(57)【要約】【課題】高湿度環境の下においても、優れた電気絶縁特性および高熱伝導性を発揮することができる電気絶縁部材、回転電機用固定子コイルおよび回転電機を提供すること目的とする。【解決手段】電気絶縁テープ２０は、補強基材２２と、この補強基材の一方の表面に形成された低比誘電率熱伝導層２３と、補強基材２２の他方の表面に形成されたマイカ層２１とを備えている。また、低比誘電率熱伝導層２３の、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、電気絶縁部材全体における厚さ方向の熱伝導率が０．３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の固定子コイルの導体束に巻回され電気絶縁層を形成する電気絶縁部材であって、
補強基材と、
前記補強基材の一方の表面に形成され、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４〜１０の無機質充填材を４０〜７０体積％含有する熱硬化性樹脂からなる低比誘電率熱伝導層と、
前記補強基材の他方の表面に形成され、マイカに熱硬化性樹脂を含浸してなるマイカ層と
を備え、
前記低比誘電率熱伝導層の、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、電気絶縁部材全体における厚さ方向の熱伝導率が０．３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする電気絶縁部材。
【請求項２】
前記補強基材と前記低比誘電率熱伝導層との間に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の充填材を４０〜７０体積％含有する熱硬化性樹脂からなる高熱伝導層をさらに積層して備えることを特徴とする請求項１記載の電気絶縁部材。
【請求項３】
少なくとも、前記低比誘電率熱伝導層および前記マイカ層を構成する熱硬化性樹脂が、半硬化状態であることを特徴とする請求項１または２記載の電気絶縁部材。
【請求項４】
導体束に電気絶縁部材を巻回して電気絶縁層を形成してなる回転電機用固定子コイルであって、
前記電気絶縁層を構成する少なくとも最も外側の層が、請求項１乃至３のいずれか１項記載の電気絶縁部材を用いて形成されていることを特徴とする回転電機用固定子コイル。
【請求項５】
導体束に電気絶縁部材を巻回して電気絶縁層を形成してなる回転電機用固定子コイルであって、
前記電気絶縁層の外周面に、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４〜１０の無機質充填材を４０〜７０体積％含有する熱硬化性樹脂からなり、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおいて比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である電気絶縁樹脂層を備えることを特徴とする回転電機用固定子コイル。
【請求項６】
請求項４または５記載の回転電機用固定子コイルを備えることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車発電機やタービン発電機などの回転電機のコイル導体束に巻回される電気絶縁部材、この電気絶縁部材が巻回された回転電機用固定子コイル、この固定子コイルを備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車発電機やタービン発電機等の回転電機では、固定子鉄心の固定子スロット内に挿入配置された固定子コイルが、そのコイル導体自身に流れる電流と、固定子鉄心を磁路とした磁束の内の固定子スロットを横切る成分との相互作用により、機械軸の半径方向に発生する電源周波数の２倍の電磁力を受けて振動する。また、回転電機では、運転中におけるコイル導体束に大電流が流れることでジュール熱を生じる。
【０００３】
図６は、固定子スロット３０１内に固定子コイル３０２が収容された従来の固定子鉄心３００の断面を模式的に示した図である。
【０００４】
図６に示すように、固定子鉄心３００に形成された断面矩形状の固定子スロット３０１内に、固定子コイル３０２が配置されている。固定子コイル３０２は、主として、コイル導体束３０３と、このコイル導体束３０３の外周面に形成された電気絶縁層３０４とから構成されている。また、固定子コイル３０２の上下方向への移動を防ぐためにスペーサ３０５を配置し、固定子コイル３０２の横方向への移動を防ぐためにスペーサ部材３０６を配置し、楔３０７によって固定されている。
【０００５】
上記したように、コイル導体束３０３にはジュール熱が発生し、このジュール熱は、コイル導体束３０３の外周面に形成された電気絶縁層３０４を介して固定子鉄心３００へ伝達される。一方、電気絶縁層３０４によって、コイル導体束３０３と固定子鉄心３００間の電気絶縁が維持されている。このように、電気絶縁層３０４には、電気絶縁特性が求められるとともに、優れた熱伝導性が要求される。
【０００６】
これらの要求である、高電圧に耐える電気絶縁特性と高熱伝導性とを両立させるために、電気絶縁特性に優れたマイカ絶縁層に、高熱伝導率の充填材を含有する高熱伝導充填材層を積層した絶縁テープをコイル導体束の周囲に巻回して電気絶縁層を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、発電機や電動機の固定子コイルにおける絶縁においては、その機器の様々な使用環境下によって、機器運転中に電気的、機械的、熱的なストレスを受ける。例えば、固定子コイルにかかるストレスによって、電気絶縁層の表面のコロナ防止層が劣化することが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。この報告は、実機を模擬するための加速試験であるが、実機環境でも同様の現象が生じると考えられる。コロナ防止層が劣化した部位においては、部分放電の誘発およびマイカ絶縁層の表面の露出により、マイカ絶縁層の劣化が加速される。そこで、実機の絶縁設計においては、マイカ絶縁層は、機器運転中に加わる電気、熱、機械ストレスに対して十分に余裕をもって設計されている。しかしながら、様々な外的要因等によって、上記した報告のように、マイカ絶縁層の劣化現象が生じることがある。
