WO2023105745A1 - コイル固定部材およびこれを用いた回転電機 - Google Patents

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WO2023105745A1
WO2023105745A1 PCT/JP2021/045501 JP2021045501W WO2023105745A1 WO 2023105745 A1 WO2023105745 A1 WO 2023105745A1 JP 2021045501 W JP2021045501 W JP 2021045501W WO 2023105745 A1 WO2023105745 A1 WO 2023105745A1
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fixing member
coil
coil fixing
layer
elastic layer
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PCT/JP2021/045501
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English (en)
French (fr)
Inventor
拓実 安田
Original Assignee
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
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure

Definitions

  • This application relates to a coil fixing member and a rotating electric machine using the same.
  • stator coils used in the stators of water turbine generators and turbine generators there is a coil fixing member between the stator coil and the iron core to prevent misalignment or wear due to electromagnetic vibration during operation. is inserted and fixed.
  • the coil fixing member is in contact with the stator coil and the iron core to provide electrical continuity, thereby playing a role in suppressing slot discharge that occurs in a minute space between the stator coil and the iron core.
  • the core surface in the slot has irregularities formed by lamination misalignment of the electromagnetic steel sheets, and the outer layer of the stator coil has irregularities formed by winding steps of the insulating layer. Due to these irregularities, there are many non-contact parts between the coil fixing member and the stator coil, and between the coil fixing member and the iron core. It prevents the heat generated in the child coil from being conducted to the iron core and dissipating.
  • the present application discloses a technique for solving the above-described problems, and provides a coil fixing member capable of preventing deterioration of cooling performance and suppressing deterioration of insulation performance, and a rotation using the same.
  • the purpose is to obtain electricity.
  • the coil fixing member disclosed in the present application includes an elastic layer having a spring structure made of a fibrous reinforcing material, and an adhesive layer formed on the elastic layer and made of a semi-cured prepreg material. It is prepared. Further, in the rotary electric machine disclosed in the present application, the coil fixing member is arranged between the coil and the iron core.
  • the coil fixing member and the rotating electrical machine using the coil fixing member capable of preventing deterioration of cooling performance and suppressing deterioration of insulation performance are provided. Obtainable.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing thicknesses of a connection layer and an elastic layer of the coil fixing member shown in FIG. 1;
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a rotating electrical machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a rotating electrical machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a rotating electrical machine using the coil fixing member according to Embodiment 1;
  • 1 is a cross-sectional view showing a rotating electric machine having a coil fixing member according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a coil fixing member according to Embodiment 2;
  • a coil fixing member according to Embodiment 1 will be described below with reference to the drawings.
  • the same reference numerals indicate the same or equivalent parts.
  • Embodiment 1. 1 is a sectional view showing a coil fixing member according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the thicknesses of the connection layer and the elastic layer of the coil fixing member shown in FIG.
  • the coil fixing member 1 of Embodiment 1 includes an elastic layer 7 having a spring structure 31 made of a fibrous reinforcing material 5, and a semi-hardened elastic layer 7 formed on the surface of the elastic layer 7. and an adhesive layer 6 formed of a prepreg material in a state. Further, as shown in FIG.
  • the fibrous reinforcing material 5 is a monofilament having a fiber length L1 longer than the thickness D2 of the elastic layer 7, and the spring structure 31 of the elastic layer 7 of Embodiment 1 is a monofilament. It has a three-dimensional network structure (loop structure) in which the fibrous reinforcing materials 5, which are fibers, are irregularly and continuously intertwined (looped).
  • the coil fixing member 1 of Embodiment 1 is formed of three layers including an elastic layer 7 and adhesive layers 6 coated on both the front and back surfaces of the elastic layer 7 .
  • the fibrous reinforcing material 5 is processed into a state (loop shape) that is irregularly and continuously entangled, and has a spring function in the direction of the thickness D2.
  • the coil fixing member 1 according to the first embodiment is formed by applying semi-cured adhesive layers 6 to both surfaces of the semi-cured elastic layer 7 .
  • the thickness D1 of the adhesive layer 6 is unevenness formed by lamination deviation of the electromagnetic steel sheets used for the iron core 15 in the iron core slot 16, or unevenness formed by winding steps of the main insulating layer 9 arranged on the outer layer of the coil conductor 8.
  • the thickness D2 of the elastic layer 7 is adjusted to such an extent that the adhesive layer 6 can be pressed against the wall surface of the core slot 16 and the side surface of the stator coil 24 with a predetermined pressure while the stator coil 24 is inserted into the core slot 16.
  • the elastic layer 7 is made of a semi-cured prepreg material.
  • the elastic layer 7 is a sheet-type material in which a spring structure 31 formed of a fibrous reinforcing material 5 is arranged in a rubber-like elastic body 4 containing a predetermined amount of a conductive filler 2 having conductivity.
  • the elastic body 4 is heat-cured and molded into a semi-cured state.
  • the fibrous reinforcing material 5 arranged in the rubber-like elastic body 4 constituting the elastic layer 7, which is the feature of the coil fixing member 1 of Embodiment 1, will be described.
  • the fibrous reinforcing material 5 preferably has a fiber length L1 and a flexural modulus sufficient to form a loop structure.
  • the loop structure of the fibrous reinforcing material 5 has a spring effect that presses the adhesive layer 6 against the wall surface of the core slot 16 or the side surface of the stator coil 24 .
  • the thickness D2 of the elastic layer 7 is determined by pressing the adhesive layer 6 against the wall surface of the core slot 16 and the side surface of the stator coil 24 with a predetermined pressure when the stator coil 24 is inserted into the core slot 16. It is adjusted and formed as much as possible.
  • the elastic layer 7 can press the adhesive layer 6 against the inner wall surface of the core slot 16 or the side surface of the stator coil 24 . It is possible to suppress the formation of an air layer with low thermal conductivity between the side surface of the stator coil 24 and further improve the cooling performance of the coil conductor 8 .
  • any material having a fiber length L1 sufficient to form a loop structure can be appropriately used, and the type thereof is not particularly limited.
  • the fibrous reinforcing material 5 having such properties includes, for example, insulating fibrous reinforcing materials such as glass fiber, ceramic fiber, polyester fiber, Tetron fiber, and nylon fiber, and conductive fiber reinforcing materials such as carbon fiber and metal fiber. material.
  • the spring structure 31 formed from the fibrous reinforcing material 5 is stretchable in the vertical and horizontal directions, it deforms according to the compressive force received from the outside, and when the load is released, the shape is restored by the spring effect. . Therefore, in the process of inserting the stator coil 24 into the core slot 16, the coil fixing member 1 receives a compressive force from the thickness direction and is deformed. The shape is restored by the spring effect of the loop structure, and the adhesion layer 6 can be pressed against the wall surface in the core slot 16 or the side surface of the stator coil 24 .
  • the coil fixing member 1 of Embodiment 1 is in a state in which fibrous reinforcing materials 5 are randomly present in the rubber-like elastic body 4 .
  • the fiber length L1 of the fibrous reinforcing material 5 is at least greater than the thickness D2 of the elastic layer 7 .
  • the fiber length L1 of the fibrous reinforcing material 5 is smaller than the thickness D2 of the elastic layer 7, it becomes difficult to form a loop structure in which the fibers are irregularly and continuously entangled with each other. unable to restore.
  • the fiber diameter of the fibrous reinforcing material 5 inside the coil fixing member 1 according to Embodiment 1 is desirably 10 nm or more and 50 ⁇ m or less, more desirably 50 nm or more and 10 ⁇ m or less. If the fiber diameter becomes small, the fibers collide with each other during kneading with the rubber-like elastic body 4 and are likely to be damaged. On the other hand, as the fiber diameter increases, the distance between the fibers increases proportionally, and it is possible to form a three-dimensional network structure (loop structure) in which the fibers are irregularly and continuously entangled (looped). It becomes difficult, and the desired shape restoration property by the above-mentioned spring effect cannot be exhibited.
  • any silicone resin that cures at a predetermined temperature higher than room temperature can be appropriately used, and its type is not particularly limited.
  • modified silicone rubber having a reactive functional group is used for the purpose of improving adhesion with the adhesive layer 6 .
