WO2019077821A1 - 回転電機 - Google Patents

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WO2019077821A1
WO2019077821A1 PCT/JP2018/026703 JP2018026703W WO2019077821A1 WO 2019077821 A1 WO2019077821 A1 WO 2019077821A1 JP 2018026703 W JP2018026703 W JP 2018026703W WO 2019077821 A1 WO2019077821 A1 WO 2019077821A1
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insulation
rotating electrical
electrical machine
insulator
wire
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French (fr)
Inventor
勇一郎 吉武
裕貴 木下
正一 丸山
直大 蛭田
鈴木 学
大輔 亀川
友樹 笠井
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/32Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/34Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine such as an electric motor, a generator, and an induction machine, and in particular, a rotating electrical machine which is driven by a high voltage causing partial discharge and includes mica having durability against partial discharge degradation in an insulator. About.
  • Insulating thinning to improve heat dissipation is important as one means of miniaturization technology.
  • it is possible to reduce the thickness of the insulation from the viewpoint of reducing the manufacturing running cost it is possible to shorten the process of taping the insulator, and it is possible to suppress an excessive facility operation.
  • thinning the insulation may increase the electric field between the coil and the core to cause discharge with a large charge, which may impair the reliability of the rotating electrical machine. Therefore, it is necessary to secure high insulation while thinning the insulation.
  • JP-A-8-19201 Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-200510
  • the present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine capable of achieving both downsizing of equipment, optimization of insulation life and reduction of manufacturing cost.
  • a rotating electrical machine comprising a rotor and a stator, the stator comprising a stator core and a stator coil mounted in a slot of the stator core, the stator coil being a wire
  • a wire bundle is formed by winding an insulation wire composed of wire insulation which is a first insulator coated with a conductor and the surface of the wire conductor, and a second wire is formed around the wire bundle.
  • An insulation having high insulation performance is used for wire insulation which is the first insulator, and a main insulation which is the second insulator is used as the first insulation.
  • An insulator with low insulation performance is used.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a stator coil of the rotary electric machine of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a longitudinal cross-sectional view of a stator coil of a rotary electric machine of a second embodiment.
  • FIG. 14 is a longitudinal cross-sectional view of a stator coil of a rotary electric machine of a third embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in the direction of a rotating shaft (shaft) showing the whole of a rotating electrical machine, which is common to all the embodiments.
  • shaft rotating shaft
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in the direction of a rotating shaft (shaft) showing the whole of a rotating electrical machine, which is common to all the embodiments.
  • the same components are denoted by the same names and reference numerals, and the repetitive description thereof will be omitted.
  • the rotating electrical machine includes a rotor 9 attached to a rotating shaft (shaft) 8 for rotation, and a stator 2 disposed around the rotor 9.
  • the stator 2 is composed of a stator core 4 and a stator coil 3 mounted on the stator core 4.
  • the stator core 4 is formed by laminating a plurality of electromagnetic thin steel plates in the axial direction, and on the inner diameter side of the stator core 4, a plurality of slots are formed extending axially and having a predetermined interval in the circumferential direction. And the linear part of the stator coil 3 is mounted in these several slots.
  • a stator frame for supporting the outer diameter side of the stator core 4, an end plate fixed to both axial ends of the stator frame, and the rotating shaft 8 on the end plate It has a bearing to support.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the stator coil 3 mounted in the slot 5 of the stator core 4.
  • the stator coil 3 forms a winding bundle by winding an insulation wire 15 consisting of a wire conductor 10 and a wire insulation 11 (first insulation) formed on the surface of the wire conductor 10.
  • a main insulation 12 (second insulation) is formed on the surface of the wire bundle 11 subjected to the wire insulation 11.
  • the stator coil 3 is composed of a linear portion 31 mounted in the slot 5 of the stator core 4 and a coil end portion 32 protruding out of the slot 5.
  • the wire insulation 11 is wound around a rectangular copper wire (wire conductor 10) which is chamfered to a corner. And the insulated insulated wire 15 is bundled to the number according to electric design. The compacting material 20 is interposed between the strands for the reason described later. After winding the wire bundle with the main insulation 12 (second insulation), the entire stator coil 3 is impregnated with epoxy resin and fixed.
  • the wire insulation 11 has high insulation performance, for example, is constructed by winding a mica tape. This is because, in the vicinity of the coil, the electric field is likely to be concentrated at the corners or air gaps due to its geometric structure, so that discharge is likely to occur. .
  • a compacting material 20 is used between adjacent insulating coils. This is to prevent the coils from coming apart during coil drawing and bending.
  • stator coil 3 having the main insulation 12 is firmly fitted in the slot 5 by fitting a weir (not shown) to the opening side of the slot 5. To support.
  • the main insulation 12 which is the second insulation layer an insulation material having lower insulation than the wire insulation 11 is applied. This is because the electrical stress in the second insulating region is lower than the electrical stress in the first insulation, the wire insulation 11. Further, also from the viewpoint of manufacturing cost, since the main insulation 12 which is the second insulation has a larger area to be insulated, it is desirable to apply a simpler and cheaper insulating material.
  • a glass tape or the like having low insulation performance is applied to the main insulation 12. Even if the insulation performance is lower than that of mica wound insulation, there is no problem if the insulation test as a whole of the rotary electric machine is satisfied. By giving priority to products which require a short manufacturing lead time, manufacturing costs can be reduced.
  • the wire insulation 11 which is the first insulation, uses an insulating material that is superior in insulation performance to the main insulation 12, which is the second insulation.
  • a mica tape is applied to the first wire insulation 11, and a relatively inexpensive glass tape is applied to the main insulation 12, which is the second insulation.
  • the compacting material 20 between the insulation wires 15 provided in the first embodiment is not used.
  • the reason for providing the compacting material 20 is to prevent variations in coil arrangement and the resulting weak points (air gaps, voids, etc.) on the insulating surface. Because the strength of the is strong, there is no problem even if some variations occur.
  • the present embodiment is provided with the insulation appropriateness configuration corresponding to the inverter surge in the inverter drive machine.
  • the inverter power conversion device
  • it is necessary to strengthen the insulation here because most of the voltage sharing of the surge voltage transiently falls on the first turn of the stator coil close to the lead.
  • the material with the most excellent insulation is applied to the wire insulation 111 of the first turn near the lead of the stator coil 3.
  • an insulation material having the same or lower insulation than the first turn is applied.
  • mica-wound insulation is applied only to the wire insulation 111 of the first turn, and glass-wound insulation is applied to the other wire insulation 11.
  • the insulation is strengthened according to the surge voltage. can do. Moreover, manufacturing cost can be held down by using the material whose insulation property is lower than that of the first turn for wire insulation of the other turns.
  • an insulating material in which nanoparticles or sub-nanoparticles are composited may be used.
  • the insulating material composited with nanoparticles or sub-nanoparticles extends the life of the insulator by lengthening the discharge deterioration path by the fine structure of the nanoparticles.
  • the insulation design electric field and thickness of the first insulator are a1 (V / m) and b1 (m) respectively, and the insulation design electric field and thickness of the second insulator are a2 (V / m) and b2 (m) respectively.
  • the insulation design will be described.
  • the design electric field value is a limited value, and the insulation distance applied to the first insulator is long. This makes it possible to reduce local electrical stress that may occur in the first insulator.
  • the local stress is due to coil angle R, void or peeling.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