【特許文献１】特開平１１−２５０７３７号公報
【非特許文献１】IEEE Transactions on energy conversion, vol.19, No.4 p710
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した従来のような、マイカ絶縁層および高熱伝導充填材層を有する電気絶縁層においても、機器運転中において上記したように劣化が生じることは十分に予想される。この場合、高熱伝導充填材層を備えず、マイカ絶縁層からなる従来の電気絶縁層と比較して、次に示すような、新たな問題が生じる可能性がある。
【０００９】
上記したマイカ絶縁層および高熱伝導充填材層を有する従来の電気絶縁層では、絶縁層全体の熱伝導率の向上のために、高熱伝導充填材層が主に寄与し、高電圧絶縁特性の向上のために、マイカ絶縁層が主に寄与している。いずれの場合も、さらに熱伝導率を向上させるためには、高熱伝導充填材層の充填材の割合を増加させることが有効である。しかしながら、従来の技術では充填率の増加は、電気絶縁特性を向上させる上で好ましくない。
【００１０】
すなわち、高熱伝導充填材層中の充填材は、主にフィラーと呼ばれる無機質の材料が用いられるが、フィラーの充填量を増加させると、高熱伝導充填材層の比誘電率が上昇する。この理由は、使用される無機充填材として代表的な酸化アルミニウムの比誘電率は、８程度であり、接着樹脂として主に使用されるエポキシ樹脂の比誘電率（３〜４程度）に比べて高いからである。接着樹脂とフィラーを混合したときの複合材としての誘電率は、Nielsenの式によって検証することができる。例えば、発明者らの検討では、エポキシ樹脂接着材に酸化アルミニウムを体積分率で５０％以上充填したときの比誘電率は５．２程度であった。前述のNielsenの式では、フィラーの体積充填率の増加に伴い、複合材の比誘電率が増加する。放熱性を高めるためにはフィラーの体積分率を増加させて高熱伝導充填材層の熱伝導率を向上させなければならないが、一方で高熱伝導充填材層の比誘電率は増加する。
【００１１】
回転電機の絶縁において、このような高熱伝導充填材層の比誘電率の増加は、好ましくない場合がある。水車発電機や電動機の場合、固定子コイルの表面の湿度は、使用環境雰囲気の湿度に近くなる。また、水力発電所においては、豪雨等によって発電所内に水が流入して、水車発電機が高湿度環境に晒されることもある。このような状況に加えて、さらに、前述の運転中におけるコロナ防止層の劣化が生じると、高熱伝導充填材層の表面が高湿度環境に晒され、電気絶縁特性が低下する。高熱伝導充填材層の表面が高湿度環境に晒された状態においては、表面における水分、すなわち水分子の付着性が電気絶縁特性に影響を及ぼすと考えられる。
【００１２】
付着性を示す指標として、一般的には水のぬれ性が挙げられる。表面のぬれ性を制御する手法としては、表面にぬれ性の低い材料を塗布する等の表面処理を行うことが一般である。しかしながら、コロナ防止層が劣化した環境においては、表面処理成分もコロナ放電等により劣化することが考えられる。すなわち、高熱伝導充填材層の材料自身のぬれ性が重要となる。材料の水分子に対するぬれ性は、材料の水酸基（ＯＨ基）に代表される親水性の部位による水素結合、あるいは水分子の双極子による材料の分極に影響される。材料の分極のしやすさを示す指標としては、比誘電率がある。
【００１３】
ここで、一般的に、極性基の割合が高いと誘電率が高くなる。また、付着性を維持するためにぬれ性が必要となり、そのためには極性基が必要となる。一般に、誘電率とぬれ性には相関があり、比誘電率の高い材料はぬれ性がよく、比誘電率の低い材料はぬれ性に劣る傾向がある。
【００１４】
この理由は、双極子モーメント間の相互作用によって説明付けられる。水分子の双極子モーメントは、１．８５Ｄ（ＤはDebye）と大きい（例えば、Atkins著の物理化学要論（第４版、東京化学同人）ｐ３８８参照）。また、対象材料である双極子モーメントと比誘電率の関係は、クラウジウス−モソッティの関係式（分極率と誘電率の関係）および分極率が双極子モーメントに比例することから示され、比誘電率の大きな材料ほど双極子モーメントが大きいといえる。すなわち、双極子モーメントの大きい水分子と、比誘電率の高い（双極子モーメントの大きい）材料間には、双極子間相互作用による引力が大きく作用する。このような理由から、比誘電率の高い材料ほど水へのぬれ性がよくなる。また、比誘電率の低い材料（例えば テフロン（登録商標）やポリエチレン）はぬれ性が悪い。
【００１５】
そのため、高熱伝導充填材層のフィラーの体積分率を向上させることによって放熱性を高めることは可能であるが、フィラーの比誘電率が高い場合は、高湿度環境において電気絶縁特性が低下するという問題を生じる。このように、従来の回転電機における電気絶縁層において、高湿度環境下において、電気絶縁特性と高熱伝導性との双方に優れた特性を備えることは難しかった。