  • the rubber hardness of the elastic layer 7 is adjusted to a range of 0 degrees or more and 50 degrees or less. Since the elastic layer 7 can be easily compressed, good workability can be obtained in the step of inserting the stator coil 24 into the core slot 16, which will be described later. If the rubber hardness is higher than 50°, the elastic layer 7 cannot be easily compressed in the step of inserting the stator coil 24 into the core slot 16, resulting in reduced workability, which is not preferable.
  • the surface resistance of the elastic layer 7 is adjusted to a conductive resistance value in the range of at least 100 ⁇ or more and 10 k ⁇ or less.
  • the reason why the surface resistance value of the elastic layer 7 is adjusted in the range of 100 ⁇ or more and 10 k ⁇ or less is that when the surface resistance value is smaller than 100 ⁇ , the temperature rises due to the generation of eddy currents, and the surface resistance value is higher than 10 k ⁇ . If the resistance is large, contact resistance between the core slots 16 becomes a problem, which is not preferable.
  • the conductive filler 2 fine particles having conductivity greater than that of the thermosetting resin 3 can be appropriately used, and the type thereof is not particularly limited.
  • the conductive filler 2 having such properties include conductive carbon substances such as carbon black, graphite, conductive diamond, carbon fiber, carbon nanotube, silicon carbide, indium oxide, cadmium oxide, and triiron tetroxide.
  • conductive metal oxides such as zinc oxide, tin oxide and titanium oxide, metal coating substances, metals and the like are used.
  • the conductive filler 2 described above can be used alone or as a mixture of two or more types including other highly thermally conductive fillers.
  • the highly thermally conductive filler any filler having a thermal conductivity higher than that of the rubber-like elastic body 4 can be appropriately used, and the type thereof is not particularly limited. Ceramic sintered bodies such as fused silica, crystalline silica, alumina, magnesium oxide, silicon nitride, boron nitride, and aluminum nitride are used as highly thermally conductive fillers having such properties.
  • the conductive filler 2 and the high thermal conductive filler described above are used for the purpose of improving adhesion with the rubber-like elastic body 4 or improving dispersibility in the rubber-like elastic body 4.
  • the surface may be modified or coated with a coupling agent or surface treatment agent before use.
  • Such coupling agents include, for example, ⁇ -glycidoxy-propyltrimethoxysilane, ⁇ -aminopropyl-trimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyl-trimethoxysilane.
  • Examples include silane coupling agents such as methoxysilane, titanate coupling agents, and aluminum coupling agents.
  • Surface treatment agents include aluminum laurate, aluminum stearate, iron-alumina stearate, silica, zirconia, and silicone. These coupling agents or surface treatment agents can be used alone or as a mixture of two or more.
  • additives may be blended as necessary as the constituent materials of the elastic layer 7 according to the first embodiment within a range that does not impair the effects of the first embodiment.
  • Other additives blended as materials for the elastic layer 7 include reactive diluents, viscosity modifiers such as toluene and xylene, curing accelerators, anti-sagging agents, anti-settling agents, anti-foaming agents, leveling agents, and slip agents. , dispersants, substrate wetting agents, and the like.
  • the coil conductor 8 will generate heat during operation of the rotating electrical machine 19. temperature rises, and the amount of thermal expansion increases. Since the pressure between the coil conductor 8 and the wall surface in the core slot 16 is increased and the contact thermal resistance is reduced, the cooling performance of the coil conductor 8 is further improved.
  • the adhesive layer 6 is formed by irregularities formed by lamination deviation of the electromagnetic steel sheets used for the iron core 15 in the iron core slot 16, or winding steps of the main insulating layer 9 arranged on the outer layer of the coil conductor 8.
  • the thickness D1 is adjusted to fill the irregularities formed by the thickness D1. It is possible to suppress the formation of an air layer with low thermal conductivity between the side surface of the stator coil 24 and the wall surface in the core slot 16, and the cooling performance of the coil conductor 8 is further improved.
  • the adhesive layer 6 is a sheet material of a thermosetting resin composition containing a predetermined amount of conductive filler 2, which is heat-cured and molded into a semi-cured state.
  • the surface resistance of the adhesive layer 6 is adjusted to a conductive resistance value in the range of at least 100 ⁇ or more and 10 k ⁇ or less.
  • the reason why the surface resistance value of the adhesive layer 6 is adjusted in the range of 100 ⁇ or more and 10 k ⁇ or less is that when the surface resistance value is smaller than 100 ⁇ , the temperature rises due to the generation of eddy currents, and the surface resistance value exceeds 10 k ⁇ . This is because if the resistance is large, the contact resistance between the core slots 16 becomes a problem, which is not preferable.
  • thermosetting resin 3 any thermosetting resin having high heat resistance that cures at a predetermined temperature higher than room temperature can be used as appropriate, and the type thereof is not particularly limited.
  • Thermosetting resins 3 having such properties include, for example, phenol resins, imide resins, alkyd resins, unsaturated polyester resins, polyesterimide resins, and epoxy resins.
  • the conductive filler 2 fine particles having conductivity greater than that of the thermosetting resin 3 can be appropriately used, and the type thereof is not particularly limited.
  • the conductive filler 2 having such properties include conductive carbon substances such as carbon black, graphite, conductive diamond, carbon fiber, carbon nanotube, silicon carbide, indium oxide, cadmium oxide, and triiron tetroxide.
  • conductive metal oxides such as zinc oxide, tin oxide and titanium oxide, metal coating substances, metals and the like are used.
  • the conductive filler 2 described above can be used alone or as a mixture of two or more types including other highly thermally conductive fillers.
  • the highly thermally conductive filler any filler having a thermal conductivity higher than that of the thermosetting resin 3 can be appropriately used, and the type thereof is not particularly limited. Ceramic sintered bodies such as fused silica, crystalline silica, alumina, magnesium oxide, silicon nitride, boron nitride, and aluminum nitride are used as highly thermally conductive fillers having such properties.
  • the conductive filler 2 and the high thermal conductive filler described above are used for the purpose of improving adhesion with the thermosetting resin 3 or improving dispersibility in the thermosetting resin 3.
  • the surface may be modified or coated with a coupling agent or surface treatment agent before use.
  • Such coupling agents include, for example, ⁇ -glycidoxy-propyltrimethoxysilane, ⁇ -aminopropyl-trimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyl-trimethoxysilane.
  • Examples include silane coupling agents such as methoxysilane, titanate coupling agents, and aluminum coupling agents.
  • Surface treatment agents include aluminum laurate, aluminum stearate, iron-alumina stearate, silica, zirconia, and silicone. These coupling agents or surface treatment agents can be used alone or as a mixture of two or more.
  • additives may be blended as necessary as the constituent material of the adhesive layer 6 according to Embodiment 1, as long as the effects of the present application are not hindered.
  • Other additives blended as materials for the adhesive layer 6 include reactive diluents, viscosity modifiers such as toluene and xylene, curing accelerators, anti-sagging agents, anti-settling agents, anti-foaming agents, leveling agents, and slip agents. , dispersants, substrate wetting agents, and the like.
  • the coil fixing member 1 of Embodiment 1 described above is manufactured, for example, as follows.
  • heat-curable silicone rubber is used as the rubber-like elastic body 4 constituting the elastic layer 7
  • carbon black is used as the conductive filler 2
  • glass fiber is used as the fibrous reinforcing material 5
  • thermosetting resin 3 is used as the adhesive layer 6.
  • Epoxy resin is selected for the explanation.
  • the silicone rubber, the conductive filler 2, and the fibrous reinforcing material 5 are kneaded.
  • the kneading step of carbon black and glass fiber into the silicone rubber is desirably shear mixing performed by applying a shearing force. By applying a shearing force, it is possible to uniformly disperse the carbon black and glass fibers in the silicone rubber.
  • a desired elastic layer 7 can be obtained by adding a curing agent to a mixture of silicone rubber, carbon black, and glass fiber, mixing the mixture, and heat-curing the mixture into a sheet.
  • the kneading step of carbon black into the epoxy resin is desirably shear mixing performed by applying a shearing force.
