JP2018195666A

JP2018195666A - コイル、コイルの製造方法

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Publication number: JP2018195666A
Application number: JP2017097266A
Authority: JP
Inventors: 塩田　広; Hiroshi Shioda; 広塩田; 裕介 ▲陦▼; Yuusuke Shima; 哲夫中前; Tetsuo Nakamae; 前田　照彦; Teruhiko Maeda; 照彦前田; 多文尾崎; Tamon Ozaki; 公治大山; Kimiharu Oyama
Original assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-12-06

Abstract

【課題】絶縁信頼性を長期に渡って確保することができるコイル、コイルの製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の多重筒状コイル１は、樹脂含浸性を有する絶縁部材である絶縁テープ３で被覆されている導体２を筒状に巻回して形成され、同心状に複数層配置されている導体巻回層５と、樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成され、導体巻回層５の内周側または外周側の少なくとも一方に配置されている絶縁シート６と、絶縁部材に含浸され、複数層配置されている導体巻回層５間、および、導体巻回層５内において軸方向に隣り合う導体２間を絶縁する樹脂部材であるレジン１１を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、コイル、コイルの製造方法に関する。

コイルは、例えば複数本の素線を撚合わせたリッツ線や断面が矩形状あるいは円形状の金属材料等の導体を筒状に巻回して形成された導体巻回層を備えている。

このとき、コイルは、複数層の導体巻回層を同心状に配置することがあるため、導体巻回層間の電気絶縁性を確保するために、導体巻回層間にシート状の絶縁部材を配置したものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６０−２０７３２６号公報

比較的高電圧の用途に用いられるコイルにおいて、同心状に配置されているそれぞれの導体巻回層内だけでなく、導体巻回層間の絶縁耐力を合理的に向上させ、絶縁信頼性を長期に渡って確保することができるコイル、コイルの製造方法を提供する。

実施形態のコイルは、樹脂含浸性を有する絶縁部材で被覆されている導体を筒状に巻回して形成され、同心状に複数層配置されている導体巻回層と、樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成され、導体巻回層の内周側または外周側の少なくとも一方に配置されている絶縁シートと、導体を被覆する絶縁部材および絶縁シートを形成する絶縁部材に含浸されており、当該樹脂部材により複数層配置されている導体巻回層間、および、導体巻回層内において軸方向に隣り合う導体間を絶縁する樹脂部材と、を備える。

多重筒状コイルの構成を模式的に示す図巻線用導体の構成を模式的に示す図ダクト部材およびその配置を模式的に示す図多重筒状コイルの製造工程を模式的に示す図その１多重筒状コイルの製造工程を模式的に示す図その２多重筒状コイルの製造工程を模式的に示す図その３多重筒状コイルの製造工程を模式的に示す図その４

以下、実施形態について図１から図７を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態のコイル（以下、多重筒状コイル１と称する）を模式的に示している。この多重筒状コイル１は、導体２を絶縁テープ３で被覆した巻線用導体４を筒状に巻回して形成された導体巻回層５が同心状に複数層配置されているとともに、その導体巻回層５の表面に絶縁シート６が配置されている。以下、多重筒状コイル１において、内周側に位置する導体巻回層５側のコイル部分を便宜的に内周側コイル１Ａと称し、外周側となる導体巻回層５側のコイル部分を便宜的に外周側コイル１Ｂと称する。

導体２は、金属材料で形成されており、図２にも示すように、本実施形態では断面形状が概ね矩形状のいわゆる平角線を用いている。ただし、導体２は、断面形状が概ね円形状のいわゆる丸線を用いることができるし、複数本の平角線や丸線を組み合わせたものを用いることもできるし、複数本の素線を撚合わせたいわゆるリッツ線を用いることもできる。

この導体２は、後述する図４に示すように筒状に巻回されることにより、図１における図示上下方向において、換言すると、導体２を筒状に巻回した状態における軸方向において、絶縁テープ３を挟んで互いに隣り合う配置になっている。