【００１６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高湿度環境の下においても、優れた電気絶縁特性および高熱伝導性を発揮することができる電気絶縁部材、回転電機用固定子コイルおよび回転電機を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、回転電機の固定子コイルの導体束に巻回され電気絶縁層を形成する電気絶縁部材であって、補強基材と、前記補強基材の一方の表面に形成され、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４〜１０の無機質充填材を４０〜７０体積％含有する熱硬化性樹脂からなる低比誘電率熱伝導層と、前記補強基材の他方の表面に形成され、マイカに熱硬化性樹脂を含浸してなるマイカ層とを備え、前記低比誘電率熱伝導層の、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、電気絶縁部材全体における厚さ方向の熱伝導率が０．３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする電気絶縁部材が提供される。
【００１８】
また、本発明の一態様によれば、導体束に電気絶縁部材を巻回して電気絶縁層を形成してなる回転電機用固定子コイルであって、前記電気絶縁層を構成する少なくとも最も外側の層が、上記した電気絶縁部材を用いて形成されていることを特徴とする回転電機用固定子コイルが提供される。
【００１９】
さらに、本発明の一態様によれば、導体束に電気絶縁部材を巻回して電気絶縁層を形成してなる回転電機用固定子コイルであって、前記電気絶縁層の外周面に、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４〜１０の無機質充填材を４０〜７０体積％含有する熱硬化性樹脂からなり、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおいて比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である電気絶縁樹脂層を備えることを特徴とする回転電機用固定子コイルが提供される。
【００２０】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの回転電機用固定子コイルを備えることを特徴とする回転電機が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の電気絶縁部材、回転電機用固定子コイルおよび回転電機によれば、高湿度環境の下においても、優れた電気絶縁特性および高熱伝導性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る一実施の形態の回転電機用の固定子コイル１を構成するコイル導体束１１の周囲に形成された電気絶縁層１０の断面を模式的に示す図である。図２は、本発明に係る一実施の形態の電気絶縁部材として機能する電気絶縁テープ２０の断面を模式的に示した図である。
【００２４】
図１に示すように、電気絶縁層１０は、電気絶縁テープ２０を所定の重なり幅で重なるようにして、素線束からなるコイル導体束１１に複数回巻回することで形成される。
【００２５】
図２に示すように、電気絶縁テープ２０は、補強基材２２と、この補強基材の一方の表面に形成された低比誘電率熱伝導層２３と、補強基材２２の他方の表面に形成されたマイカ層２１とを備えている。
【００２６】
マイカ層２１は、マイカと、半硬化状態、すなわちＢステージの初期状態の熱硬化性樹脂とからなる。マイカは、シート状に形成できるものであればいずれの種類でも使用することができる。マイカは、硬質マイカと軟質マイカに大別され、特に電気絶縁性を向上させるという観点からは硬質マイカを使用することが好ましい。
【００２７】
また、マイカ層２１におけるマイカの含有率は、５０〜６０体積％であることが好ましい。この含有率の範囲が好ましいのは、マイカの含有率が５０体積％を下回る場合および６０体積％を超える場合ともに、マイカ層２１の電気絶縁性が低下するからである。また、マイカ層２１の厚さは、電気絶縁層１０の形成時において、マイカ層２１が破断しないこと、また作業性を損なわない程度の厚さに抑えることの理由から、５０μｍ〜２５０μｍが適当である。
【００２８】
マイカ層２１を構成する熱硬化性樹脂として、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂などが用いられる。これらの樹脂のうち、作業性、耐熱性の観点からはエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
【００２９】
また、熱硬化性樹脂に含まれる硬化剤として、例えば、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール類、ルイス酸塩、ブレンステッド酸塩などが用いられる。酸無水物系硬化剤として、例えば、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸などが挙げられる。これらのうち、熱硬化性樹脂の硬化反応の反応速度を速める硬化剤として、アルミニウムトリスエチルアセトアセテートなどの金属キレート化合物が挙げられる。アミン系硬化剤として、例えば、脂肪族ポリアミン、脂肪族ジアミン、芳香族ポリアミン、環状アミンなどが挙げられる。熱硬化性樹脂に対する硬化剤の添加量は、必要に応じて適宜設定することができる。
【００３０】
補強基材２２は、例えば、ガラスクロス、不織布などの繊維基材、フィルムなどで構成される。ガラスクロスは、目的に応じてガラスクロスの糸の太さや縦糸の本数を調整することができる。また、不織布としては、例えば、ガラス繊維不織布、ポリエステル繊維不織布などが挙げられる。また、補強基材２２の厚さは、コイル導体束１１に巻回する作業性の理由から、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍが適当である。
【００３１】
低比誘電率熱伝導層２３は、高い熱伝導率を有して、電気絶縁性に優れていることが好ましい。また、低比誘電率熱伝導層２３は、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおいて、比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように構成されることが好ましい。なお、低比誘電率熱伝導層２３は、半硬化状態、すなわちＢステージの初期状態であることが好ましい。