  • a curing agent is added to a mixture of epoxy resin and carbon black, mixed, and then applied to both surfaces of the elastic layer 7 and cured by heating to obtain the intended coil fixing member 1 .
  • the optional components described above are appropriately added and mixed as necessary.
  • any device that can mix while applying a shearing force can be used as appropriate, and the type is not particularly limited.
  • Specific examples include a bead mill mixer, a three-roll mill mixer, a homogenizer mixer, a Laboplastomill mixer (manufactured by Toyo Seiki Seisakusho), Miracle KCK (manufactured by Asada Ironworks), and Distromix (manufactured by Atech Japan). , and Clear S55 (manufactured by M Technic Co., Ltd.).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 shows the structure of the stator coil 24 of the rotary electric machine 19 using the plate-like coil fixing member 1.
  • a stator coil 24 that serves as a lower coil 18 is arranged in the core slot 16 of the core 15 with the slot bottom spacer 12 interposed therebetween.
  • a stator coil 24 that becomes the upper coil 17 is arranged with the inter-coil spacer 11 interposed therebetween.
  • a coil fixing member 1 is arranged between the stator coil 24 and the iron core 15 in the upper coil 17 and the lower coil 18 .
  • a slot wedge 14 is driven into the opening of the core slot 16 via an upper coil 17 and an under-wedge spacer 13 provided above the coil fixing member 1 provided on the side wall surface of the upper coil 17 .
  • the stator coil 24 is fixed in the core slot 16 using the coil fixing member 1 .
  • the stator coil 24 of the first embodiment includes a coil conductor 8 in which wire conductors are bundled, and a main insulating layer 9 formed by winding a mica tape around the outer layer of the coil conductor 8. and a semi-conductive layer 10 formed by winding a semi-conductive tape on the outer layer of the main insulating layer 9, and an electrical insulating varnish is applied to the core slot 16 using the plate-shaped coil fixing member 1. It is formed by performing pressurized impregnation treatment and heat curing treatment using .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 shows the structure of the stator coil 24 of the rotary electric machine 19 using the coil fixing members 1 arranged in a U shape.
  • the stator coil 24 of the first embodiment includes a coil conductor 8 in which strand conductors are bundled, and a main insulating layer 9 formed by winding a mica tape around the outer layer of the coil conductor 8. , a semiconductive layer 10 formed by winding a semiconductive tape on the outer layer of the main insulating layer 9 , and is electrically insulated to the core slot 16 using the U-shaped coil fixing member 1 .
  • the coil fixing member 1 may be formed by arranging plate-like coil fixing members 1 in a U shape, or may use a U-shaped coil fixing member 1 .
  • a stator coil 24 to be the lower coil 18 is provided via the slot bottom spacer 12 and the coil fixing member 1 formed on the surface of the slot bottom spacer 12. are placed.
  • a stator coil 24 that becomes the upper coil 17 is arranged via the inter-coil spacer 11 and the coil fixing member 1 provided on the surface of the inter-coil spacer 11 .
  • a coil fixing member 1 is arranged between the stator coil 24 and the iron core 15 in the upper coil 17 and the lower coil 18 .
  • a slot wedge 14 is driven into the opening of the core slot 16 via an upper coil 17 and an under-wedge spacer 13 provided above the coil fixing member 1 provided on the side wall surface of the upper coil 17 .
  • the stator coil 24 is fixed in the core slot 16 using the coil fixing member 1 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a stator coil of a rotating electric machine using the coil fixing member according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 5 shows the structure of the stator coil 24 of the rotary electric machine 19 using the coil fixing members 1 arranged in an L shape.
  • the stator coil 24 of the first embodiment includes a coil conductor 8 in which strand conductors are bundled, and a main insulating layer 9 formed by winding a mica tape around the outer layer of the coil conductor 8. , and a semiconductive layer 10 formed by winding a semiconductive tape on the outer layer of the main insulating layer 9 . It is formed by applying pressure impregnation treatment and heat curing treatment using varnish.
  • the coil fixing member 1 may be formed by arranging plate-like coil fixing members 1 in an L shape, or may use an L-shaped coil fixing member 1 .
  • FIG. 6A to 6C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a rotating electrical machine using the coil fixing member according to Embodiment 1.
  • FIG. 6A to 6C for example, a method of manufacturing a rotating electrical machine will be described using the structure of the stator coil 24 of the rotating electrical machine 19 shown in FIG. 3 as an example. is formed in the same manner as the manufacturing method shown in FIG. 6C.
  • the coil fixing member 1 according to Embodiment 1 is inserted into the core slot 16, and arranged between the stator coil 24 and the inner wall surface of the core slot 16 as shown in FIG. 6B.
  • the elastic layer 7, which is the rubber-like elastic body 4 is compressed.
  • the adhesive layer 6 made of, for example, epoxy resin is softened, and the elastic layer 7 changes its shape in the thickness direction due to the spring effect of the three-dimensional network structure (loop structure) of the fibrous reinforcing material 5 .
  • a gap 32 exists between the surface of the stator coil 24 and the adhesive layer 6 of the coil fixing member 1 .
  • the softened adhesive layer 6 is deformed by the restoring force of the elastic layer 7 so as to be pressed against, for example, the surface of the stator coil 24 or the inner wall surface of the core slot 16.
  • the adhesive layer 6 can be pressed against the inner wall surface of the core slot 16 or the side surface of the stator coil 24 and can be adhered over almost the entire area, thereby obtaining a strong stator coil 24 that is difficult to separate.
  • the gaps 32 on the inner wall surface of the core slot 16 or the surface of the stator coil 24 are filled with the adhesive layer 6 and there are no irregularities or gaps 32, the formation of an air layer with low thermal conductivity is suppressed. be able to.
  • the arrangement method of the coil fixing member 1 does not need to be the same for the upper coil 17 and the lower coil 18 as shown in FIGS. .
  • the coil fixing member 1 may be arranged in a U shape only on the lower coil 18 .
  • only the upper coil 17 may be arranged in a U shape.
  • the coil fixing member 1 is arranged on the inner surface of the core slot 16 only in the lower coil 18 in a U shape, and only in the upper coil 17 is arranged in the core slot in an L shape. 16 may be placed on the inner surface.
  • the stator coil 24 of the rotating electrical machine 19 using the coil fixing member 1 of Embodiment 1 is formed of the elastic layer 7 and the adhesive layer 6. It is possible to prevent the stator coil 24 from being damaged and the insulation performance from being impaired due to heat generation from the stator 24 or slot discharge.
  • the adhesive layer 6 can be deformed and closely attached according to the surface shape of the inner wall surface of the core slot 16 or the side surface of the stator coil 24 , and the inner wall surface of the core slot 16 can be brought into close contact. It can be pressed against the wall or the side of the stator coil 24 .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a rotating electric machine having a coil fixing member according to Embodiment 1.
  • the rotating electric machine 19 includes a gas cooler 21 , a stator 22 as an armature, and a rotor 26 as a magnetic field in a frame 20 .
  • a coolant for cooling heat generated by power generation circulates in the frame 20 , and the gas cooler 21 cools the circulating coolant.
  • the stator 22 has a cylindrical stator core 23 and stator coils 24 .
  • a stator core 23 is fixed within the frame 20
  • a stator coil 24 is fixed to the inner peripheral portion of the stator core 23 . Both ends of the stator coil 24 in the axial direction of the stator core 23 protrude from the stator core 23 to form coil ends 25 .
  • a main lead is connected to one coil end 25 , and the electric power generated by the rotating electric machine 19 is extracted to the outside of the frame 20 .
  • the rotor 26 has a rotating shaft 27 , a rotor core 28 , a first retaining ring 29 and a second retaining ring 30 .
  • Rotating shaft 27 protrudes axially outward from rotor core 28 from both axial ends of rotor core 28 , and rotating shaft 27 and rotor core 28 are arranged coaxially with stator core 23 .
  • a magnetic field generated from the rotor core 28 crosses the stator coil 24, generating an electromotive force in the stator coil 24 and generating a current.
  • the first retaining ring 29 and the second retaining ring 30 are attached to both axial ends of the rotor core 28 and fix the field winding wound around the rotor core 28 .
