WO2022259501A1 - 回転電機及び回転電機の設計方法 - Google Patents

回転電機及び回転電機の設計方法 Download PDF

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coil
corona shield
resistance layer
nonlinear resistance
shield layer
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貴弘 梅本
成是 吉田
航 山下
竜也 中野
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a rotating electric machine.
  • a withstand voltage test is carried out on rotating electric machines to confirm that they have sufficient dielectric strength. In the withstand voltage test, for example, it is confirmed whether or not the insulation of the coil ends is damaged due to the occurrence of electrical discharge between the coil ends of the stator coil.
  • Patent Document 1 the end A of the low-resistance corona shield layer at ground potential is provided on the coil end of one adjacent stator coil, and the end A of the low-resistance corona shield layer is provided on the coil end of the other stator coil.
  • a design method is disclosed in which the distance between the end A and the end B of the low-resistance corona shield layer is the shortest.
  • the end A and the end B deviate from the positional relationship of the shortest distance, discharge may occur between the end A and the end B. was thought.
  • a conventional rotary electric machine in which the end A and the end B are the shortest distance can suppress the discharge generated between the end A and the end B.
  • a conventional rotating electric machine has a new problem that discharge may occur between two adjacent stator coils at a position farther from the stator iron core than end A and end B. .
  • the rotary electric machine includes a stator core 2 and a stator coil 3 on which a low-resistance corona shield layer 9 is laminated. , and has a convex end 11 and a concave end 12, the position of the convex end 11 being longer in the longitudinal direction of the coil than the position of the concave end 12 of the adjacent coil. Accordingly, it is arranged on the opposite side of the stator core 2 with a deviation amount D, and the deviation amount D is equal to or less than the concave side saturation distance d max .
  • the rotary electric machine according to the technology disclosed herein has the above configuration, the potential difference in the region farther from the stator core than the ends A and B can be reduced. Due to this action, the rotating electrical machine according to the technology of the present disclosure can suppress the occurrence of discharge in a region farther from the stator core than the ends A and B.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a turbine generator 1 that is an example of a rotating electric machine according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a perspective cross-sectional view schematically showing the insulating structure near the exit of the slot 4 of the stator core 2 of the rotary electric machine.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the insulation structure near the outlet of the slot 4 of the stator core 2 of the rotating electric machine.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of the structure of the coil ends 5 of the stator coil 3.
  • FIG. 5 is a perspective view of the structure of the coil end 5 shown in FIG. 4 as viewed from below.
  • FIG. 5 is a perspective view of the structure of the coil end 5 shown in FIG. 4 as viewed from below.
  • FIG. 6 is an enlarged view showing a main part of a coil end of a stator coil of a conventional turbine generator.
  • FIG. 7 is a graph showing the surface potential distribution of coil surfaces facing each other in adjacent coils of a conventional turbine generator.
  • FIG. 8 is an enlarged view showing a main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the turbine generator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing surface potential distributions of coil surfaces facing each other in adjacent stator coils 3 of the turbine generator 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 10 is an enlarged view showing a main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the turbine generator 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is an enlarged view showing a main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the turbine generator 1 according to Embodiment 3.
  • FIG. 12 is a graph of the surface potential distribution of coil surfaces facing each other in adjacent stator coils 3 of the turbine generator 1 according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing major dimensions for determining the shape of the low-resistance corona shield layer 9, which is a major component.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of a simulation result of an electric field generated between adjacent coils when L and D shown in FIG. 13 are changed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a turbine generator 1 that is an example of a rotating electric machine according to Embodiment 1.
  • the turbine generator 1 has a stator and a rotor 6 as constituent elements.
  • the stator includes a stator core 2 , two stator coils 3 (stator coil 3 a, stator coil 3 b ), slots 4 and coil ends 5 .
  • the slots 4 are grooves provided on the inner peripheral surface of the stator core 2 , and are provided in plurality at intervals in the circumferential direction of the stator core 2 .
  • the slots 4 are structures for guiding the coil conductors 7 forming the stator coils 3 .
  • the coil end 5 is the name of the part of the stator coil 3 (stator coil 3 a, stator coil 3 b ) protruding from the slot 4 .
  • the stator coils 3a and 3b are housed in different grooves of the slots 4. As shown in FIG.
  • the coil end 5 of the stator coil 3a and the coil end 5 of the stator coil 3b are electrically connected.
  • the rotor 6 is arranged coaxially with the stator. Although details are not shown, the rotor 6 has a cylindrical rotor core and rotor coils provided on the rotor core. The rotor 6 is rotatable about its axis. A field current flows through the rotor coil of the rotor 6 . An induced electromotive force is generated in the coil conductors 7 of the stator coil 3 by rotating the rotor 6 with respect to the stator while the field current is flowing through the rotor coil.
  • FIG. 2 is a perspective cross-sectional view schematically showing the insulating structure near the outlet of the slot 4 of the stator core 2 of the rotating electric machine.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the insulation structure near the outlet of the slot 4 of the stator core 2 of the rotating electric machine.
  • the stator coil 3 of a high-voltage rotating electric machine is formed by winding a mica tape excellent in corona resistance characteristics a predetermined number of times around the outer periphery of a coil conductor 7 in which a plurality of wire conductors are bundled, and is coated with heat such as epoxy resin.
  • a curable resin is vacuum-pressurized and impregnated, and a heat curing treatment is performed to form the main insulating layer 8 .
  • a low-resistance corona shield layer 9 is applied to the outermost periphery of the main insulating layer 8 .