【００３２】
ここで、低比誘電率熱伝導層２３が、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおいて、比誘電率が４以下、かつ厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように構成されることが好ましい理由を説明する。
【００３３】
高熱伝導層、マイカ層および補強基材からなる従来の電気絶縁テープにおいて、電気絶縁テープ全体における厚さ方向の熱伝導率は、０．２〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋであった。 発電機の電気絶縁層として適用した場合、電気絶縁テープ全体における厚さ方向の熱伝導率が、少なくとも０．３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上でないと、従来の電気絶縁テープに比べて、熱伝導性に優れた電気絶縁テープとは言い難い。そこで、電気絶縁テープ２０は、電気絶縁テープ２０全体における厚さ方向の熱伝導率が０．３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように構成されている。電気絶縁テープ全体における厚さ方向の熱伝導率を０．３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするために、発明者らが検討した結果、低比誘電率熱伝導層２３における厚さ方向の熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが必要であることがわかった。また、低比誘電率熱伝導層２３において、厚さ方向の熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となるように構成された場合、電気的絶縁性、特に高湿度環境における電気絶縁特性を維持するためには、比誘電率を４以下とし、ぬれ性を低下させることが好ましいことがわかった。
【００３４】
なお、厚さ方向の熱伝導率は、例えば、ＪＩＳ Ａ １４１２に準じて測定される。また、比誘電率は、ＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて測定される。
【００３５】
そこで、低比誘電率熱伝導層２３において、上記した比誘電率および熱伝導率を得るためには、低比誘電率熱伝導層２３を構成する熱硬化性樹脂に、比誘電率が４〜１０の無機質充填材を４０〜７０体積％含有するのが好ましい。なお、無機質充填材の含有率が４０体積％よりも小さい場合には、低比誘電率熱伝導層２３における厚さ方向の熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが困難となる。一方、無機質充填材の含有率が７０体積％よりも大きい場合には、低比誘電率熱伝導層２３を形成する際に作製する熱硬化性樹脂と無機質充填材とを混合したペーストの粘度が上昇するため、塗布等において補強基材２２の表面に均一な厚さの低比誘電率熱伝導層２３を形成することが困難となる。
【００３６】
低比誘電率熱伝導層２３を構成する熱硬化性樹脂として、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂などが用いられる。これらの樹脂のうち、作業性、耐熱性の観点からはエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
【００３７】
また、熱硬化性樹脂に含まれる硬化剤として、例えば、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール類、ルイス酸塩、ブレンステッド酸塩などが用いられる。酸無水物系硬化剤として、例えば、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸などが挙げられる。これらのうち、熱硬化性樹脂の硬化反応の反応速度を速める硬化剤として、アルミニウムトリスエチルアセトアセテートなどの金属キレート化合物が挙げられる。アミン系硬化剤として、例えば、脂肪族ポリアミン、脂肪族ジアミン、芳香族ポリアミン、環状アミンなどが挙げられる。熱硬化性樹脂に対する硬化剤の添加量は、必要に応じて適宜設定することができる。
【００３８】
無機質充填材は、低比誘電率熱伝導層２３における熱伝導率を向上させるため、熱伝導性に優れた材料で形成されることが好ましい。一方で、上記したように、低比誘電率熱伝導層２３における比誘電率は４以下に抑えられることが好ましい。そこで、無機質充填材として、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４〜１０の無機質充填材である、六方晶窒化ホウ素、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。また、モースコードの低い、六方晶窒化ホウ素、水酸化アルミニウムなどを用いることは、補強基材２２を傷つけないという観点からも好ましい。
【００３９】
また、無機質充填材の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、粒子状、繊維状などの形状が挙げられる。例えば、粒子状の場合、粒子の直径（以下、粒径という）が大きいものほど、比較的高充填化が可能であるが、粒径が大き過ぎると樹脂と混練後の沈降などの製造上の問題が生じる。そのため、粒子状の無機質充填材における平均粒径は、メジアン径（ｄ５０）で２μｍ〜２０μｍに設定されることが好ましい。ここで、メジアン径とは、粒径が小さい粒子からその体積を積算して５０％に達した粒子の粒径（５０％累積頻度粒径）である。なお、粒度分布は、レーザ回折法等の方法によって測定される。また、繊維状の場合、充填材の縦横比を示すアスペクト比は、成型時における粘度上昇を抑制する理由から、１〜４であることが好ましい。