  • the stator coil 24 may be damaged due to heat generation of the stator coil 24 or slot discharge during operation of the rotating electrical machine 19, for example. Impairment of insulation performance can be suppressed.
  • the adhesive layer 6 is formed according to the surface shape of the inner wall surface of the core slot 16 or the side surface of the stator coil 24 .
  • the coil fixing member 1 according to the first embodiment and the rotary electric machine 19 using the coil fixing member 1 have been specifically described, particularly focusing on the structure and manufacturing method of the stator coil 24.
  • the coil fixing member 1 according to is not limited to being applied only to the rotating electric machine 19 described above. As described above, it may be applied to a rotating electrical machine 19 (rotating machine) such as a motor having the stator coil 24 shown in FIG. 7, or may be used as a stator coil for a generator. Further, application examples of the coil fixing member 1 are not limited to the stator coil 24 in the stator 22 for the rotating electric machine 19 (rotating machine) described above, but can be applied to electric machines in general.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a coil fixing member according to Embodiment 2.
  • the same reference numerals as those used to describe the coil fixing member 1 in Embodiment 1 indicate the same or corresponding configurations, and the description thereof will be omitted.
  • the coil fixing member 1 according to Embodiment 2 is a three-layer structure composed of an elastic layer 7 having a spring structure 31 and adhesive layers 6 coated on both sides of the elastic layer 7. formed.
  • the spring structure 31 of the elastic layer 7 is a three-dimensional lattice structure made up of regularly continuous fibrous reinforcing materials 5, and the fibrous reinforcing materials 5 configured in the three-dimensional lattice structure extend in the thickness D2 direction of the elastic layer 7. It has a spring function against
  • the coil fixing member 1 described above forms a three-dimensional lattice structure in which the fibrous reinforcing material 5 is regularly continuous within the rubber-like elastic body 4 .
  • the three-dimensional lattice structure made of fibrous reinforcing material 5 has shape recovery due to the spring effect.
  • Lattice shapes of the three-dimensional lattice structure having such properties include circles, ellipses, triangles, squares, hexagons, and the like.
  • At least one or more lattice layers having a three-dimensional lattice structure exist in the rubber-like elastic body 4, and it is desirable that the lattice layers exist throughout the rubber-like elastic body 4.
  • FIG. If it does not exist throughout the rubber-like elastic body 4, the desired shape restoring property due to the spring effect of the three-dimensional lattice structure cannot be exhibited.
  • the material used in the coil fixing member 1 according to Embodiment 2 is the same as that in Embodiment 1, but in Embodiment 1, the monofilament fibrous reinforcing material 5 is uniformly dispersed in the silicone rubber. In contrast, in Embodiment 2, the fibrous reinforcing material 5 having a regularly continuous three-dimensional lattice structure is used instead of the fibrous reinforcing material 5 of single fibers.
  • the coil fixing member 1 of Embodiment 2 described above is manufactured, for example, as follows.
  • heat-curable silicone rubber is used as the rubber-like elastic body 4 constituting the elastic layer 7
  • carbon black is used as the conductive filler 2
  • glass fiber is used as the fibrous reinforcing material 5
  • thermosetting resin 3 is used as the adhesive layer 6.
  • Epoxy resin is selected for explanation.
  • the silicone rubber and the conductive filler 2 are kneaded. It is desirable to apply shear mixing in which a shearing force is applied to the step of kneading carbon black into the silicone rubber. By applying a shearing force, it is possible to uniformly disperse the carbon black in the silicone rubber. After a curing agent is added to a mixture of silicone rubber and carbon black and mixed, the fibrous reinforcing material 5 is applied and heat-cured into a sheet to obtain the desired elastic layer 7 .
  • the epoxy resin and carbon black are kneaded.
  • the kneading step of carbon black into the epoxy resin is desirably shear mixing performed by applying a shearing force.