絶縁テープ３は、樹脂含浸性を有する絶縁材料で形成されており、図２に示すように、導体２の長手方向に沿ってその表面に巻回されている。この絶縁テープ３には、後述するレジン１１が含浸されている。なお、図１や図２あるは後述する図３では、説明のために絶縁テープ３の厚みを意図的に拡大して示している。本実施形態では、絶縁テープ３として比較的厚みが薄いテープ状の不織布を採用しており、導体２の表面を隙間なく被覆している。なお、この絶縁テープ３は、樹脂含浸性を有する絶縁材料であれば、絶縁シート６と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

絶縁シート６は、樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成されている。本実施形態では、絶縁シート６として不織布を採用しており、図１に示すように導体巻回層５の内周側および外周側にそれぞれ配置されている。この絶縁シート６には、上述するレジン１１が含浸されている。

ただし、絶縁シート６は、導体巻回層５の内周側または外周側の少なくとも一方に配置する構成とすることもできる。例えば、図１において図示左方側の導体巻回層５が、同心状に配置された際の内周側に位置するものであるとすると、内周側コイル１Ａについては外周側に絶縁シート６を配置し、外周側コイル１Ｂについては内周側に絶縁シート６を配置する構成とすること等ができる。

また、絶縁シート６は、導体巻回層５の軸方向の長さ、つまりは、図１における導体巻回層５の図示上下方向の長さよりも長く形成されている。そして、絶縁シート６は、その両端部が、導体巻回層５の上端および下端よりも外側に位置するように配置されている。このため、導体巻回層５の上端側および下端側において、導体巻回層５を挟むように配置されている絶縁シート６の間には、隙間が形成される。

そのため、本実施形態では、絶縁シート６の間に形成される隙間に、樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成されている絶縁キャップ７を配置している。つまり、導体巻回層５の上端および下端に絶縁部材を配置している。この絶縁キャップ７は、本実施形態では絶縁シート６と同一の絶縁部材を採用している。また、この絶縁キャップ７には、上述するレジン１１が含浸されている。なお、絶縁キャップ７は、必ずしも１つの部材で構成する必要は無く、例えば絶縁シート６と同じ厚みのものを複数枚重ねる構成とすることもできる。

また、説明の簡略化のために図１では図示を省略しているが、多重筒状コイル１には、図３に示すように、導体巻回層５間にダクト部材８が配置されている。なお、図３では、説明の簡略化のために、内周側コイル１Ａの図示を省略している。

このダクト部材８は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料により波型状に形成された構造物であり、同心状に配置されている内周側コイル１Ａと外周側コイル１Ｂとの間において、周方向の概ね全域に渡って配設されている。つまり、ダクト部材８の内周側および外周側には、導体巻回層５との間に絶縁シート６が配置されている。

また、ダクト部材８は、波の頂点部分８ａにおいて、各導体巻回層５に接触している。より具体的には、ダクト部材８は、外周側の各頂点部分８ａを結ぶ仮想線Ｌ１上において、外周側の導体巻回層５Ｂの内周面つまりは導体巻回層５Ｂに設けられている絶縁シート６の表面に、軸方向に渡って接触している。同様に、ダクト部材８は、内周側の各頂点部分８ａを結ぶ仮想線Ｌ２上において、内周側の導体巻回層５Ａの外周面つまりは導体巻回層５Ａに設けられている絶縁シート６の表面に、軸方向に渡って接触している。

このダクト部材８により、導体巻回層５間には、軸方向に延びる中空部分、すなわち、空気や冷却水あるいは冷却油等の冷却媒体が流れる複数のダクト９が形成されている。このダクト９の大きさ、つまりは、導体巻回層５間の幅（Ｗ）は、ダクト部材８の形状により規定することができる。換言すると、冷却媒体の流量に関係する流路の大きさは、ダクト部材８の形状により規定することができる。なお、ダクト部材８の形状は、必要とされる導体巻回層５間の沿面絶縁性能、冷却性能、あるいは短絡強度等を考慮して適宜設計することができる。

次に、上記した多重円筒コイルの製造方法について説明する。
多重円筒コイルの製造工程では、図４に示すように、巻線用導体４を筒状の巻回治具１０に巻回して導体巻回層５が形成される。このとき、巻線用導体４の絶縁テープ３には、予め樹脂硬化促進剤が含浸されている。続いて、図５に示すように、導体巻回層５に絶縁シート６および絶縁キャップ７を設けることで、例えば内周側コイル１Ａが形成される。このとき、絶縁シート６および絶縁キャップ７も、予め樹脂硬化促進剤が含浸されている。また、外周側コイル１Ｂは、同様の工程により、内周側コイル１Ａとは異なる内径で形成される。