  • the low-resistance corona shield layer 9 acts to eliminate the potential difference between the stator core 2 at ground potential and the outermost circumference of the stator coil 3, thereby suppressing partial discharge.
  • the low-resistance corona shield layer 9 is applied to both the portion accommodated in the slot 4 and the portion outside the slot 4 .
  • the low-resistance corona shield layer 9 is formed by adding nanometer- to micrometer-sized conductive liquid fine particles such as carbon to an organic polymer material such as an epoxy resin and curing the material at room temperature or by heating. It is often done.
  • the surface potential of the stator coil 3 rises along the longitudinal direction of the coil starting from the end of the low-resistance corona shield layer 9 and reaches the same potential as the potential applied to the coil conductor 7 at the coil end 5 .
  • the end of the low-resistance corona shield layer 9 has a high creeping electric field along the coil surface and is a location where partial discharge is likely to occur. Therefore, the nonlinear resistance layer 10 is often used in large generators operated at high voltage. As shown in FIG. 3, the non-linear resistance layer 10 is applied so as to partially overlap the edges of the low resistance corona shield layer 9 . The nonlinear resistance layer 10 relaxes the electric field along the coil surface and suppresses the occurrence of creeping discharge.
  • the non-linear resistance layer 10 is made of a functional material called a non-linear resistance material, as the name suggests.
  • a non-linear resistance material has a characteristic that the resistivity is not constant but decreases as the applied electric field value increases.
  • a nonlinear resistance material used for a large rotating machine such as the turbine generator 1 is obtained by filling an organic polymer material such as epoxy or polyester with fine particles of silicon carbide having a particle size of several micrometers to several tens of micrometers. It is often manufactured by
  • the nonlinear resistance layer 10 may be layered by any method.
  • the nonlinear resistance layer 10 may be omitted.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of the structure of the coil end 5 of the stator coil 3.
  • FIG. 5 is a perspective view of the structure of the coil end 5 shown in FIG. 4 as viewed from below.
  • the cross-sectional shape of the stator coil 3 does not have to be square, and may be rectangular with one side longer.
  • the ends of the low-resistance corona shield layer 9 are not perpendicular to the longitudinal direction of the coil. Specifically, the ends of the low-resistance corona shield layer 9 are formed obliquely with respect to the longitudinal direction of the coil on the short side of the cross section of the coil. On the lower surface of the stator coil 3 in FIG. 5, the end of the low-resistance corona shield layer 9 protrudes to the opposite side (distant) of the stator core 2 .
  • This flared end is referred to herein as the convex end 11 . 4
  • the end of the low-resistance corona shield layer 9 is on the side closer to the stator core 2. As shown in FIG. This near end is referred to herein as the concave end 12 .
  • a withstand voltage test of a large rotating electric machine twice the rated voltage plus 1 [kV] is applied to the coil conductor 7 of the stator coil 3 as a test voltage.
  • the rated voltage of the turbine generator 1 depends on the generator capacity, it is often 15 [kV] to 30 [kV] in effective value.
  • the test voltage during the withstand voltage test is from 31 [kV] to 61 [kV]. If the voltage applied to the coil conductor 7 is within this range, discharge may occur not only due to the creeping electric field in the stator coil 3 alone, but also due to the electric field generated between two adjacent stator coils 3.
  • FIG. 6 is an enlarged view showing the main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the conventional turbine generator 1.
  • the shortest distance is between the convex end 11 of the low-resistance corona shield layer 9 and the concave end 12 of the adjacent low-resistance corona shield layer 9 of the stator coil 3.
  • the line segment connecting the convex side end portion 11 and the concave side end portion 12 is perpendicular to the longitudinal direction of the coil.
  • the conductor closest to the convex end 11 is the concave end 12, and both the convex end 11 and the concave end 12 are at the ground potential, so the low resistance corona shield layer 9 is formed. The occurrence of discharge between adjacent coils at the end position of the coil could be suppressed.
  • FIG. 7 is a graph showing surface potential distributions of coil surfaces facing each other in adjacent coils of a conventional structure.
  • the horizontal axis indicates the position along the longitudinal direction of the coil
  • the vertical axis indicates the potential difference from the ground potential.
  • a solid-line curve in the graph indicates the surface potential distribution at a position along the longitudinal direction of the coil passing through the convex end 11, that is, at a position indicated by a solid-line arrow in FIG.
  • the dashed curve in the graph indicates the surface potential distribution at the position along the longitudinal direction of the coil passing through the concave end 12, that is, at the position indicated by the dashed arrow in FIG.
  • the surface potential of the nonlinear resistance layer 10 has a steeper slope on the side with the convex end 11 than on the side with the concave end 12 .
  • the inventors have found that the cause of the occurrence of discharge between adjacent coils is the difference in surface potential occurring in the nonlinear resistance layer 10 .
  • FIG. 8 is an enlarged view showing a main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the turbine generator 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 8 in the turbine generator 1 according to the first embodiment, the convex end 11 of the low-resistance corona shield layer 9 and the concave end 12 of the low-resistance corona shield layer 9 of the stator coil 3 adjacent to each other. is shifted from the position where the distance is the shortest.
  • the position of the convex end 11 is displaced from the position of the shortest distance along the longitudinal direction of the coil in the direction away from the stator core 2. .
  • FIG. 9 is a graph showing the surface potential distribution of coil surfaces facing each other in adjacent stator coils 3 of the turbine generator 1 according to Embodiment 1.