  • a curing agent is added to a mixture of epoxy resin and carbon black, mixed, and then applied to both surfaces of the elastic layer 7 and cured by heating to obtain the intended coil fixing member 1 .
  • the optional components described above are appropriately added and mixed as necessary.
  • the spring structure 31 of the elastic layer 7 is formed of the fibrous reinforcing material 5 having a regularly continuous three-dimensional lattice structure.
  • the fibrous reinforcing material 5 regularly forms a three-dimensional lattice structure in the rubber-like elastic body 4 that constitutes the elastic layer 7, voids existing at the interface between the main insulating layer 9 and the semiconductive layer 10 When an electrical discharge occurs at , it is possible to melt and connect with neighboring particles.
  • 1 Coil fixing member 2 Conductive filler, 3 Thermosetting resin, 4 Rubber-like elastic body, 5 Fibrous reinforcing material, 6 Adhesive layer, 7 Elastic layer, 8 Coil conductor, 9 Main insulating layer, 10 Semi-conductive layer , 11 inter-coil spacer, 12 slot bottom spacer, 13 wedge lower spacer, 14 slot wedge, 15 iron core, 16 iron core slot, 17 upper coil, 18 lower coil, 19 rotating electric machine, 20 frame, 21 gas cooler, 22 stator, 23 Stator core, 24 Stator coil, 25 Coil end, 26 Rotor, 27 Rotating shaft, 28 Rotor core, 29 First retaining ring, 30 Second retaining ring, 31 Spring structure, 32 Gap, D1, D2 Thickness , L1 fiber length

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Abstract

冷却性能の低下を防止すると共に、絶縁性能の低下を抑制することが可能なコイル固定部材（１）およびこれを用いた回転電機（１９）を得る。コイル固定部材（１）は、繊維状強化材（５）によって形成されたスプリング構造（３１）を有する弾性層（７）と、弾性層（７）上に形成され、半硬化状態にしたプリプレグ材料により形成された接着層（６）と、を備えたものである。

Description

コイル固定部材およびこれを用いた回転電機
　本願は、コイル固定部材およびこれを用いた回転電機に関するものである。
　水車発電機、タービン発電機の固定子などに用いられる固定子コイルでは、運転時の電磁振動によって位置ズレまたは摩耗等を起こすことのないように、固定子コイルと鉄心との間にコイル固定部材を挿入し固定している。また、このコイル固定部材は、固定子コイルおよび鉄心と接触して電気的に導通させることで、固定子コイルと鉄心との間の微小空間で発生するスロット放電を抑制する役割を担う。スロット内の鉄心面には電磁鋼板の積層ズレによって形成される凹凸が、固定子コイル外層には絶縁層の巻き段差によって形成される凹凸がある。これらの凹凸により、コイル固定部材と固定子コイルとの間、コイル固定部材と鉄心との間には非接触部分が多く存在し、熱伝導性の低い空気層が熱抵抗となることで、固定子コイルで発生した熱を鉄心に伝導し放熱するのを妨げている。
　近年、回転電機の更なる小型化または高出力化に伴って、コイル導体を流れる電流により発生する熱が増大する傾向にある。このため回転電機では、固定子コイル外部から水素または空気等を冷媒として供給すると共に、固定子の鉄心のスロット内に挿入された固定子コイルを、熱伝導性に優れたコイル固定部材により鉄心のスロット内側面に接触させた状態で支持固定し、固定子コイルから鉄心に熱を逃がす構造を採用している。
　そこで、従来、シート状の半導電性基材の表面に硬化性を有する熱伝導性物質を塗布したコイル固定部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、Ｌ字形積層板の周囲を液状のゴム弾性層を介してシート状の半導電性基材で覆って形成されたコイル固定部材が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５‐２２９７４７号公報 特開２００６‐９４６２２号公報
　しかしながら、前述した特許文献１、特許文献２に開示された従来の回転電機に用いられるコイル固定部材では、鉄心スロット内側面および固定子コイル側面との接触面積が小さく、熱伝導性の低い空気層が形成され、固定子コイルの冷却性能は良好ではない。また、運転中の固定子コイルの温度の上昇により固定子コイルを構成する有機材料が熱劣化し、電磁振動の抑制効果が低下する。これにより、固定子コイルと鉄心との間の微小空間でスロット放電が発生し、固定子コイルが損傷を受けて絶縁性能を低下させるという問題点があった。
　本願は、上述のような課題を解決するための技術を開示するものであり、冷却性能の低下を防止すると共に、絶縁性能の低下を抑制することが可能なコイル固定部材およびこれを用いた回転電機を得ることを目的とする。
　本願に開示されるコイル固定部材は、繊維状強化材によって形成されたスプリング構造を有する弾性層と、前記弾性層上に形成され、半硬化状態にしたプリプレグ材料により形成された接着層と、を備えたものである。
　また、本願に開示される回転電機は、前記コイル固定部材が、コイルと鉄心との間に配置されているものである。
　本願に開示されるコイル固定部材およびこれを用いた回転電機によれば、冷却性能の低下を防止すると共に、絶縁性能の低下を抑制することが可能なコイル固定部材およびこれを用いた回転電機を得ることができる。
実施の形態１によるコイル固定部材を示す断面図である。 図１に示すコイル固定部材の接続層および弾性層の厚みを示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の固定子コイルを示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の固定子コイルを示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の固定子コイルを示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１によるコイル固定部材を有する回転電機を示す断面図である。 実施の形態２によるコイル固定部材を示す断面図である。
　以下、図面に基づいて実施の形態１によるコイル固定部材について説明する。
　なお、各図面中において、同一符号は同一あるいは相当のものであることを示す。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１によるコイル固定部材を示す断面図である。また、図２は図１に示すコイル固定部材の接続層および弾性層の厚みを説明するための断面図である。図１に示すように、実施の形態１のコイル固定部材１は、繊維状強化材５によって形成されたスプリング構造３１を有する弾性層７と、この弾性層７の表面上に形成され、半硬化状態にしたプリプレグ材料により形成された接着層６とを有している。また、図２に示すように、繊維状強化材５は、弾性層７の厚みＤ２よりも長い繊維長Ｌ１を有する単繊維であり、実施の形態１の弾性層７のスプリング構造３１は、単繊維である繊維状強化材５同士が不規則に連続して絡み合う状態（ループ状）に加工された三次元網目構造（ループ構造）である。
　また、実施の形態１のコイル固定部材１は、弾性層７と、弾性層７の表面および裏面の両面に塗工された接着層６とを有する三層で形成されている。繊維状強化材５は、不規則に連続して絡み合う状態（ループ状）に加工されており、厚みＤ２の方向に対してスプリング機能を有している。
　また、図２に示すように、実施の形態１のコイル固定部材１は、半硬化状態の弾性層７の両面に半硬化状態の接着層６を塗布して形成されている。接着層６の厚みＤ１は、鉄心スロット１６内の鉄心１５に用いられる電磁鋼板の積層ズレによって形成される凹凸、あるいはコイル導体８外層に配置される主絶縁層９の巻き段差によって形成される凹凸を埋めることができる程度に調整されて形成されている。弾性層７の厚みＤ２は、鉄心スロット１６内に固定子コイル２４を挿入した状態で、鉄心スロット１６内の壁面および固定子コイル２４側面に接着層６を所定の圧力で押圧できる程度に調整されて形成されている。
　＜弾性層＞
　弾性層７は、半硬化状態にしたプリプレグ材料により形成されている。弾性層７は、導電性を有する導電性充填材２を所定量配合したゴム状弾性体４内に、繊維状強化材５によって形成されたスプリング構造３１が配置されたシート型材料で、ゴム状弾性体４を半硬化状態に加熱硬化成形したものである。
　上述した構成を前提とし、実施の形態１のコイル固定部材１の特徴である弾性層７を構成するゴム状弾性体４内に配置される繊維状強化材５について説明する。この繊維状強化材５は、ループ構造を形成できる程度の繊維長Ｌ１および曲げ弾性率を有していることが望ましい。これにより、加熱によって接着層６が軟化すると、繊維状強化材５からなるループ構造のスプリング効果によって接着層６を鉄心スロット１６内の壁面または固定子コイル２４側面に圧迫することが可能となる。
