JP2006074861A

JP2006074861A - 回転電機の電機子巻線および回転電機

Info

Publication number: JP2006074861A
Application number: JP2004252448A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hatano; 浩幡野; Isao Onodera; 功小野寺; Tadashi Matsuura; 忠松浦; Noriyuki Iwata; 憲之岩田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】電機子巻線のコイル絶縁物の課電劣化寿命を短縮させることなく課電劣化特性を向上させ、コイル絶縁物の薄肉化、高ストレス化を図り、回転電機の長寿命化を図る。
【解決手段】回転電機の電機子巻線のコイル絶縁物に使用されるマイカテープ１において、そのテープを構成する有機フィルムであるポリイミドフィルム３の表面に放電に耐性のある無機物層（酸化アルミニウム）を形成し、そのバリア効果で電気トリーの進展を抑制させ課電劣化特性を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイカ素材をコイル導体の絶縁材料とした回転電機の電機子巻線および回転電機に関する。

タービン発電機や水車発電機などの大型で、高電圧の回転電機においては、近年の社会的状況からして、以前にも増して低コスト化の要求が強くなっている。
このような回転電機のコスト低減のためには、機器の小型化、軽量化が有効な手段であり、その中でも、最も付加価値の高い電機子巻線に着目すると、電機子巻線のコイル導体の断面積を縮小するか、あるいはコイル導体の絶縁物（以下、コイル絶縁物と称する）の厚さを薄肉化することが有効な手段と考えられている。

しかしながら、コイル導体の断面積を縮小するとそのコイル導体を流れる電流の電流密度が増加するので、ジュール熱によるコイル導体の発熱が増大する。
この結果、コイル導体の温度が上昇して、コイル絶縁物の熱的劣化が加速され、コイル導体の寿命の短縮、著しくは絶縁破壊による回転電機の損傷等に発展する恐れがある。

一般に、コイル導体の温度が７〜１０℃上昇すると、コイル導体の寿命が半減すると言われている。
よって、コイル絶縁物の熱伝導率の向上を図り、コイル導体から鉄心への放熱性能を向上してコイル導体の温度を低減したり、コイル絶縁物を構成する樹脂の耐熱性を向上させるなどしてコイル導体の温度上昇に対処している。

一方、回転電機の定格電圧を一定にしたままコイル絶縁物の厚さを薄肉化すると、コイル絶縁物に加わる電界が増大し、電気トリーの進展による課電劣化によって同様にコイル寿命が短縮する。

課電劣化は電界のべき乗で作用するので、コイル絶縁物にとっては前記した熱的劣化以上に慎重に対応しなければならない。
この課題を解決する手段として、コイル絶縁物に加わる電界分布を均一化して最大電界強度を低下させたり（例えば特許文献１、非特許文献１参照。）、課電劣化に対して耐性のないフィルム中に無機微粒子（例えば東レ・デュポン製カプトンCR）を分散混入し、これをコイル導体に巻回することによって電気トリーの進展パスを延長するなどの手法が考えられている。
特開平１−９７１４８号公報吉田、梅本：電気学会全国大会予稿、Ｎｏ２９１、昭和６０年

しかし、前記した手段を用いたとしても十分なる回転電機の小型化、軽量化は達成されず、上述の手段に加えて、さらにコイル絶縁物の薄肉化を図り、高い電界に対しても耐え得る高ストレス化が可能な回転電機の電機子巻線が望まれている。

コイル絶縁物の薄肉化、高ストレス化を達成するには、加わる電界が増加することによる電気的劣化の加速に対応できるコイル絶縁物素材、例えば絶縁テープ等の開発が必須である。
一方、回転電機のコイル絶縁物として成立させるには、さまざまな制約、要求を満たすことが必要である。

性能面においては、電気絶縁性、耐熱性に加えて機械強度、耐環境性等を満足させる必要があり、製造面においては、絶縁テープやシートの巻回性や、各構成材料との適合性、品質の安定性等などの条件が挙げられるが、原則的に一つでも条件を満たさないと、コイル絶縁物として使用することができない。
上述の無機微粒子分散フィルムは通常のフィルムに比較して、引っ張り強さが低下する場合があり、コイル絶縁物としての巻回性が懸念される。

さらに、開発した新しいコイル絶縁物が回転電機のコイル絶縁物として使用に耐えうるかどうかについては、上述の性能面、製造面に関して、非常に多くの評価を必要する。
よって、絶縁構成を大幅に変更することは、評価に多大な時間と労力がかかり、経済性、開発期間短縮の観点からも望ましくない。