【００４０】
次に、電気絶縁テープ２０の作製方法について説明する。
【００４１】
まず、所定量の上記したマイカを、例えば水などの分散媒中に分散させ、混合し、濾過することによって堆積したシート状のマイカを形成する。ここで、シート状のマイカの形成の際に、堆積したシート状のマイカに圧力を負荷してもよい。
【００４２】
続いて、この堆積したシート状のマイカに、熱硬化性樹脂を含浸させる。熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のマイカを加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にし、マイカ層２１が作製される。
【００４３】
続いて、このマイカ層２１に補強基材２２を積層して配置する。なお、上記したマイカ層２１の形成を補強基材２２上で行ってもよい。
【００４４】
続いて、所定量の上記した無機質充填材に、硬化剤を含む、所定量の上記した熱硬化性樹脂を混合し、ペースト状の混合物を形成する。続いて、このペースト状の混合物を補強基材２２の表面に塗布または含浸し、その後加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にして、低比誘電率熱伝導層２３が形成され、電気絶縁テープ２０が得られる。
【００４５】
ここで、補強基材２２の一方の表面にペースト状の混合物を塗布または含浸し、マイカ層２１に補強基材２２の他方の表面が向かい合うように積層し、その後加熱硬化して、マイカ層２１および低比誘電率熱伝導層２３の熱硬化性樹脂を同時に半硬化状態にして、電気絶縁テープ２０を得てもよい。なお、熱硬化性樹脂を半硬化状態とする、加熱温度や加熱時間などの条件は使用する熱硬化性樹脂の種類などに応じて適宜設定される。このようにして作製された電気絶縁テープ２０の厚さは、１００μｍ〜３００μｍ程度である。
【００４６】
また、図１に示すように、電気絶縁層１０は、上記した電気絶縁テープ２０を、例えば、電気絶縁テープ２０の幅の１／２〜２／３程度の重なり幅で重なるようにして、素線束からなるコイル導体束１１に複数回巻回することで形成されている。なお、重なり幅は、上記した範囲に限定されるものではなく、使用する用途に応じて適宜設定される。
【００４７】
なお、上記したように電気絶縁層１０が形成された固定子コイル１において優れた電気絶縁特性を維持するために、電気絶縁層１０の厚さは、使用する材料、または固定子コイル１が使用される条件や用途等によって適宜に設定され、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定される。
【００４８】
次に、上記したように作製された固定子コイル１を収容する回転電機の固定子スロット１０１について説明する。
【００４９】
図３は、本発明に係る一実施の形態の固定子コイル１が収容された固定子鉄心１００の断面を模式的に示した図である。
【００５０】
図３に示すように、固定子コイル１は、底部、固定子コイル間および固定子コイル１の上部にスペーサ１１０を配置して、固定子スロット１０１内に収容される。続いて、楔１０２が打ち込まれた後、固定子コイル１は、加熱され、電気絶縁層１０を形成する電気絶縁テープ２０の熱硬化性樹脂が硬化される。これによって、固定子コイル１は、固定子スロット１０１内に固定される。
【００５１】
ここで、回転電機として、例えば水車発電機、風車発電機、蒸気タービン発電機などが挙げられ、これらに本発明に係る一実施の形態の電気絶縁テープ２０や固定子コイル１を適用することができる。本発明に係る一実施の形態の電気絶縁テープ２０や固定子コイル１は、特に、高湿度環境に晒されるような、水車発電機、風車発電機、地熱発電所の蒸気タービン発電機などに好適である。
【００５２】
上記したように、本発明に係る一実施の形態の電気絶縁テープ２０によれば、熱伝導率を向上させることができるとともに、表面側となる低比誘電率熱伝導層２３の比誘電率を４以下にして、ぬれ性を低下させることができる。これによって、例えば、高湿度環境下においても、電気絶縁テープ２０の表面に水分子が付着することを抑制することができ、電気絶縁特性の低下を防止することができる。また、この電気絶縁テープ２０を備えた固定子コイル１や、この固定子コイル１を備えた回転電機によれば、高湿度環境下においても、電気絶縁層において熱伝導率の向上が図れるとともに、電気絶縁特性の低下を防止することができる。そのため、高い信頼性を有する固定子コイルおよび回転機器を提供することができる。
【００５３】
なお、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００５４】
図４は、本発明に係る一実施の形態の他の構成の電気絶縁テープ２０ａの断面を模式的に示した図である。
【００５５】
図４に示すように、電気絶縁テープ２０ａは、上記した電気絶縁テープ２０における補強基材２２と低比誘電率熱伝導層２３との間に、高熱伝導層３０をさらに積層して備えている。すなわち、電気絶縁テープ２０ａは、補強基材２２と、この補強基材の一方の表面に形成された高熱伝導層３０と、この高熱伝導層３０上に積層された低比誘電率熱伝導層２３と、補強基材２２の他方の表面に形成されたマイカ層２１とを備えている。
【００５６】
ここで、高熱伝導層３０は、主として熱伝導を促進させることを目的に配置された層である。高熱伝導層３０は、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の充填材を４０〜７０体積％含有する熱硬化性樹脂で構成される。
【００５７】