　上述したように、弾性層７の厚みＤ２は、鉄心スロット１６内に固定子コイル２４を挿入した状態で、鉄心スロット１６内の壁面および固定子コイル２４側面に接着層６を所定の圧力で押圧できる程度に調整されて形成されている。実施の形態１によるコイル固定部材１によれば、弾性層７が、接着層６を鉄心スロット１６の内壁面、または固定子コイル２４側面に圧迫することができるので、鉄心スロット１６内の壁面と固定子コイル２４側面との間に、熱伝導性の小さい空気層が形成されるのを抑制することができ、コイル導体８の冷却性能が更に向上する。
　繊維状強化材５としては、ループ構造を形成できる程度の繊維長Ｌ１を有するものであれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではない。このような性質を有する繊維状強化材５には、例えば、ガラスファイバー、セラミックスファイバー、ポリエステルファイバー、テトロンファイバー、ナイロンファイバーなどの絶縁性繊維状強化材、カーボンファイバー、金属繊維などの導電性繊維強化材が挙げられる。
　このような、繊維状強化材５から形成されるスプリング構造３１は、上下左右方向に伸縮性があるため、外部から受ける圧縮力に応じて変形し、除荷されるとスプリング効果により形状復元する。このため、鉄心スロット１６への固定子コイル２４の挿入工程において、コイル固定部材１は厚さ方向から圧縮力を受けるため変形し、加熱によって接着層６が軟化すると、繊維状強化材５からなるループ構造のスプリング効果により形状復元し、接着層６を鉄心スロット１６内の壁面または固定子コイル２４側面に圧迫することが可能となる。
　図１および図２に示すように、実施の形態１のコイル固定部材１は、ゴム状弾性体４内に繊維状強化材５がランダムに存在している状態である。繊維状強化材５の繊維長Ｌ１は、少なくとも弾性層７の厚みＤ２よりも大きい。なお、繊維状強化材５の繊維長Ｌ１が弾性層７の厚みＤ２よりも小さくなると、繊維同士が不規則に連続して絡み合うループ構造を形成することが困難になり、スプリング効果による所望の形状復元を発揮できない。
　実施の形態１に係るコイル固定部材１の内部における繊維状強化材５の繊維径は、１０ｎｍ以上、５０μｍ以下が望ましく、５０ｎｍ以上、１０μｍ以下がより望ましい。なお、繊維径が小さくなると、ゴム状弾性体４との混練時に繊維同士が衝突し損傷しやすく、スプリング効果による所望の形状復元を発揮できない。一方、繊維径が大きくなると、繊維間距離は比例して大きくなり、繊維同士が不規則に連続して絡み合う状態（ループ状）に加工された三次元網目構造（ループ構造）を形成することが困難になり、上述したスプリング効果による所望の形状復元性を発揮できない。
　弾性層７のゴム状弾性体４としては、室温よりも高い所定の温度で硬化するシリコーン樹脂であれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではない。また、接着層６との密着性を改善する目的で、反応性官能基を有する変性シリコーンゴムが用いられる。これにより、後述する回転電機１９に実施の形態１のコイル固定部材１を用いた場合、ゴム状弾性体４は硬化後にゴム状の弾性を示すため、回転電機１９の運転中の電磁振動を抑制することが可能となる。
　弾性層７のゴム硬度は、０度以上５０度以下の範囲のゴム硬度に調整されている。弾性層７は、容易に圧縮可能なため、後述する鉄心スロット１６への固定子コイル２４挿入工程において、良好な作業性が得られる。ゴム硬度が５０°よりも大きくなると、鉄心スロット１６への固定子コイル２４の挿入工程において、弾性層７が容易に圧縮できず作業性が低下するため好ましくない。
　弾性層７の表面抵抗は、少なくとも１００Ω以上、１０ｋΩ以下の範囲の導電性を有する抵抗値に調整されている。ここで、弾性層７の表面抵抗値を１００Ω以上、１０ｋΩ以下の範囲に調整しているのは、表面抵抗値が１００Ωよりも小さい場合、渦電流の発生による温度上昇があり、１０ｋΩよりも表面抵抗が大きい場合には鉄心スロット１６間との接触抵抗が問題となるため好ましくない。
　導電性充填材２としては、熱硬化性樹脂３の導電性より大きい導電性を有する微粒子であれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではない。このような性質を有する導電性充填材２には、例えば、カーボンブラック、グラファイト、導電性ダイヤモンド、カーボンファイバー、カーボンナノチューブなどの導電性炭素物質、炭化ケイ素、酸化インジウム、酸化カドミウム、四酸化三鉄、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、金属被覆物質、金属などが用いられる。
　また、上記した導電性充填材２は、単独あるいは他の高熱伝導性充填材を含めた２種類以上の混合物として使用することができる。高熱伝導性充填材としては、ゴム状弾性体４の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する充填材であれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではない。このような性質を有する高熱伝導性充填材には、例えば、溶融シリカ、結晶性シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどのセラミックス焼結体が用いられる。
　また、上記した導電性充填材２および高熱伝導性充填材は、ゴム状弾性体４との密着性を改善する、もしくはゴム状弾性体４中での分散性を改善するなどの目的で、その表面をカップリング剤もしくは表面処理剤で改質またはコーティングして使用してもよい。このようなカップリング剤には、例えば、γ‐グリシドオキシ‐プロピルトリメトキシシラン、γ‐アミノプロピル‐トリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、３‐メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、３‐グリシジルオキシプロピル‐トリメトキシシランなどのシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤などが挙げられる。また、表面処理剤には、ラウリン酸アルミニウム、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸鉄アルミナ、シリカ、ジルコニア、シリコーンなどが挙げられる。これらのカップリング剤又は表面処理剤は、単独もしくは２種類以上の混合物として使用することができる。
　なお、実施の形態１に係る弾性層７の構成材料として、上述した成分に加え、実施の形態１の効果を阻害しない範囲で、添加剤を必要に応じて配合してもよい。弾性層７の材料として配合する他の添加剤には、反応性希釈剤、トルエン、キシレンなどの粘度調節剤、硬化促進剤、タレ止剤、沈降防止剤、消泡剤、レベリング剤、スリップ剤、分散剤、基材湿潤剤などが挙げられる。
　また、弾性層７内に、ゴム状弾性体４の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する充填材を混合した構成にすると、回転電機１９の運転時にコイル導体８が発熱するため、弾性層７の温度が上昇し、熱膨張量が大きくなる。コイル導体８と、鉄心スロット１６内の壁面間の圧力が大きくなり、接触熱抵抗が低減するため、コイル導体８の冷却性能が更に向上する。
　＜接着層＞
　図２に示すように、接着層６は、鉄心スロット１６内の鉄心１５に用いられる電磁鋼板の積層ズレによって形成される凹凸、あるいは、コイル導体８外層に配置される主絶縁層９の巻き段差によって形成される凹凸を埋めることができる厚みＤ１に調整されて形成されている。固定子コイル２４側面と鉄心スロット１６内の壁面との間に、熱伝導性の小さい空気層が形成されるのを抑制することができ、コイル導体８の冷却性能が更に向上する。
　接着層６は、導電性を有する導電性充填材２を所定量配合した熱硬化性樹脂組成物のシート材料で、半硬化状態に加熱硬化成形したものである。この接着層６の表面抵抗は、少なくとも１００Ω以上、１０ｋΩ以下の範囲の導電性を有する抵抗値に調整されている。ここで、接着層６の表面抵抗値を１００Ω以上、１０ｋΩ以下の範囲に調整しているのは、表面抵抗値が１００Ωよりも小さい場合、渦電流の発生による温度上昇があり、１０ｋΩよりも表面抵抗が大きい場合には鉄心スロット１６間との接触抵抗が問題となるため好ましくないからである。
　熱硬化性樹脂３としては、室温よりも高い所定の温度で硬化する高耐熱性を有する熱硬化性樹脂であれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではない。このような性質を有する熱硬化性樹脂３には、例えば、フェノール樹脂、イミド樹脂、アルキッド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリエステルイミド樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。
　導電性充填材２としては、熱硬化性樹脂３の導電性より大きい導電性を有する微粒子であれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではない。このような性質を有する導電性充填材２には、例えば、カーボンブラック、グラファイト、導電性ダイヤモンド、カーボンファイバー、カーボンナノチューブなどの導電性炭素物質、炭化ケイ素、酸化インジウム、酸化カドミウム、四酸化三鉄、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、金属被覆物質、金属などが用いられる。
　また、上記した導電性充填材２は、単独あるいは他の高熱伝導性充填材を含めた２種類以上の混合物として使用することができる。高熱伝導性充填材としては、熱硬化性樹脂３の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する充填材であれば適宜に使用可能であり、その種類は特に限定されるものではないが、このような性質を有する高熱伝導性充填材には、例えば、溶融シリカ、結晶性シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどのセラミックス焼結体が用いられる。