  • a solid-line curve in the graph indicates the surface potential distribution at a position along the longitudinal direction of the coil passing through the convex end 11, that is, at a position indicated by a solid-line arrow in FIG.
  • the dashed curve in the graph indicates the surface potential distribution at the position along the longitudinal direction of the coil passing through the concave end 12, that is, at the position indicated by the dashed arrow in FIG.
  • concave saturation distance d max the distance from the position of the concave end 12 to the upper limit of the dashed line curve.
  • This shift amount D is smaller than the concave side saturation distance d max , and may be, for example, about one third of the concave side saturation distance d max . Comparing the graph of FIG. 7 and the graph of FIG. 9, the turbine generator 1 according to the disclosed technique has a smaller maximum value of the surface potential difference occurring in the nonlinear resistance layer 10 compared to the conventional structure. I understand.
  • the rotary electric machine according to Embodiment 1 Since the rotary electric machine according to Embodiment 1 has the above configuration, the maximum value of the difference in surface potential generated in the nonlinear resistance layer 10 can be reduced compared to the conventional one. Due to this action, the rotary electric machine according to the first embodiment has an effect of suppressing discharge occurring between adjacent coils.
  • turbogenerator 1 has been described as an example in the first embodiment, the rotating electric machine according to the technology disclosed herein is not limited to the turbogenerator 1 .
  • the technology disclosed herein is suitable for other rotating electrical machines, particularly large rotating electrical machines.
  • the turbogenerator 1 having the nonlinear resistance layer 10 has been described as an example, but the technology disclosed herein is not limited to this.
  • the technology disclosed herein can also be applied to a rotating electric machine that does not have the nonlinear resistance layer 10 .
  • FIG. 10 is an enlarged view showing a main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the turbine generator 1 according to the second embodiment.
  • the turbine generator 1 according to Embodiment 2 includes a first nonlinear resistance layer 13 and a second nonlinear resistance layer 14 instead of the nonlinear resistance layer 10 .
  • the first nonlinear resistance layer 13 is applied so as to partially overlap the edge of the low resistance corona shield layer 9 .
  • the second nonlinear resistance layer 14 is applied so as to partially overlap the edge of the first nonlinear resistance layer 13 .
  • the connecting portion between the first nonlinear resistance layer 13 and the second nonlinear resistance layer 14 may be perpendicular to the longitudinal direction of the coil.
  • the second nonlinear resistance layer 14 according to the second embodiment is selected to have a resistivity higher than that of the first nonlinear resistance layer 13 .
  • the reason for adopting the second nonlinear resistance layer 14 whose resistivity is higher than that of the first nonlinear resistance layer 13 is that the surface potential distribution on the side where the convex side end 11 is located and the concave side end 12 are present. This is to bring the surface potential distribution closer to the surface potential distribution on the side.
  • the turbine generator 1 according to the second embodiment has a concave end portion of the low-resistance corona shield layer 9 of the stator coil 3 adjacent to the convex end portion 11 of the low-resistance corona shield layer 9. 12 are shifted from the position where the shortest distance is provided. Specifically, in the turbine generator 1 according to Embodiment 2, the position of the convex end 11 is displaced from the position of the shortest distance along the longitudinal direction of the coil in the direction away from the stator core 2. .
  • the material and shape of the first non-linear resistance layer 13, the material and shape of the second non-linear resistance layer 14, and the material and shape of the low-resistance corona shield layer 9 are determined according to the surface potential distribution on the side where the convex end 11 is located. It may be determined based on the result of simulation with the surface potential distribution on the side where the concave end 12 is located.
  • the rotating electrical machine according to Embodiment 2 Since the rotating electrical machine according to Embodiment 2 has the above configuration, the surface potential distribution on the side where the convex end 11 is present and the surface potential distribution on the side where the concave end 12 is present are closer than in the conventional case. Due to this action, the rotary electric machine according to the second embodiment has the effect of suppressing discharge occurring between adjacent coils and suppressing the generation of unnecessary Joule heat.
  • FIG. 11 is an enlarged view showing a main part of the coil end 5 of the stator coil 3 of the turbine generator 1 according to Embodiment 3.
  • the turbogenerator 1 according to the third embodiment has the same components as the turbogenerator 1 according to the second embodiment.
  • the turbine generator 1 according to Embodiment 3 shown in FIG. 11 differs from that of Embodiment 2 in the aspect of the connecting portion between the first nonlinear resistance layer 13 and the second nonlinear resistance layer 14 .
  • the connecting portion between the first nonlinear resistance layer 13 and the second nonlinear resistance layer 14 is oblique to the longitudinal direction of the coil.
  • the edge of the first nonlinear resistance layer 13 on the second nonlinear resistance layer 14 side may be parallel to the edge of the low resistance corona shield layer 9 .
  • the reason why the connecting portion between the first nonlinear resistance layer 13 and the second nonlinear resistance layer 14 is inclined with respect to the longitudinal direction of the coil is that the surface potential distribution on the side where the convex side end 11 is located and the This is because the surface potential distribution on the side where the concave side end portion 12 is located is brought closer.
  • FIG. 12 is a graph of the surface potential distribution of coil surfaces facing each other in the adjacent stator coils 3 of the turbine generator 1 according to the third embodiment.
  • the horizontal axis indicates the position along the longitudinal direction of the coil
  • the vertical axis indicates the potential difference from the ground potential.
  • a solid-line curve in the graph indicates the surface potential distribution at a position along the longitudinal direction of the coil passing through the convex end 11, that is, at a position indicated by a solid-line arrow in FIG.