ここで、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の充填材として、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、六方晶窒化ホウ素などが用いられる。また、充填材の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、粒子状、繊維状などの形状が挙げられる。例えば、粒子状の場合、粒子の直径（以下、粒径という）が大きいものほど、比較的高充填化が可能であるが、粒径が大き過ぎると樹脂と混練後の沈降などの製造上の問題が生じる。そのため、粒子状の充填材における平均粒径は、メジアン径（ｄ５０）で２μｍ〜２０μｍに設定されることが好ましい。また、繊維状の場合、充填材の縦横比を示すアスペクト比は、成型時における粘度上昇を抑制する理由から、１〜４であることが好ましい。
【００５８】
また、これらの充填材を熱硬化性樹脂に４０〜７０体積％含有することが好ましいのは、充填材の含有率が４０体積％を下回ると、高熱伝導層３０における熱伝導率の向上を図ることが難しく、７０体積％を超えると、補強基材２２の表面に高熱伝導層３０を適正に形成することができないからである。また、上記した範囲で充填材を含有する高熱伝導層３０における厚さ方向の熱伝導率は、使用する充填材の種類と充填率の関係によって異なるが、概ね２Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。
【００５９】
なお、電気絶縁テープ２０ａを構成する、補強基材２２、低比誘電率熱伝導層２３およびマイカ層２１は、上記した電気絶縁テープ２０を構成するそれぞれの構成と同じである。また、高熱伝導層３０を構成する熱硬化性樹脂や硬化剤は、上記した電気絶縁テープ２０を構成する熱硬化性樹脂や硬化剤と同じである。また、少なくとも、マイカ層２１、低比誘電率熱伝導層２３は、半硬化状態、すなわちＢステージの初期状態であることが好ましく、さらに、高熱伝導層３０も、半硬化状態、すなわちＢステージの初期状態であることがより好ましい。
【００６０】
次に、電気絶縁テープ２０ａの作製方法について説明する。
【００６１】
まず、所定量の上記したマイカを、例えば水などの分散媒中に分散させ、混合し、濾過することによって堆積したシート状のマイカを形成する。ここで、シート状のマイカの形成の際に、堆積したシート状のマイカに圧力を負荷してもよい。
【００６２】
続いて、この堆積したシート状のマイカに、熱硬化性樹脂を含浸させる。熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のマイカを加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にし、マイカ層２１が作製される。
【００６３】
続いて、このマイカ層２１に補強基材２２を積層して配置する。なお、上記したマイカ層２１の形成を補強基材２２上で行ってもよい。
【００６４】
高熱伝導層３０に含有される所定量の上記した充填材に、硬化剤を含む、所定量の上記した熱硬化性樹脂を混合し、ペースト状の混合物を形成する。続いて、このペースト状の混合物を補強基材２２の表面に塗布または含浸し、その後加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にして、高熱伝導層３０を形成する。
【００６５】
続いて、所定量の上記した無機質充填材に、硬化剤を含む、所定量の上記した熱硬化性樹脂を混合し、ペースト状の混合物を形成する。続いて、このペースト状の混合物を高熱伝導層３０の表面に塗布し、その後加熱硬化して熱硬化性樹脂を半硬化状態にして、低比誘電率熱伝導層２３が形成され、電気絶縁テープ２０ａが得られる。
【００６６】
この電気絶縁テープ２０ａによれば、熱伝導率をさらに向上させることができるとともに、表面側となる低比誘電率熱伝導層２３の比誘電率を４以下にして、ぬれ性を低下させることができる。これによって、例えば、高湿度環境下においても、電気絶縁テープ２０の表面に水分子が付着することを抑制することができ、電気絶縁特性の低下を防止することができる。また、この電気絶縁テープ２０ａを備えた固定子コイル１や、この固定子コイル１を備えた回転電機によれば、高湿度環境下においても、電気絶縁層において熱伝導率の向上が図れるとともに、電気絶縁特性の低下を防止することができる。そのため、高い信頼性を有する固定子コイルおよび回転機器を提供することができる。
【００６７】
また、上記した電気絶縁テープ２０や電気絶縁テープ２０ａは、素線束からなるコイル導体束１１に直接巻回することに限らず、例えば、コイル導体束１１の周囲に巻回されている従来の電気絶縁層の外周に巻回してもよい。すなわち、固定子コイル１の電気絶縁層のうち、最も外側の層が上記した電気絶縁テープ２０や電気絶縁テープ２０ａで構成されていればよい。
【００６８】
さらに、上記した低比誘電率熱伝導層２３を形成するために作製される、無機質充填材に、硬化剤を含む熱硬化性樹脂を混合したペースト状の混合物を、コイル導体束１１の周囲に巻回されている従来の電気絶縁層の外周に塗布して、電気絶縁樹脂層を形成してもよい。
【００６９】
これらの構成の固定子コイルにおいても、上記した固定子コイル１における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００７０】
次に、本発明に係る一実施の形態の電気絶縁テープ２０を備えた固定子コイル１が、熱伝導性および高湿度環境下における電気絶縁特性に優れていることを実施例および比較例に基づいて説明する。
【００７１】
（熱伝導性および電気絶縁特性の評価）
ここで使用した固定子コイルは、図１に示した固定子コイル１と同じ構成であるため図１を参照して説明する。
【００７２】
まず、電気絶縁テープ２０を次のように作製した。
【００７３】