続いて、内周側コイル１Ａと外周側コイル１Ｂとを同心状に配置し、内周側コイル１Ａと外周側コイル１Ｂとの間にダクト部材８を設けて、図６に示す多重円筒コイルを形成する。なお、図６では、説明の簡略化のためにダクト部材８の図示を省略している。

形成した多重円筒コイルは、液状のレジン１１が貯留されている樹脂槽１２に浸漬される。このレジン１１は、比較的熱伝導率が良好なもの、例えばエポキシ樹脂に高熱伝導性を発現させる添加剤としてアルミナや窒化ホウ素などのマイクロサイズの高熱伝導性フィラーを添加したものを採用することができる。

多重筒状コイル１は、レジン１１が樹脂硬化促進剤と反応する時点まで、あるいは、樹脂硬化促進剤と十分に反応すると想定される時点まで樹脂槽１２に浸漬され続ける。そして、レジン１１が樹脂硬化促進剤と反応した後、多重筒状コイル１は、樹脂槽１２から取り出させる。

取り出された多重筒状コイル１は、図７に示すように熱乾燥炉１３１２内に載置された後、扉１３Ａを閉鎖して乾燥および加熱される。これにより、多重筒状コイル１に用いられている絶縁部材、つまりは、絶縁テープ３、絶縁シート６および絶縁キャップ７に含浸したレジン１１が加熱硬化される。なお、乾燥および加熱は、熱乾燥炉１３１２に設けられている熱源を利用する以外にも、導体巻回層５に端子を取り付け、導体巻回層５に通電することにより行う構成とすることもできる。そして、レジン１１の熱硬化が完了した多重筒状コイル１は、ケーシング等が施されて変圧器等に用いられる。

以上説明した多重筒状コイル１およびその製造方法によれば、次のような効果を得ることができる。
多重筒状コイル１は、樹脂含浸性を有する絶縁部材である絶縁テープ３で被覆されている導体２を筒状に巻回して形成され、同心状に複数層配置されている導体巻回層５と、樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成され、導体巻回層５の内周側または外周側の少なくとも一方に配置されている絶縁シート６と、絶縁部材に含浸され、複数層配置されている導体巻回層５間、および、導体巻回層５内において軸方向に隣り合う導体２間を絶縁する樹脂部材であるレジン１１を備えている。

つまり、多重筒状コイル１は、絶縁テープ３および絶縁シート６にレジン１１を含浸させることにより、複数層配置されている導体巻回層５間、および、導体巻回層５内において軸方向に隣り合う導体２間つまりは巻線用導体４間の双方を絶縁する。

従来では、導体２そのものは、エナメル被覆等、樹脂含浸性が無いあるいは低い絶縁部材で被覆されていた。そのため、導体巻回層５内において隣り合う導体２間の絶縁性は、絶縁部材の特性によって決まっていた。この場合、絶縁性を向上させるために絶縁部材を厚くすると、同一形状のコイルであれば導体２の総量が減ってしまい、コイルとしての特性の低下を招くおそれがある。また、比較的高電圧の用途に用いる場合には、導体２間に部分放電が発生するおそれも高くなる。

また、別の従来の方法では、導体２の外周に樹脂含浸性の高い絶縁テープ３を用いるだけで、導体巻回層５間には絶縁シート６を設けないものも実用化されていた。この場合、導体巻回層５間の絶縁耐力を向上させるためには絶縁テープ３の厚さを増やす必要があり、その結果、導体２が多重円筒状コイル１の軸方向に占める割合が低下してしまい、必要な導体２の量を確保するために多重筒状コイル１の外形寸法の増大を招いていた。

そこで、本実施形態の多重筒状コイル１は、導体２を、樹脂含浸性を有する絶縁部材である絶縁テープ３により被覆し、その絶縁テープ３にレジン１１を含浸させて加熱硬化させている。これにより、導体巻回層５内において隣り合う導体２間は、絶縁テープ３に加えて、レジン１１によっても絶縁される。その結果、導体２間の絶縁性を向上させることができるとともに、導体巻回層５内の導体２間だけでなく、導体巻回層５間においても絶縁耐力を向上させることができ、絶縁信頼性を長期に渡って確保することができる。