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。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に絶縁性能が高い絶縁物を用い、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絶縁物を用いたものである。

Description

回転電機
 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。
 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。
 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。
 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。
 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)。
特開平8-19201号公報 特開昭60-200510号公報
 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。
 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。
 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に絶縁性能が高い絶縁物を用い、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絶縁物を用いたものである。
 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。
固定子を含む回転電機の全体を示す断面図である。 実施例1の回転電機の固定子コイルの縦断面図である。 実施例2の回転電機の固定子コイルの縦断面図である。 実施例3の回転電機の固定子コイルの縦断面図である。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
 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。
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

Claims (14)

  1.  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に絶縁性能が高い絶縁物を用い、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絶縁物を用いた回転電機。
  2.  請求項1に記載の回転電機において、
     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る回転電機。
  3.  請求項1に記載の回転電機において、
     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る回転電機。
  4.  請求項1に記載の回転電機において、
     前記第1の絶縁体が、マイカを含む絶縁体である回転電機。
  5.  請求項1に記載の回転電機において、
     前記第1の絶縁体が、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である回転電機。
  6.  請求項1に記載の回転電機において、
     前記第2の絶縁体が、ガラス材を含む絶縁体である回転電機。
  7.  請求項1に記載の回転電機において、
     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。
  8.  請求項1に記載の回転電機において、
     前記回転電機は、電力変換装置で駆動されるものであり、
     前記固定子コイルの口出しに近いターンの素線絶縁のみに、絶縁性能が最も高い絶縁材料を用いた回転電機。
  9.  請求項1に記載の回転電機において、
     絶縁素線間に素固め材を備える回転電機。
  10.  請求項1に記載の回転電機において、
     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。
  11.  請求項1に記載の回転電機において、
     定格電圧が1kV以上である回転電機。
  12.  請求項1に記載の回転電機において、
     前記回転電機は、車両用のモータである回転電機。
  13.  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、マイカテープを巻き回したものであり、
     前記主絶縁は、ガラステープのみを巻き回したものである回転電機。
  14.  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、インバータで駆動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素線絶縁から構成される絶縁素線を、巻き回して巻線束を形成し、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能が高い絶縁物を用い、前記第1ターン以外のその他のターンの素線絶縁に第1ターンよりも絶縁性能が低い絶縁物を用いた回転電機。
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