強化部と、
    　前記繊維強化部内および前記主絶縁層の周囲に形成された高分子重合体部と、
    　を有し、
    　前記高分子重合体部には、ナノ粒子が散在していることを特徴とする回転電機。
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