　また、上記した導電性充填材２および高熱伝導性充填材は、熱硬化性樹脂３との密着性を改善する、もしくは熱硬化性樹脂３中での分散性を改善するなどの目的で、その表面をカップリング剤もしくは表面処理剤で改質またはコーティングして使用してもよい。このようなカップリング剤には、例えば、γ‐グリシドオキシ‐プロピルトリメトキシシラン、γ‐アミノプロピル‐トリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、３‐メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、３‐グリシジルオキシプロピル‐トリメトキシシランなどのシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤などが挙げられる。また、表面処理剤には、ラウリン酸アルミニウム、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸鉄アルミナ、シリカ、ジルコニア、シリコーンなどが挙げられる。これらのカップリング剤又は表面処理剤は、単独もしくは２種類以上の混合物として使用することができる。
　なお、実施の形態１に係る接着層６の構成材料として、上述した成分に加え、本願の効果を阻害しない範囲で、添加剤を必要に応じて配合してもよい。接着層６の材料として配合する他の添加剤には、反応性希釈剤、トルエン、キシレンなどの粘度調節剤、硬化促進剤、タレ止剤、沈降防止剤、消泡剤、レベリング剤、スリップ剤、分散剤、基材湿潤剤などが挙げられる。
　上述した実施の形態１のコイル固定部材１は、例えば以下のようにして作製される。ここでは、弾性層７を構成するゴム状弾性体４として加熱硬化型シリコーンゴム、導電性充填材２としてカーボンブラック、繊維状強化材５としてガラスファイバー、接着層６を構成する熱硬化性樹脂３としてエポキシ樹脂を選択して説明する。まず、シリコーンゴムと導電性充填材２、繊維状強化材５を混練する。カーボンブラックおよびガラスファイバーのシリコーンゴム中への混練工程は、剪断力を加えて行う剪断混合を適用することが望ましい。剪断力を加えることで、カーボンブラックおよびガラスファイバーをシリコーンゴム中に均一分散させることが可能である。シリコーンゴム、カーボンブラック、ガラスファイバーの混合物に、硬化剤を添加して混合後、シート状に加熱硬化することで目的とする弾性層７を得ることができる。
　次に、エポキシ樹脂とカーボンブラックを混練する。カーボンブラックのエポキシ樹脂中への混練工程は、剪断力を加えて行う剪断混合を適用することが望ましい。エポキシ樹脂とカーボンブラックの混合物に、硬化剤を添加して混合後、弾性層７の両面に塗布し加熱硬化することで目的とするコイル固定部材１を得ることができる。なお、上記したコイル固定部材１の製造工程において、上記した任意成分は必要に応じて適宜に添加、混合される。
　剪断混合を行う混合装置としては、剪断力を加えながら混合可能な装置であれば、適宜に使用可能でその種類は特に限定されるものではない。具体例としては、ビーズミル混合機、３本ロールミル混合機、ホモジナイザー混合機、ラボプラストミル混合機（東洋精機製作所社製）、ミラクルＫＣＫ（浅田鉄工所社製）、Ｄｉｓｔｒｏｍｉｘ（エーテクジャパン社製）、ＣｌｅａｒＳ５５（エム・テクニック社製）などが挙げられる。
　図３は、実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の固定子コイルを示す断面図である。図３においては、板状のコイル固定部材１を用いた回転電機１９の固定子コイル２４の構造を示す。図３に示すように、鉄心１５の鉄心スロット１６には、スロット底スペーサ１２を介して、下コイル１８となる固定子コイル２４が配置されている。また、下コイル１８の上方には、コイル間スペーサ１１を介して上コイル１７となる固定子コイル２４が配置されている。上コイル１７、下コイル１８において、固定子コイル２４と鉄心１５との間には、コイル固定部材１がそれぞれ配置されている。鉄心スロット１６の開口部には、上コイル１７、上コイル１７の側壁面に設けられたコイル固定部材１の上部に設けられた楔下スペーサ１３を介してスロット楔１４が打ち込まれている。固定子コイル２４は、コイル固定部材１を用いて鉄心スロット１６に固定されている。
　また図３に示すように、実施の形態１の固定子コイル２４は、素線導体を束ねたコイル導体８と、このコイル導体８の外層にマイカテープを巻回して形成される主絶縁層９と、この主絶縁層９の外層に半導電性テープを巻回して形成される半導電層１０とを有しており、板状のコイル固定部材１を用いて鉄心スロット１６に、電気絶縁ワニスを用いて加圧含浸処理、熱硬化処理を施すことで形成されている。
　図４は、実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の固定子コイルを示す断面図である。図４においては、Ｕ字型に配置されたコイル固定部材１を用いた回転電機１９の固定子コイル２４の構造を示す。
　図４に示すように、実施の形態１の固定子コイル２４は、素線導体を束ねたコイル導体８と、このコイル導体８の外層にマイカテープを巻回して形成される主絶縁層９と、この主絶縁層９の外層に、半導電性テープを巻回して形成される半導電層１０とを有しており、Ｕ字型のコイル固定部材１を用いて鉄心スロット１６に、電気絶縁ワニスを用いて加圧含浸処理、熱硬化処理を施すことで形成されている。
　実施の形態１によるコイル固定部材１によれば、固定子コイル２４の周囲の熱抵抗低減効果、固定子コイル２４と鉄心スロット１６の内壁面との同電位確保の効果がさらに得られる。
　コイル固定部材１は、板状のコイル固定部材１をＵ字型に配置して形成されてもよいし、Ｕ字型に成形したコイル固定部材１を用いてもよい。
　図４に示すように、鉄心１５の鉄心スロット１６には、スロット底スペーサ１２とこのスロット底スペーサ１２の表面上に形成されたコイル固定部材１を介して、下コイル１８となる固定子コイル２４が配置されている。また、下コイル１８の上方には、コイル間スペーサ１１とこのコイル間スペーサ１１の表面上に設けられたコイル固定部材１を介して上コイル１７となる固定子コイル２４が配置されている。上コイル１７、下コイル１８において、固定子コイル２４と鉄心１５との間には、コイル固定部材１がそれぞれ配置されている。鉄心スロット１６の開口部には、上コイル１７、上コイル１７の側壁面に設けられたコイル固定部材１の上部に設けられた楔下スペーサ１３を介してスロット楔１４が打ち込まれている。固定子コイル２４は、コイル固定部材１を用いて鉄心スロット１６に固定されている。
　図５は、実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の固定子コイルを示す断面図である。図５においては、Ｌ字型に配置されたコイル固定部材１を用いた回転電機１９の固定子コイル２４の構造を示す。図５に示すように、実施の形態１の固定子コイル２４は、素線導体を束ねたコイル導体８と、このコイル導体８の外層にマイカテープを巻回して形成される主絶縁層９と、この主絶縁層９の外層に、半導電性テープを巻回して形成される半導電層１０とを有しており、Ｌ字型のコイル固定部材１を用いて鉄心スロット１６に、電気絶縁ワニスを用いて加圧含浸処理、熱硬化処理を施すことで形成されている。
　実施の形態１によるコイル固定部材１によれば、図４と同様に、固定子コイル２４の周囲の熱抵抗低減効果、固定子コイル２４と鉄心スロット１６の内壁面との同電位確保の効果がさらに得られる。また、コイル固定部材１は、板状のコイル固定部材１をＬ字型に配置して形成されてもよいし、Ｌ字型に成形したコイル固定部材１を用いてもよい。
　図６Ａから図６Ｃは、実施の形態１によるコイル固定部材を用いた回転電機の製造方法を示す断面図である。図６Ａから図６Ｃにおいては、例えば、図３に示す回転電機１９の固定子コイル２４の構造を事例とした回転電機の製造方法を説明するが、図４および図５に示す構造についても図６Ａから図６Ｃに示す製造方法と同様に形成される。
　図６Ａに示すように、実施の形態１によるコイル固定部材１を鉄心スロット１６内に挿入し、図６Ｂに示すように、固定子コイル２４と鉄心スロット１６の内壁面の間に配置する。コイル固定部材１は、固定子コイル２４と鉄心スロット１６の内壁面との間に挿入されることにより、ゴム状弾性体４である弾性層７が圧縮される。
　次に、コイル固定部材１を鉄心スロット１６内に挿入した後に加熱する。これにより、例えばエポキシ樹脂である接着層６が軟化し、弾性層７は、繊維状強化材５からなる三次元網目構造（ループ構造）のスプリング効果により厚さ方向に形状変化する。図６Ｂに示すように、固定子コイル２４の表面には、コイル固定部材１の接着層６との間に空隙３２が存在している。軟化した接着層６は、図６Ｃに示すように、弾性層７の復元力により例えば固定子コイル２４の表面または鉄心スロット１６の内壁面に押し付けられた状態に変形し、例えば固定子コイル２４の表面または鉄心スロット１６の内壁面に密接した状態となりその後硬化する。接着層６を鉄心スロット１６の内壁面または固定子コイル２４の側面に押し付け、ほぼ全面積で接着することが可能となり、剥離し難い強固な固定子コイル２４が得られる。また、鉄心スロット１６の内壁面または固定子コイル２４の表面の空隙３２は、接着層６によって埋め込まれており、凹凸または空隙３２が存在しないため、熱伝導率の小さい空気層の形成を抑制することができる。
　さらに、固定子コイル２４の挿入作業性を向上させるために、コイル固定部材１の配置方法は、図４、図５に示したように上コイル１７、下コイル１８で同じ配置にする必要はない。例えば、コイル固定部材１を下コイル１８のみにＵ字型に配置してもよい。また、上コイル１７のみにＵ字型に配置してもよい。
　また、固定子コイル２４の挿入作業性を向上させるために、コイル固定部材１を下コイル１８のみにＵ字型に鉄心スロット１６内側面に配置し、上コイル１７のみにＬ字型に鉄心スロット１６内側面に配置してもよい。
　このように実施の形態１のコイル固定部材１を用いた回転電機１９の固定子コイル２４は、弾性層７と接着層６から形成されているので、例えば回転電機１９の運転時の固定子コイル２４の発熱またはスロット放電の影響により、固定子コイル２４が損傷し絶縁性能が損なわれてしまうことなどを抑制できる。要するに、実施の形態１に係るコイル固定部材１では、鉄心スロット１６の内壁面または固定子コイル２４の側面の表面形状に応じて接着層６が変形し密接することができ、鉄心スロット１６の内壁面または固定子コイル２４の側面に圧迫することができる。これにより、実施の形態１に係るコイル固定部材１では、固定子コイル２４と鉄心スロット１６との間に熱伝導性の小さい空気層が形成されることを抑制し、鉄心スロット１６と固定子コイル２４とを電気的に導通すると共に、高い冷却性能を発揮することができる。