また、多重筒状コイル１は、導体巻回層５の上端および下端に、樹脂含浸性を有する絶縁部材である絶縁キャップ７を配置している。これにより、電界が集中し易い導体巻回層５の端部において部分放電が発生するおそれを低減することができるとともに、絶縁耐力を向上させることができる。

また、多重筒状コイル１は、導体巻回層５間に、軸方向に連なるダクト９を形成するダクト部材８を配置した。これにより、多重筒状コイル１内を軸方向に冷却媒体が流れる流路が形成され、多重筒状コイル１を効率よく冷却することができる。

また、上記したコイルの製造方法によっても、導体２間の絶縁性を向上させることができるとともに、導体巻回層５内の導体２間だけでなく、導体巻回層５間においても絶縁耐力を向上させることができ、絶縁信頼性を長期に渡って確保することができる等の効果を得ることができる。

実施形態では内周側コイル１Ａと外周側コイル１Ｂの２つの導体巻回層５を備えるものを例示したが、３以上の導体巻回層５を備える構成とすることもできる。例えば、内周側コイル１Ａや外周側コイル１Ｂを、いわゆる渡り線で接続した２以上の導体巻回層５を用いてそれぞれ構成すること等ができる。

実施形態では、絶縁テープ３、絶縁シート６および絶縁キャップ７に樹脂硬化促進剤を含浸させた例を示したが、これらのうちのいずれか１つあるいは２つの絶縁部材に樹脂硬化促進剤を含浸させる構成とすることもできる。
また、例えば絶縁テープ３のうち少なくとも一部に樹脂硬化促進剤を含浸させる構成とする等、各絶縁部材の一部に樹脂硬化促進剤を含浸させる構成とすることもできる。

実施形態では絶縁部材に予め樹脂硬化促進剤を含浸させた構成を示したが、例えば絶縁テープ３で導体２を被覆した後に樹脂硬化促進剤を含浸させたり、絶縁シート６や絶縁キャップ７を設けた後に樹脂硬化促進剤を含浸させたりすることもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は多重筒状コイル（コイル）、１Ａは内周側コイル（コイル）、１Ｂは外周側コイル（コイル）、２は導体、３は絶縁テープ（絶縁部材）、５、５Ａ、５Ｂは導体巻回層、６は絶縁シート（絶縁部材）、７は絶縁キャップ（絶縁部材）、８はダクト部材、９はダクト、１１はレジン（樹脂部材）、１２は樹脂槽を示す。

Claims

樹脂含浸性を有する絶縁部材で被覆された導体を筒状に巻回して形成され、同心状に複数層配置されている導体巻回層と、
樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成され、前記導体巻回層の内周側または外周側の少なくとも一方に配置されている絶縁シートと、
前記導体を被覆する絶縁部材および前記絶縁シートを形成する絶縁部材に含浸されており、当該樹脂部材により複数層配置されている前記導体巻回層間、および、前記導体巻回層内において軸方向に隣り合う前記導体間を絶縁する樹脂部材と、
を備えることを特徴とするコイル。
前記導体巻回層の上端および下端に、樹脂含浸性を有する絶縁部材を配置したことを特徴とする請求項１記載のコイル。
前記導体巻回層間に、当該コイルの軸方向に連なるダクトを形成するダクト部材を配置したことを特徴とする請求項１または２記載のコイル。
樹脂含浸性を有する絶縁部材で被覆されている導体を筒状に巻回して形成され、同心状に複数層配置されている導体巻回層と、樹脂含浸性を有する絶縁部材で形成され、前記導体巻回層の内周側または外周側の少なくとも一方に配置されている絶縁シートとを有するコイルの製造方法であって、
絶縁部材の少なくとも一部に樹脂硬化促進剤を含浸させ、
同心状に配置した前記導体巻回層を樹脂槽に浸漬して絶縁部材に樹脂部材を含浸させ、
前記樹脂部材が前記樹脂硬化促進剤と反応した時点で前記導体巻回層を前記樹脂槽から取り出し、
取り出した前記導体巻回層を加熱して、絶縁部材に含浸させた前記樹脂部材を加熱硬化させることを特徴とするコイルの製造方法。