以上のことから、熱的、電気的劣化の加速に対応して回転電機の寿命を短くすることなく、絶縁に要求されるさまざまな要求を満たし、かつわずかな変更で短期間のうちに実用可能な回転電機のコイル絶縁物が望まれている。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであって、コイル絶縁物の薄肉化、高ストレス化を図り、回転電機の長寿命化を図った回転電機の電機子巻線および回転電気を得ることを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載した回転電機の電機子巻線は、マイカ層と、有機フィルムと、これらを一体化せしめる熱硬化性あるいは熱可塑性の高分子樹脂とからなるコイル絶縁テープあるいはシートの少なくともいずれか一つをコイル導体に巻回し、鉄心に収められる回転電機の電機子巻線において、有機フィルムの少なくともいずれか一方の表面に、無機物層を形成したことを特徴とする。

本発明の回転電機の電機子巻線によれば、コイル絶縁物の薄肉化、高ストレス化を図り、回転電機の長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図３は本発明の第1の実施の形態による回転電機の電機子巻線の比較例によるコイル絶縁物を示す断面図である。
図３において、符号１はコイル絶縁物を構成する材料の一つであるマイカテープ(t0.9×w15mm)で、マスコバイトを原料とした硬質無焼成集成マイカペーパー２と有機フィルムであるポリイミドフィルム（例えば東レ・デュポン製公称厚さ25μｍ、type H）３に、シリコーン樹脂４を含浸・硬化して貼り合わせて形成されている。

このようにして形成されたマイカテープ１を、図４に示すように、回転電機のコイル導体を模擬したアルミニウム製の導体（１０×１５×４００mm）５の全長にわたって、当該テープ１がテープ幅の１／２分だけ重なるようにして２回巻回し、その上に幅15mmのポリイミドテープ(例えば東レ・デュポン製公称厚さ50μｍ、typeH)６を同じく1/2重ねで１回巻回し、さらにその上にガラスクロス(t0.1×w25)７を1/2重ねで１回それぞれ順に巻回して模擬鉄心８に収め、楔９で固定した後、イミド変成エポキシ樹脂組成物（例えばＴＶＢ２７１１、京セラケミカル製）１０を真空加圧含浸している。

エポキシ樹脂組成物の真空加圧含浸時の真空引きの条件は、１０．０Paで１時間、加圧は０．５MPaで０．５時間である。
この後、図示しない熱風循環式恒温槽にて１８０℃、２０時間で加熱硬化し、模擬電機子巻線１１を形成している。

次に本発明の第１の実施の形態による電機子巻線のコイル絶縁物（実施例１）を説明する。
図１に示すように、前記比較例のマイカテープ１において、厚さが１００〜２００Åになるように酸化アルミニウムを片面に真空蒸着して無機物層１２を形成したポリイミドフィルム１３を形成し、このポリイミドフィルム１３を図２に示すように、無機物層１２の蒸着面が集成マイカペーパー２との貼り合わせ面となるように貼り合わせ、マイカテープ１４を形成している。

そして図４に示すように、比較例と同じように導体５にマイカテープ１４、ポリイミドフィルム６、ガラスクロス７を巻回し、樹脂組成物１０を含浸、硬化処理して、回転電機の模擬電機子巻線１５を形成している。

このようにして得られた比較例、第１の実施の形態による両模擬電機子巻線１１、１５について、それぞれ鉄心８を接地し、コイル導体を模擬したアルミニウム製の導体５に３種類の交流電圧(50Hz)を常温にて印加した。

そして、地絡するまでの時間、つまり課電寿命を測定し、比較した。その結果を図５に示す。なお両模擬電機子巻線１１、１５につき、各測定電圧毎にそれぞれ１０本のコイルを評価している。

図５に、ワイブル分布によって統計処理した50％破壊確率値を、最小二乗法で処理した近似曲線を示す。
図５中に実際の運転電圧の一例を示したが、この電圧においては１０倍以上課電寿命が延長する。

また、比較例の運転電圧における課電寿命と同じ寿命で、実施例１の電機子巻線は課電電圧を約３０％増加できることから、本発明を用いると絶縁厚さを約３０％低減でき、回転電機の小型、軽量化を図ることができる。

また、無機物層の形成に真空蒸着を用い、無機物の材料に酸化アルミニウムを用いることにより、柔軟性に富み、緻密な無機物層が形成されるので、酸素遮断性能を発揮し、機器運転時における熱劣化の主要因である酸化劣化を防止することができる。
また、従来のようにマイカフィルム内に無機物を分散しないので引っ張り強さなどの機械的特性が低下せず、製造時の巻回に悪影響を及ぼすことがない。