　図７は、実施の形態１によるコイル固定部材を有する回転電機を示す断面図である。図７に示すように、回転電機１９は、フレーム２０内に、ガスクーラー２１、電機子である固定子２２、及び界磁である回転子２６を備えている。フレーム２０内には、発電によって生じる熱を冷却するための冷媒が循環し、ガスクーラー２１によって循環している冷媒を冷却している。固定子２２は、円筒状の固定子コア２３、固定子コイル２４を有している。固定子コア２３は、フレーム２０内に固定され、固定子コイル２４は、固定子コア２３の内周部に固定されている。固定子コア２３の軸方向における固定子コイル２４の両端部は、固定子コア２３から突出しており、コイルエンド２５を形成している。
　一方のコイルエンド２５にはメインリードが接続され、回転電機１９によって発電された電力をフレーム２０の外部に取り出している。回転子２６は、回転軸２７、回転子コア２８、第一保持環２９、第二保持環３０を有している。回転軸２７は、回転子コア２８の軸方向における両端から、回転子コア２８の軸方向外側へ各々突出し、回転軸２７および回転子コア２８は、固定子コア２３と同軸に配置されている。回転子２６が回転することにより、回転子コア２８から発生する磁界が固定子コイル２４を横切ることで、固定子コイル２４に起電力が発生し、電流が発生する。第一保持環２９および第二保持環３０は、回転子コア２８の軸方向の両端に取り付けられ、回転子コア２８に巻かれた界磁巻線を固定している。
　上述した実施の形態１による固定子コイル２４を用いて形成された回転電機１９は、例えば回転電機１９の運転時の固定子コイル２４の発熱またはスロット放電の影響により、固定子コイル２４が損傷し絶縁性能が損なわれてしまうことなどを抑制できる。要するに、実施の形態１に係るコイル固定部材１およびこれを用いた回転電機１９の固定子コイル２４では、接着層６が、鉄心スロット１６の内壁面または固定子コイル２４の側面の表面形状に応じて変形し密接することができ、鉄心スロット１６の内壁面または固定子コイル２４の側面に圧迫することができるので、固定子コイル２４と鉄心スロット１６との間に熱伝導性の小さい空気層が形成されることを抑制し、鉄心スロット１６と固定子コイル２４とを電気的に導通すると共に、高い冷却性能を発揮することができる。
　以上のように、実施の形態１によるコイル固定部材１およびこれを用いた回転電機１９について、特に固定子コイル２４の構造と製造方法を中心として具体的に説明を行ったが、実施の形態１によるコイル固定部材１は上述した回転電機１９にのみ限定して適用されるものではない。前述したように、図７に示す固定子コイル２４を有するモータなどの回転電機１９（回転機）に適用してもよいし、発電機用の固定子コイルに使用することも可能である。また、コイル固定部材１の適用例は、上述した回転電機１９（回転機）用の固定子２２などにおける固定子コイル２４にのみ限られるものではなく、電気機械全般に適用可能である。
実施の形態２．
　図８は実施の形態２によるコイル固定部材を示す断面図である。図８において、実施の形態１におけるコイル固定部材１を説明するために用いた符号と同一の符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。
　実施の形態２によるコイル固定部材１は、図８に示すように、スプリング構造３１を有する弾性層７と、この弾性層７の両面に塗工された接着層６とから構成された三層で形成されている。弾性層７のスプリング構造３１は、規則的に連続する繊維状強化材５からなる三次元格子構造であり、三次元格子構造で構成された繊維状強化材５は、弾性層７の厚みＤ２方向に対してスプリング機能を有している。
　図８に示すように、上記したコイル固定部材１は、ゴム状弾性体４内に繊維状強化材５が規則的に連続する三次元格子構造を形成している状態である。繊維状強化材５からなる三次元格子構造はスプリング効果による形状復元を有する。このような性質を有する三次元格子構造の格子形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などが挙げられる。また、ゴム状弾性体４内に三次元格子構造の格子層は少なくとも一層以上が存在し、ゴム状弾性体４内の全体に亘って存在していることが望ましい。なお、ゴム状弾性体４内の全体に亘って存在しない場合、三次元格子構造のスプリング効果による所望の形状復元性を発揮できない。
　実施の形態２によるコイル固定部材１において使用する材料は、実施の形態１と同様であるが、実施の形態１では、単繊維の繊維状強化材５がシリコーンゴム中に均一分散されているのに対して、実施の形態２では、単繊維の繊維状強化材５ではなく、規則的に連続する三次元格子構造を有する繊維状強化材５を使用している。
　上述した実施の形態２のコイル固定部材１は、例えば以下のようにして作製される。ここでは弾性層７を構成するゴム状弾性体４として加熱硬化型シリコーンゴム、導電性充填材２としてカーボンブラック、繊維状強化材５としてガラスファイバー、接着層６を構成する熱硬化性樹脂３としてエポキシ樹脂を選択して説明する。まず、シリコーンゴムと導電性充填材２を混練する。カーボンブラックのシリコーンゴム中への混練工程は、剪断力を加えて行う剪断混合を適用することが望ましい。剪断力を加えることで、カーボンブラックをシリコーンゴム中に均一分散させることが可能である。シリコーンゴム、カーボンブラックの混合物に、硬化剤を添加して混合後、繊維状強化材５を塗布し、シート状に加熱硬化することで目的とする弾性層７を得ることができる。
　次に、エポキシ樹脂とカーボンブラックを混練する。カーボンブラックのエポキシ樹脂中への混練工程は、剪断力を加えて行う剪断混合を適用することが望ましい。エポキシ樹脂とカーボンブラックの混合物に、硬化剤を添加して混合後、弾性層７の両面に塗布し加熱硬化することで目的とするコイル固定部材１を得ることができる。なお、上記したコイル固定部材１の製造工程において、上記した任意成分は必要に応じて適宜に添加、混合される。
　実施の形態２によるコイル固定部材１によれば、弾性層７のスプリング構造３１は、規則的に連続する三次元格子構造を有する繊維状強化材５により形成されている。弾性層７を構成するゴム状弾性体４内に繊維状強化材５が規則的に三次元格子構造を形成していると、主絶縁層９と半導電層１０との界面に存在するボイド内部で放電が発生する際に、溶融して近傍粒子と連結することが可能である。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１　コイル固定部材、２　導電性充填材、３　熱硬化性樹脂、４　ゴム状弾性体、５　繊維状強化材、６　接着層、７　弾性層、８　コイル導体、９　主絶縁層、１０　半導電層、１１　コイル間スペーサ、１２　スロット底スペーサ、１３　楔下スペーサ、１４　スロット楔、１５　鉄心、１６　鉄心スロット、１７　上コイル、１８　下コイル、１９　回転電機、２０　フレーム、２１　ガスクーラー、２２　固定子、２３　固定子コア、２４　固定子コイル、２５　コイルエンド、２６　回転子、２７　回転軸、２８　回転子コア、２９　第一保持環、３０　第二保持環、３１　スプリング構造、３２　空隙、Ｄ１、Ｄ２　厚み、Ｌ１　繊維長

Claims (11)

  1. 　繊維状強化材によって形成されたスプリング構造を有する弾性層と、
    　前記弾性層上に形成され、半硬化状態にしたプリプレグ材料により形成された接着層と、を備えたことを特徴とするコイル固定部材。
  2. 　前記繊維状強化材は、前記弾性層の厚みよりも長い繊維長の単繊維であり、
    　前記弾性層の前記スプリング構造は、前記繊維状強化材同士が不規則に連続して絡み合う状態に加工された三次元網目構造であることを特徴とする請求項１に記載のコイル固定部材。
  3. 　前記弾性層の前記スプリング構造は、規則的に連続する三次元格子構造を有する前記繊維状強化材により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコイル固定部材。
  4. 　前記弾性層は、半硬化状態にしたプリプレグ材料により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコイル固定部材。
  5. 　前記接着層は、前記弾性層の表面および裏面の両面に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコイル固定部材。
  6. 　前記弾性層は、室温よりも高い温度で硬化するシリコーン樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコイル固定部材。
  7. 　前記弾性層のゴム硬度は、０度以上５０度以下に調整されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコイル固定部材。
  8. 　前記繊維状強化材の繊維径は、１０ｎｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコイル固定部材。
  9. 　前記接着層および前記弾性層は導電性充填材を有しており、
    　前記導電性充填材は、表面がカップリング剤または表面処理剤により改質またはコーティングされていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のコイル固定部材。
  10. 　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記コイル固定部材が、コイルと鉄心との間に配置されていることを特徴とする回転電機。
  11. 　前記コイルは、素線導体と、前記素線導体の外層にマイカテープを巻回して形成される主絶縁層と、前記主絶縁層の外層に半導電性テープを巻回して形成される半導電層とを有しており、
    　前記コイルは、前記コイル固定部材を用いて鉄心スロットに固定されていることを特徴とする請求項１０に記載の回転電機。
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