  • the dashed curve in the graph indicates the surface potential distribution at the position along the longitudinal direction of the coil passing through the concave end 12, that is, at the position indicated by the dashed arrow in FIG.
  • the material and shape of the first non-linear resistance layer 13, the material and shape of the second non-linear resistance layer 14, and the material and shape of the low-resistance corona shield layer 9 are the surface on the side where the convex end 11 is located. It may be determined based on the simulation results of the potential distribution and the surface potential distribution on the side where the concave end 12 is located.
  • the rotating electric machine according to Embodiment 3 Since the rotating electric machine according to Embodiment 3 has the above configuration, the surface potential distribution on the side where the convex end 11 is present and the surface potential distribution on the side where the concave end 12 is present are closer than in the conventional case. Due to this action, the rotary electric machine according to the third embodiment has the effect of suppressing discharge occurring between adjacent coils and suppressing the generation of unnecessary Joule heat.
  • Embodiment 4 The disclosed technology is characterized in that the position of the convex side end 11 is shifted in the direction away from the stator core 2 along the longitudinal direction of the coil from the position of the shortest distance. Since this shift amount D is smaller than the concave side saturation distance d max , it is necessary to be able to specify the concave side saturation distance d max . Further, as described above, the material and shape of the first nonlinear resistance layer 13, the material and shape of the second nonlinear resistance layer 14, and the material and shape of the low-resistance corona shield layer 9 are set on the side where the convex end 11 is located. and the surface potential distribution on the side where the concave end 12 is located.
  • Embodiment 4 shows and clarifies an example of a method for designing the shape of the low-resistance corona shield layer 9, which is a main component of the rotary electric machine according to the technology of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing major dimensions for determining the shape of the low-resistance corona shield layer 9, which is a major component.
  • the shape of the low-resistance corona shield layer 9 depends on the distance L between the convex end 11 and the concave end 12 along the longitudinal direction of the coil, and the adjacent convex end 11 of a certain coil. It is the displacement amount D from the position of the shortest distance to the concave side end portion 12 of the coil.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of simulation results of electric fields generated between adjacent coils when L and D shown in FIG. 13 are changed.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 14 represents D/L