次に本発明の第２の実施の形態につついて図面を参照して説明する。
図６は本発明の実施例２による模擬電機子巻線を示す図で、ポリイミドフィルムで巻回された絶縁被覆平角電線１６を束ねてなる回転電機のコイル導体（１２×１６×４００mm）１７の全長にわたって、前記図２に示すマイカテープ１４がテープ幅の１／２分だけ重なるようにして２回巻回し、その上に幅15mmのポリイミドテープ(例えば東レ・デュポン製公称厚さ50μｍ、typeH)６を同じく1/2重ねで１回巻回し、さらにその上にガラスクロス(t0.1×w25)７を1/2重ねで１回それぞれ順に巻回して模擬鉄心８に納め、楔９で固定した後、イミド変成エポキシ樹脂組成物（例えばＴＶＢ２７１１、京セラケミカル製）１０を真空加圧含浸している。

エポキシ樹脂組成物の真空加圧含浸時の真空引きの条件は１０．０Paで１時間、加圧は０．５MPaで０．５時間である。
この後、熱風循環式恒温槽にて１８０℃、２０時間で加熱硬化し、模擬電機子巻線１８を形成している。

次に前記本発明の第１の実施の形態で説明した図２に示すマイカテープ１４、ポリイミドフィルム６、ガラスクロス７を巻回し、樹脂組成物１０を含浸、硬化処理して回転電機の模擬電機子巻線１９を形成している(実施例２)。

このようにして得られた比較例、第２の実施の形態による両模擬電機子巻線１８、１９について、前記第１の実施の形態と同様に、それぞれ鉄心８を接地し、コイル導体を模擬した絶縁被覆平角電線１６を束ねてなるコイル導体１７に３種類の交流電圧(50Hz)を常温にて印加した。

そして、地絡するまでの時間、つまり課電寿命を測定し、比較した。その結果を図７に示す。なお両模擬電機子巻線１８、１９につき、各測定電圧毎にそれぞれ５本のコイルを評価している。

図７に、ワイブル分布によって統計処理した50％破壊確率値を最小二乗法で処理した近似曲線をプロットした。
図７中に実際の回転電機の運転電圧を示したが、この電圧においては約１０倍課電寿命が延長する。

また、比較例２の運転電圧における課電寿命と同じ寿命で、実施例２の電機子巻線は課電電圧を４０％以上増加できることから、本発明を用いると絶縁厚さを４０％以上低減でき、回転電機の小型、軽量化を図ることができる。

以上、第１および第２の実施の形態で説明した課電寿命の測定結果において、本願発明によるコイル絶縁物が実施例１および２において比較例より良好な結果が得られた理由は、マイカテープを構成する有機フィルムの表面に放電に対して耐性のある無機物層を形成することにより課電劣化の主原因である電気トリーの進展をそのバリア効果で抑制するためである。
この結果、同等の課電劣化寿命を有しながらコイル絶縁物を薄肉化することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるコイル絶縁物の有機フィルムを示す正面図。本発明の第１の実施の形態におけるコイル絶縁物を示す正面図。本発明の実施の形態における比較例によるコイル絶縁物を示す正面図。本発明の第１の実施の形態による回転電機の電機子巻線を示す正面図。本発明の第１の実施の形態による回転電機の電機子巻線と比較例による電機子巻線との課電特性を示す特性図。本発明の第２の実施の形態による回転電機の電機子巻線を示す正面図。本発明の第２の実施の形態による回転電機の電機子巻線と比較例による電機子巻線との課電特性を示す特性図。

符号の説明

１，１４…マイカテープ、２…マイカペーパー、３，１３…ポリイミドフィルム、４…シリコーン樹脂、５…アルミニウム製導体、６…ポリイミドテーブ、７…ガラスクロス、８…模擬鉄心、９…楔、１０…イミド変成エポキシ樹脂組成物、１１，１５，１８，１９…模擬電機子巻線、１２…無機物層、１６…絶縁被覆平角電線、１７…コイル導体。

Claims

マイカ層と、有機フィルムと、これらを一体化せしめる熱硬化性あるいは熱可塑性の高分子樹脂とからなる絶縁テープあるいは絶縁シートの少なくともいずれか一つをコイル導体に巻回し、鉄心に収められる回転電機の電機子巻線において、有機フィルムの少なくともいずれか一方の表面に、無機物層を形成したことを特徴とする回転電機の電機子巻線。
無機物層を真空蒸着により有機フィルムの表面に形成したことを特徴とする請求項１記載の回転電機の電機子巻線。
無機物層が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の回転電機の電機子巻線。
請求項１ないし３のいずれかに記載の電機子巻線を備えたことを特徴とする回転電機。