ビスフェノールＡエポキシ樹脂（旭化成社製ＡＥＲ３３１と旭化成社製ＡＥＲ６６１を２５：３５で配合したもの）と、ノボラック型エポキシ樹脂（旭化成社製ＤＥＮ４３８）と、酸無水物硬化剤（メチルヘキサヒドロ無水フタル酸）とをそれぞれ重量比で７０：３０：８０となるように混合して接着樹脂を得た。硬質焼成マイカを抄紙したマイカペーパに、この接着樹脂を含浸してプリプレグ化し、加熱乾燥炉にて加熱処理して半硬化状態とし、マイカ層２１を得た。
【００７４】
また、上記した接着樹脂に、無機充填材として、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が４の六方晶窒化ホウ素を、含有率が、３５体積％、４０体積％、４５体積％、５０体積％、５５体積％、６０体積％、６５体積％となるように混合して、７種類の無機充填材混合材料を作製した。
【００７５】
続いて、マイカ層２１上に補強基材２２となるガラス繊維からなる織布を積層し、さらに、織布の表面に、上記した各無機充填材混合材料を塗布し、加熱乾燥炉にて加熱処理して半硬化状態とし、低比誘電率熱伝導層２３を形成し、厚さが０．２ｍｍ、幅が２５ｍｍの電気絶縁テープ２０を得た。なお、ここでは、上記した７種類の無機充填材混合材料のそれぞれによって形成される低比誘電率熱伝導層２３を有する電気絶縁テープ２０を得たため、７種類の電気絶縁テープ２０が得られた。
【００７６】
ここで、六方晶窒化ホウ素の含有率が、３５体積％、４０体積％、４５体積％、５０体積％、５５体積％、６０体積％、６５体積％の低比誘電率熱伝導層２３を有する電気絶縁テープ２０をそれぞれ試料１、試料２、試料３、試料４、試料５、試料６、試料７と示す。なお、試料２〜試料７は、無機充填材の含有率が本発明の範囲となる実施例であり、一方、試料１は、無機充填材の含有率が本発明の範囲外となる比較例である。
【００７７】
また、低比誘電率熱伝導層２３の充填材の種類が熱伝導性や電気絶縁特性に及ぼす影響を調べるために、上記した接着樹脂に、充填材として、測定周波数が５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率が９の酸化アルミニウムを、含有率が、３５体積％、４０体積％、４５体積％、５０体積％、５５体積％、６０体積％、６５体積％となるように混合して、７種類の充填材混合材料を作製した。そして、試料１〜試料７を作製する場合と同様に作製されたマイカ層２１上に補強基材２２となるガラス繊維からなる織布を積層し、さらに、織布の表面に、これらの充填材混合材料を塗布し、加熱乾燥炉にて加熱処理して半硬化状態とし、充填材含有層を形成し、厚さが０．２ｍｍ、幅が２５ｍｍの電気絶縁テープ２０を得た。
【００７８】
ここで、酸化アルミニウムの含有率が、３５体積％、４０体積％、４５体積％、５０体積％、５５体積％、６０体積％、６５体積％の充填材含有層を有する電気絶縁テープ２０をそれぞれ試料８、試料９、試料１０、試料１１、試料１２、試料１３、試料１４と示す。なお、試料８〜試料１４は、充填材の比誘電率が本発明の範囲外となる比較例である。
【００７９】
また、図４に示した本願発明に係る、低比誘電率熱伝導層２３および高熱伝導層３０を有する電気絶縁テープ２０ａにおける熱伝導性や電気絶縁特性を調べた。そこで、試料１〜試料７を作製する場合と同様に作製されたマイカ層２１上に補強基材２２となるガラス繊維からなる織布を積層し、さらに、織布の表面に、上記した、酸化アルミニウムを、含有率が４５体積％となるように混合された充填材混合材料を塗布し、加熱乾燥炉にて加熱処理して半硬化状態とし、高熱伝導層３０を形成した。
【００８０】
続いて、上記した六方晶窒化ホウ素を、含有率が４５体積％となるように混合された無機充填材混合材料を、高熱伝導層３０の表面に塗布し、加熱乾燥炉にて加熱処理して半硬化状態とし、低比誘電率熱伝導層２３を形成し、厚さが０．２４ｍｍ、幅が２５ｍｍの電気絶縁テープ２０ａを得た。なお、低比誘電率熱伝導層２３および高熱伝導層３０の厚さは同じとなるように構成した。また、この電気絶縁テープ２０ａは、本願発明に係る構成を有する電気絶縁テープであるので実施例であり、電気絶縁テープ２０ａを試料１５と示す。
【００８１】
熱伝導率および比誘電率の測定は、上記した各試料から直径が６０ｍｍの試験片を作製し、これらを温度が１５０℃の下、２０時間加熱処理して、熱硬化性樹脂を硬化させる処理を行った。そして、試料の厚さ方向の熱伝導率を、ＪＩＳ Ａ １４１２に準じて測定した。また、低比誘電率熱伝導層２３または充填材含有層のみの厚さ方向の熱伝導率を測定するために、それぞれを構成するための充填材混合材料を所定の形状の型に流し込み、加熱乾燥炉にて加熱処理して硬化させ、直径が６０ｍｍ、厚さが２ｍｍの試験片を作製した。上記した熱伝導率の測定方法と同様の方法によって各試験片の厚さ方向の熱伝導率を測定した。また、低比誘電率熱伝導層２３または充填材含有層における、測定周波数５０〜６０Ｈｚにおける比誘電率の測定をＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて行った。
【００８２】
また、高湿度環境下における電気絶縁特性を評価するために、次に示す方法によって、コロナ劣化を模擬した試験を行った。図５は、コロナ劣化を模擬した試験を行うための装置を模式的に示した図である。
【００８３】
まず、上記したように作製した各試料を、重なり幅が１／２となるように、コイル導体束１１に６回巻回して電気絶縁層１０を形成し、固定子コイル１を得た。続いて、固定子コイル１を温度が１５０℃の下、２０時間加熱処理し、熱硬化性樹脂を硬化させる処理を行った。
【００８４】
続いて、図５に示すように、作製した固定子コイル１の表面の周方向に、表面抵抗が５０００Ωの半導電塗料１５１を幅が１００ｍｍとなるように塗布した。さらに、この塗布した位置から、固定子コイル１の軸方向（長手方向）に間隔を１００ｍｍあけて、固定子コイル１の表面の周方向に、上記した半導電塗料１５１を幅が１００ｍｍとなるように塗布した。すなわち、それぞれ１００ｍｍの間隔をあけて、固定子コイル１の軸方向（長手方向）の２箇所に、固定子コイル１の表面の周方向に半導電塗料１５１を塗布した。続いて、固定子コイル１を６０℃の下、２０時間加熱処理し、塗布した半導電塗料１５１を乾燥させた。なお、半導電塗料１５１を塗布した２箇所について、半導電塗料１５１を塗布する前の固定子コイル１の厚さ、および半導電塗料１５１を塗布して乾燥後の、半導電塗料１５１を塗布した部分も含む固定子コイル１の厚さをダイヤルゲージで測定した。