  • the vertical axis represents the average electric field generated between adjacent coils. Note that the average electric field on the vertical axis is represented by the value when the average electric field is 1 when the deviation amount D is 0.
  • the simulation results shown in FIG. 14 may be obtained by transient electric field analysis, for example.
  • the dimensions of L and D may be determined based on the simulation results shown in FIG. 14, for example. For example, in designing a rotating electric machine, dimensions may be determined so that D/L is 0.2 or more and 1 or less, more preferably 0.6 or more and 0.8 or less.
  • the rotating electric machine produced by the design method shown in the fourth embodiment has the features of the technology disclosed herein, the surface potential distribution on the side where the convex side end 11 is present and the concave side end 12 are different than in the conventional case.
  • the surface potential distribution on one side becomes closer. Due to this action, the rotary electric machine produced by the design method shown in the fourth embodiment has the effect of suppressing discharge occurring between adjacent coils and suppressing the generation of unnecessary Joule heat.
  • the disclosed technology has industrial applicability because it can be applied to, for example, a rotating electric machine such as a turbine generator.
  • 1 turbine generator 2 stator core, 3, 3a, 3b stator coil, 4 slot, 5 coil end, 6 rotor, 7 coil conductor, 8 main insulation layer, 9 low resistance corona shield layer, 10 nonlinear resistance layer , 11 convex side end, 12 concave side end, 13 first nonlinear resistance layer, 14 second nonlinear resistance layer.

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Abstract

本開示技術に係る回転電機は、固定子鉄心（２）と、低抵抗コロナシールド層（９）が成層されている固定子コイル（３）と、を含み、前記低抵抗コロナシールド層（９）は端部がコイル長手方向に対して斜めに形成され、凸側端部（１１）と凹側端部（１２）とを有し、前記凸側端部（１１）の位置が隣接するコイルの前記凹側端部（１２）の位置よりもコイル長手方向にそって前記固定子鉄心（２）とは逆側にずれ量Ｄだけずれて配置され、前記ずれ量Ｄは、凹側飽和距離ｄｍａｘ以下である。

Description

回転電機及び回転電機の設計方法
　本開示技術は、回転電機に関する。
　回転電機は、十分な絶縁耐力があるかを確認するため、耐電圧試験が実施される。耐電圧試験は、例えば固定子コイルのコイル端部同士の間で放電が発生してコイル端部の絶縁が損傷を受けないか等が確認される。
　特許文献１には、隣り合う一方の固定子コイルのコイル端部上に設けられたアース電位である低抵抗コロナシールド層の端部Ａとし、他方の固定子コイルのコイル端部上に設けられた低抵抗コロナシールド層の端部Ｂとしたとき、端部Ａと端部Ｂとを最短距離にする設計方法が開示されている。特許文献１に例示される先行技術においては、端部Ａと端部Ｂとが最短距離の位置関係からずれると、端部Ａと端部Ｂとの間で放電が発生するおそれがある、と考えられていた。
特開２００３－３３３７８６号公報
　端部Ａと端部Ｂとが最短距離にある従来の回転電機は、端部Ａと端部Ｂとの間で生じる放電を抑えることができる。しかし従来の回転電機は、隣り合う２つの固定子コイル間において、端部Ａと端部Ｂよりも固定子鉄心から離れた位置において、放電が発生することがあるという新たな課題がわかってきた。
　本開示技術に係る回転電機は、固定子鉄心２と、低抵抗コロナシールド層９が成層されている固定子コイル３と、を含み、前記低抵抗コロナシールド層９は端部がコイル長手方向に対して斜めに形成され、凸側端部１１と凹側端部１２とを有し、前記凸側端部１１の位置が隣接するコイルの前記凹側端部１２の位置よりもコイル長手方向にそって前記固定子鉄心２とは逆側にずれ量Ｄだけずれて配置され、前記ずれ量Ｄは、凹側飽和距離ｄｍａｘ以下である。
　本開示技術に係る回転電機は上記構成を備えるため、端部Ａと端部Ｂよりも固定子鉄心から離れた領域における電位差を小さくすることができる。この作用のため本開示技術に係る回転電機は、端部Ａと端部Ｂよりも固定子鉄心から離れた領域における放電発生を抑制することができる。
図１は、実施の形態１に係る回転電機の一例であるタービン発電機１の構成を示す断面図である。 図２は、回転電機の固定子鉄心２のスロット４の出口付近の絶縁構造を模式的に示す斜視断面図である。 図３は、回転電機の固定子鉄心２のスロット４の出口付近の絶縁構造を模式的に示す断面図である。 図４は、固定子コイル３のコイルエンド５の構造の一例を示す斜視図である。 図５は、図４に示すコイルエンド５の構造を下から見上げたときの斜視図である。 図６は、従来のタービン発電機の固定子コイルのコイルエンドの要部を示す拡大図である。 図７は、従来構造のタービン発電機の隣接するコイルにおいて、互いに向き合っているコイル面の表面電位分布を示すグラフである。 図８は、実施の形態１に係るタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。 図９は、実施の形態１に係るタービン発電機１の隣接する固定子コイル３において、互いに向き合っているコイル面の表面電位分布を示すグラフである。 図１０は、実施の形態２に係るタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。 図１１は、実施の形態３に係るタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。 図１２は、実施の形態３に係るタービン発電機１の隣接する固定子コイル３において、互いに向き合っているコイル面の表面電位分布のグラフである。 図１３は、主要構成要素である低抵抗コロナシールド層９の形状の決定に係る主要寸法の箇所を示した模式図である。 図１４は、図１３に示すＬとＤとを変化させたときの隣接するコイル間に生じる電界のシミュレーション結果の例を示したグラフである。
　本開示技術に係る回転電機は、以下の実施の形態ごとの図面を参照した説明により明らかになる。特に明記をする場合を除き、実施の形態が異なっていても同じ構成要素には同じ符号が用いられる。背景技術で用いた端部Ａと端部Ｂとの表現は、実施の形態の中では凸側端部１１と凹側端部１２とを用いる。また、実施の形態２以降において、重複する説明は適宜省略される。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る回転電機の一例であるタービン発電機１の構成を示す断面図である。図１が示すとおりタービン発電機１は、固定子及び回転子６を構成要素とする。固定子は、固定子鉄心２と、２つの固定子コイル３（固定子コイル３ａ、固定子コイル３ｂ）と、スロット４と、コイルエンド５と、を含む。スロット４は、固定子鉄心２の内周面に設けられた溝であり、固定子鉄心２の周方向へ互いに間隔を開けて複数設けられている。スロット４は、固定子コイル３を構成するコイル導体７を誘導するための構造である。コイルエンド５は、固定子コイル３（固定子コイル３ａ、固定子コイル３ｂ）のうち、スロット４からはみ出た部分の名称である。固定子コイル３ａと固定子コイル３ｂとは、スロット４の異なる溝に収納されている。また固定子コイル３ａのコイルエンド５と固定子コイル３ｂのコイルエンド５とは、電気的に接続されている。
　回転子６は、固定子と同軸に配置されている。詳細は図示していないが回転子６は、円柱状の回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた回転子コイルと、を有する。回転子６は、軸線を中心として回転可能である。回転子６の回転子コイルには、界磁電流が流れる。回転子コイルに界磁電流が流れている状態で回転子６が固定子に対して回転することにより、固定子コイル３のコイル導体７には誘導起電力が発生する。
　図２は、回転電機の固定子鉄心２のスロット４の出口付近の絶縁構造を模式的に示す斜視断面図である。図３は、回転電機の固定子鉄心２のスロット４の出口付近の絶縁構造を模式的に示す断面図である。
　一般に、高電圧回転電機の固定子コイル３は、素線導体が複数束ねられたコイル導体７の外周部に、耐コロナ特性に優れたマイカテープが所定回数だけ巻回され、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が真空加圧含浸され、加熱硬化処理が行われ主絶縁層８が形成される。
　主絶縁層８の最外周部には、低抵抗コロナシールド層９が施されている。低抵抗コロナシールド層９は、接地電位にある固定子鉄心２と固定子コイル３の最外周との電位差を無くす作用をし、部分放電が抑制される。低抵抗コロナシールド層９は、スロット４に収納されている部分においてもスロット４の外に出た部分においても施されている。
　低抵抗コロナシールド層９は、ナノメートルサイズからマイクロメートルサイズのカーボン等の導電性の液状の微粒子を、エポキシ樹脂等の有機高分子材料に添加し、常温であるいは加熱することで硬化させて形成されることが多い。
　固定子コイル３の表面電位は、低抵抗コロナシールド層９の端部を起点としてコイル長手方向に沿って上昇し、コイルエンド５においてはコイル導体７に加わる電位と同電位になる。
　低抵抗コロナシールド層９の端部は、コイル表面に沿った沿面電界が高く、部分放電が発生しやすい箇所である。そこで、高電圧で運用される大型発電機では、よく非線形抵抗層１０が用いられる。図３が示すとおり非線形抵抗層１０は、一部が低抵抗コロナシールド層９の端部と重なるように施される。非線形抵抗層１０は、コイル表面に沿った電界を緩和し、沿面放電の発生を抑制する。非線形抵抗層１０は、その名が示すとおり非線形抵抗材料と呼ばれる機能性材料で作られる。非線形抵抗材料は抵抗率が一定ではなく、印加される電界値の上昇に伴って抵抗率が低下する特徴を有する。
　タービン発電機１などの大型回転機に用いられる非線形抵抗材料は、数マイクロメートルから数１０マイクロメートル程度の粒径を有するシリコンカーバイドの微粒子を、エポキシポ又はポリエステル等の有機高分子材料中に充填させて製造されることが多い。
　非線形抵抗層１０の成層方法はいくつか開示されているが、例えば以下の方法でよい。１つは、シリコンカーバイドの微粒子と有機高分子材料との混合物を、半硬化状態でテープ形状とし、コイル表面に巻回して熱硬化させる方法である。もう１つは、シリコンカーバイドの微粒子と有機高分子材料との混合物を、硬化前の液体の状態でコイル表面に塗布し、乾燥させる方法である。本開示技術に係る回転電機は、どのような方法によって非線形抵抗層１０が成層されてもよい。
　なお、定格電圧が数キロボルト程度の比較的低電圧の回転電機においては、低抵抗コロナシールド層９端部付近の電界集中による部分放電の可能性が低い。この場合、非線形抵抗層１０はなくてもよい。
　図４は、固定子コイル３のコイルエンド５の構造の一例を示す斜視図である。また図５は、図４に示すコイルエンド５の構造を下から見上げたときの斜視図である。図４及び図５が示すとおり固定子コイル３の断面形状は、正方形である必要はなく、いずれか一方の辺が長い長方形であってよい。
　図４及び図５は、低抵抗コロナシールド層９の端部が、コイル長手方向に対して直角に形成されていないことを示している。具体的に低抵抗コロナシールド層９の端部は、コイル断面の短辺側において、コイル長手方向に対して斜めに形成されている。図５における固定子コイル３の下面は、低抵抗コロナシールド層９の端部が固定子鉄心２とは逆側（遠方）に張り出している。この張り出している方の端部は、本明細書では凸側端部１１と記載する。また図４における固定子コイル３の上面は、低抵抗コロナシールド層９の端部が固定子鉄心２に近い側にある。この近い側にある端部は、本明細書では凹側端部１２と記載する。