【００８５】
続いて、図５に示すように、固定子コイル１をＥＳＰＥＣ製の恒温恒湿槽１５０（高電圧試験用に碍子が設けられたもの）に入れ、恒温恒湿槽１５０の内部を湿度が８０％、温度が２３℃の高湿温環境に維持し、電源１５２から、固定子コイル１に５０Ｈｚ−２０ｋＶの条件で１０００時間電圧を印加した。なお、電圧印加には、京南電機製の高電圧試験装置を用いた。
【００８６】
続いて、１０００時間電圧が印加された固定子コイル１を恒温恒湿槽から取り出し、半導電塗料１５１を塗布した２箇所について、半導電塗料１５１を塗布した部分も含む固定子コイル１の厚さをダイヤルゲージで測定した。この測定結果に基づいて電気絶縁層１０の劣化率を求めた。ここで、電気絶縁層１０の劣化率は、ダイヤルゲージで測定した測定値に基づいて、電圧を印加する前の電気絶縁層１０の厚さから、電圧を印加した後の電気絶縁層１０の厚さを減じ、その値を、電圧を印加する前の電気絶縁層１０の厚さで除したものを百分率で示したものである。なお、半導電塗料１５１の塗布層の厚さは、電圧を印加する前後で変化していなかった。また、劣化率が高いほど、高湿度環境下における電気絶縁特性が悪いことを示す。
【００８７】
各試料における、熱伝導率、比誘電率、劣化率の測定結果を表１に示す。
【００８８】
【表１】
2010158113.tif 000003
【００８９】
表１に示すように、試料２〜試料７および試料１５における、電気絶縁テープ２０全体の厚さ方向の熱伝導率は０．３５以上である。また、試料２〜試料７および試料１５における、低比誘電率熱伝導層２３の厚さ方向の熱伝導率は２以上であり、低比誘電率熱伝導層２３の比誘電率は４以下であり、劣化率も高くても８％であった。これに対して、六方晶窒化ホウ素の含有率が３５体積％である試料１においては、試料２〜試料７および試料１５に比べて、電気絶縁テープ２０全体の厚さ方向の熱伝導率および低比誘電率熱伝導層２３の熱伝導率の双方とも低かった。また、低比誘電率熱伝導層２３に充填材として酸化アルミニウムを含有する試料８〜試料１４においては、比誘電率が４を超える高い値となっており、また、劣化率も試料２〜試料７に比べて高かった。これらの結果から、試料２〜試料７および試料１５は、高湿温環境下においても、高い熱伝導率を有しつつ、優れた電気絶縁特性を有していることがわかった。
【００９０】
また、従来の電気絶縁層の同様の構成である試料１１を電気絶縁層として備える固定子コイルの周囲に、上記した試料３の電気絶縁テープ２０を巻回した固定子コイルと、上記した試料６の電気絶縁テープ２０を巻回した固定子コイル１とを作製し、固定子コイルを温度が１５０℃の下、２０時間加熱処理し、熱硬化性樹脂を硬化させる処理を行った。そして、表１には示していないが、この２種類の固定子コイル１を構成する電気絶縁テープ２０を含む電気絶縁層全体の厚さ方向の熱伝導率および劣化率を測定した。その結果、試料３における電気絶縁テープ２０を含む電気絶縁層全体の厚さ方向の熱伝導率は０．４３Ｗ／ｍ・Ｋ、劣化率は４であった。また、試料６における電気絶縁テープ２０を含む電気絶縁層全体の厚さ方向の熱伝導率は０．４４Ｗ／ｍ・Ｋ、劣化率は２であった。このように、従来の固定子コイルの周囲に、本発明に係る電気絶縁テープ２０を巻回することで、高い熱伝導率を有しつつ、優れた電気絶縁特性が得られることがわかった。
【００９１】
また、従来の電気絶縁層の同様の構成である試料１１を電気絶縁層として備える固定子コイルの周囲に、上記した試料３の低比誘電率熱伝導層２３を形成する無機充填材混合材料を塗布し、加熱乾燥炉にて加熱処理して硬化させ、電気樹脂絶縁層を形成した。表１には示していないが、この固定子コイルにおける電気絶縁層および電気樹脂絶縁層からなる絶縁層全体の劣化率は６％であった。また、電気絶縁層および電気樹脂絶縁層からなる絶縁層全体の厚さ方向の熱伝導率は０．４７Ｗ／ｍ・Ｋであった。このように、従来の固定子コイルの周囲に、本発明に係る電気絶縁テープ２０の低比誘電率熱伝導層２３を形成する無機充填材混合材料からなる電気樹脂絶縁層を形成することで、高い熱伝導率を有しつつ、優れた電気絶縁特性が得られることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係る一実施の形態の回転電機用の固定子コイルを構成するコイル導体束の周囲に形成された電気絶縁層の断面を模式的に示す図。
【図２】本発明に係る一実施の形態の電気絶縁部材として機能する電気絶縁テープの断面を模式的に示した図。
【図３】本発明に係る一実施の形態の固定子コイルが収容された固定子鉄心の断面を模式的に示した図。
【図４】本発明に係る一実施の形態の他の構成の電気絶縁テープの断面を模式的に示した図。
【図５】コロナ劣化を模擬した試験を行うための装置を模式的に示した図。
【図６】固定子スロット内に固定子コイルが収容された従来の固定子鉄心の断面を模式的に示した図。
【符号の説明】
【００９３】
１…固定子コイル、１０…電気絶縁層、１１…コイル導体束、２０、２０ａ…電気絶縁テープ、２１…マイカ層、２２…補強基材、２３…低比誘電率熱伝導層、３０…高熱伝導層、１００…固定子鉄心、１０１…固定子スロット、１０２…楔、１１０…スペーサ。
【図１】
2010158113.tif 000004
【図２】
2010158113.tif 000005
【図３】
2010158113.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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