　大型の回転電機の耐電圧試験では、定格電圧の２倍プラス１［ｋＶ］が試験電圧として固定子コイル３のコイル導体７に印加される。タービン発電機１の定格電圧は発電機容量によるが、実効値で１５［ｋＶ］から３０［ｋＶ］であることが多い。この場合、耐電圧試験時の試験電圧は３１［ｋＶ］から６１［ｋＶ］である。コイル導体７に印加される電圧がこの範囲にあると、固定子コイル３単体での沿面電界だけでなく、隣接した２本の固定子コイル３間に生じる電界によっても、放電が発生する可能性がある。
　図６は、従来のタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。図６が示すとおり従来のタービン発電機１では、低抵抗コロナシールド層９の凸側端部１１と隣接した固定子コイル３の低抵抗コロナシールド層９の凹側端部１２とが最短距離となっていた。言い換えれば従来は、凸側端部１１と凹側端部１２とを結ぶ線分がコイル長手方向に対して直交していた。凸側端部１１から見て、最も近い位置にある導体が凹側端部１２であり、凸側端部１１と凹側端部１２とは共に接地電位であるから、低抵抗コロナシールド層９の端部位置での隣接したコイル間の放電発生は抑制できていた。
　従来のタービン発電機１は、上記の構成を備えているにもかかわらず、隣接するコイル間で放電が発生することがあるという新たな課題がわかってきた。そこで発明者は、従来構造に係る回転電機について、コイル面の表面電位分布を調査するために３次元の過渡電界解析を行った。図７は、従来構造の隣接するコイルにおいて、互いに向き合っているコイル面の表面電位分布を示すグラフである。
　図７のグラフにおいて、横軸はコイル長手方向に沿った位置を、縦軸は接地電位との電位差を、それぞれ示している。グラフ中の実線の曲線は、凸側端部１１を通るコイル長手方向に沿った位置、すなわち図６の実線矢印が付された位置での表面電位分布を示している。またグラフ中の破線の曲線は、凹側端部１２を通るコイル長手方向に沿った位置、すなわち図６の破線矢印が付された位置での表面電位分布を示している。
　図７のグラフが示すとおり非線形抵抗層１０での表面電位は、凸側端部１１がある側が、凹側端部１２がある側と比べて傾きが急であることがわかった。発明者は、隣接するコイル間で放電が発生する原因は、この非線形抵抗層１０で生じる表面電位の差にあることを突き止めた。
　図８は、実施の形態１に係るタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。図８が示すとおり実施の形態１に係るタービン発電機１は、低抵抗コロナシールド層９の凸側端部１１と隣接した固定子コイル３の低抵抗コロナシールド層９の凹側端部１２とが最短距離となる位置からずらして配置がなされている。具体的に言えば実施の形態１に係るタービン発電機１は、凸側端部１１の位置が、最短距離となる位置よりもコイル長手方向に沿って固定子鉄心２から遠ざかる方向へずれている。
　図９は、実施の形態１に係るタービン発電機１の隣接する固定子コイル３において、互いに向き合っているコイル面の表面電位分布を示すグラフである。図９のグラフも図７のグラフと同様に、横軸はコイル長手方向に沿った位置を、縦軸は接地電位との電位差を、それぞれ示している。グラフ中の実線の曲線は、凸側端部１１を通るコイル長手方向に沿った位置、すなわち図８の実線矢印が付された位置での表面電位分布を示している。またグラフ中の破線の曲線は、凹側端部１２を通るコイル長手方向に沿った位置、すなわち図８の破線矢印が付された位置での表面電位分布を示している。
図９のグラフの横軸において、凹側端部１２の位置から破線曲線が上限に達するまでの距離を、本明細書では凹側飽和距離ｄｍａｘと記載する。前述のとおり、実施の形態１に係るタービン発電機１は、凸側端部１１の位置が、最短距離となる位置よりもコイル長手方向に沿って固定子鉄心２から遠ざかる方向へずれている。このずれ量Ｄは、凹側飽和距離ｄｍａｘよりも小さく、例えば凹側飽和距離ｄｍａｘの３分の１程度であってよい。図７のグラフと図９のグラフとを比較すると、本開示技術に係るタービン発電機１は、従来構造のものと比較して、非線形抵抗層１０で生じる表面電位の差の最大値が小さいことがわかる。
　実施の形態１に係る回転電機は上記構成を備えるため、従来に比べて非線形抵抗層１０で生じる表面電位の差の最大値を小さく抑えることができる。この作用により実施の形態１に係る回転電機は、隣接するコイル間で生じる放電を抑えるという効果を奏する。
　実施の形態１ではタービン発電機１を例として説明したが、本開示技術に係る回転電機はタービン発電機１に限定されない。本開示技術は、他の回転電機、特に大型の回転電機に対して好適である。さらに実施の形態１では非線形抵抗層１０を有するタービン発電機１を例として説明したが、本開示技術はこれに限定されない。本開示技術は、非線形抵抗層１０を有しない回転電機にも適用できる。
実施の形態２．
　図１０は、実施の形態２に係るタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。図１０が示すとおり実施の形態２に係るタービン発電機１は、非線形抵抗層１０に代えて、第一の非線形抵抗層１３と、第二の非線形抵抗層１４と、を含む。
　第一の非線形抵抗層１３は、一部が低抵抗コロナシールド層９の端部と重なるように施される。第二の非線形抵抗層１４は、一部が第一の非線形抵抗層１３の端部と重なるように施される。図１０が示すように第一の非線形抵抗層１３と第二の非線形抵抗層１４との接続部は、コイル長手方向に対して直角であってよい。実施の形態２に係る第二の非線形抵抗層１４は、抵抗率が第一の非線形抵抗層１３の抵抗率よりも高いものが選ばれる。第一の非線形抵抗層１３の抵抗率よりも高い抵抗率である第二の非線形抵抗層１４を採用する理由は、凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とを近づけるためである。
　実施の形態１と同様に実施の形態２に係るタービン発電機１は、低抵抗コロナシールド層９の凸側端部１１と隣接した固定子コイル３の低抵抗コロナシールド層９の凹側端部１２とが最短距離となる位置からずらして配置がなされている。具体的に言えば実施の形態２に係るタービン発電機１は、凸側端部１１の位置が、最短距離となる位置よりもコイル長手方向に沿って固定子鉄心２から遠ざかる方向へずれている。
　第一の非線形抵抗層１３の材質及び形状、第二の非線形抵抗層１４の材質及び形状、並びに低抵抗コロナシールド層９の材質及び形状は、凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とのシミュレーション結果に基づいて、決定されればよい。
　凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とを近づけることは、電流がどちらか一方の側に偏って流れることをも防ぐ。どちらか一方の側に偏って電流が集中して流れれば、不必要なジュール熱も発生する。
　実施の形態２に係る回転電機は上記構成を備えるため、従来に比べて生じる凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とが近づく。この作用により実施の形態２に係る回転電機は、隣接するコイル間で生じる放電を抑えるとともに不必要なジュール熱の発生を抑えるという効果を奏する。
実施の形態３．
　図１１は、実施の形態３に係るタービン発電機１の固定子コイル３のコイルエンド５の要部を示す拡大図である。実施の形態３に係るタービン発電機１は、実施の形態２に係るタービン発電機１と構成要素が同じである。
　図１１が示す実施の形態３に係るタービン発電機１は、第一の非線形抵抗層１３と第二の非線形抵抗層１４との接続部の態様が実施の形態２と異なる。具体的に実施の形態３に係るタービン発電機１は、第一の非線形抵抗層１３と第二の非線形抵抗層１４との接続部がコイル長手方向に対して斜めである。例えば第一の非線形抵抗層１３の第二の非線形抵抗層１４側の端部は、低抵抗コロナシールド層９の端部と平行であってよい。このように第一の非線形抵抗層１３と第二の非線形抵抗層１４との接続部がコイル長手方向に対して斜めである態様の理由は、凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とを近づけるためである。
　図１２は、実施の形態３に係るタービン発電機１の隣接する固定子コイル３において、互いに向き合っているコイル面の表面電位分布のグラフである。図１２のグラフも図７又は図９のグラフと同様に、横軸はコイル長手方向に沿った位置を、縦軸は接地電位との電位差を、それぞれ示している。グラフ中の実線の曲線は、凸側端部１１を通るコイル長手方向に沿った位置、すなわち図１１の実線矢印が付された位置での表面電位分布を示している。またグラフ中の破線の曲線は、凹側端部１２を通るコイル長手方向に沿った位置、すなわち図１１の破線矢印が付された位置での表面電位分布を示している。
　前述のとおり第一の非線形抵抗層１３の材質及び形状、第二の非線形抵抗層１４の材質及び形状、並びに低抵抗コロナシールド層９の材質及び形状は、凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とのシミュレーション結果に基づいて、決定されればよい。
　実施の形態３に係る回転電機は上記構成を備えるため、従来に比べて生じる凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とが近づく。この作用により実施の形態３に係る回転電機は、隣接するコイル間で生じる放電を抑えるとともに不必要なジュール熱の発生を抑えるという効果を奏する。
実施の形態４．
　本開示技術は、凸側端部１１の位置が、最短距離となる位置よりもコイル長手方向に沿って固定子鉄心２から遠ざかる方向へずれていることを特徴としている。このずれ量Ｄは、凹側飽和距離ｄｍａｘよりも小さいため、凹側飽和距離ｄｍａｘを特定できている必要がある。
　また前述のとおり、第一の非線形抵抗層１３の材質及び形状、第二の非線形抵抗層１４の材質及び形状、並びに低抵抗コロナシールド層９の材質及び形状は、凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とのシミュレーション結果に基づいて決定される。
　実施の形態４は、本開示技術に係る回転電機について、主要構成要素である低抵抗コロナシールド層９の形状の設計方法について、一例を示し明らかにする。
　図１３は、主要構成要素である低抵抗コロナシールド層９の形状の決定に係る主要寸法の箇所を示した模式図である。図１３が示すとおり低抵抗コロナシールド層９の形状は、コイル長手方向に沿った凸側端部１１と凹側端部１２との距離Ｌと、或るコイルの凸側端部１１についての隣接するコイルの凹側端部１２との最短距離の位置からのずれ量Ｄである。
　図１４は、図１３に示すＬとＤとを変化させたときの隣接するコイル間に生じる電界のシミュレーション結果の例を示したグラフである。図１４に示すグラフの横軸はＤ／Ｌを表し、縦軸は隣接するコイル間に生じる平均電界を表している。なお縦軸の平均電界は、ずれ量Ｄが０のときの平均電界を１としたときの値で表されている。図１４に示すシミュレーション結果は、例えば過渡電界解析によって求めればよい。
　本開示技術に係る回転電機は、例えば図１４に示すシミュレーション結果に基づいて、ＬとＤとの寸法が決められてもよい。例えば回転電機の設計において、Ｄ／Ｌが０．２以上１以下、より好ましくは０．６以上０．８以下となるように寸法が決められてもよい。
　実施の形態４で示された設計方法で生産された回転電機は本開示技術の特徴を備えるため、従来に比べて生じる凸側端部１１がある側の表面電位分布と凹側端部１２がある側の表面電位分布とが近づく。この作用により実施の形態４で示された設計方法で生産された回転電機は、隣接するコイル間で生じる放電を抑えるとともに不必要なジュール熱の発生を抑えるという効果を奏する。
　本開示技術は、例えばタービン発電機等の回転電機に適用できるため、産業上の利用可能性がある。
　１　タービン発電機、　２　固定子鉄心、　３、３ａ、３ｂ　固定子コイル、　４　スロット、　５　コイルエンド、　６　回転子、　７　コイル導体、　８　主絶縁層、　９　低抵抗コロナシールド層、　１０　非線形抵抗層、　１１　凸側端部、　１２　凹側端部、　１３　第一の非線形抵抗層、　１４　第二の非線形抵抗層。

Claims (6)

  1. 　固定子鉄心と、
    　低抵抗コロナシールド層が成層されている固定子コイルと、を含み、
    　前記低抵抗コロナシールド層は端部がコイル長手方向に対して斜めに形成され、凸側端部と凹側端部とを有し、
    　前記凸側端部の位置が隣接するコイルの前記凹側端部の位置よりもコイル長手方向にそって前記固定子鉄心とは逆側にずれ量Ｄだけずれて配置され、
    　前記ずれ量Ｄは、凹側飽和距離ｄｍａｘ以下である回転電機。
  2. 　前記低抵抗コロナシールド層の前記端部に一部を重ねて形成された非線形抵抗層をさらに備えた請求項１に記載の回転電機。
  3. 　前記低抵抗コロナシールド層の前記端部に一部を重ねて形成された第一の非線形抵抗層と、
    　前記第一の非線形抵抗層の端部に一部を重ねて形成された第二の非線形抵抗層と、をさらに備え、
    　前記第二の非線形抵抗層は、抵抗率が前記第一の非線形抵抗層の抵抗率よりも高い請求項１に記載の回転電機。
  4. 　前記第一の非線形抵抗層の前記第二の非線形抵抗層と重ねた側の前記端部は、前記低抵抗コロナシールド層の前記端部と平行である請求項３に記載の回転電機。
  5. 　　前記ずれ量Ｄは、コイル長手方向に沿った前記凸側端部と前記凹側端部との距離Ｌとの関係において、Ｄ／Ｌが０．２以上１以下である請求項１に記載の回転電機。
  6. 　請求項１に記載の回転電機の設計方法であって、
    　前記ずれ量Ｄは、コイル長手方向に沿った前記凸側端部と前記凹側端部との距離Ｌとの関係において、Ｄ／Ｌを０．２以上１以下とする回転電機の設計方法。
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