(57)【要約】  【課題】  要求される高絶縁性能と高熱放散性能の双方の仕様に併せ応えることができるようにした電機子巻線を提供すること。  【解決手段】  マイカ層と補強材層からなるガラスクロス裏打マイカ基材３の両面に、熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材を塗工して高熱伝導性樹脂層２を形成させて高熱伝導性絶縁テープ１とし、これを巻線導体４に巻回し、加熱成型して巻線導体４の表面に絶縁層５を形成させ、電機子巻線としたもの。絶縁層５に充填材が含まれていないので、電機子巻線の製造時に絶縁層の中に欠点が現れるのを抑え、適正な高耐電圧特性と適正な高熱伝導特性を与えることができる。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻回した絶縁テープの加熱加圧成型による絶縁層を巻線導体に備えた電機子巻線において、
前記絶縁テープとして、熱伝導率が少なくとも０・４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材をテープ基材の両面に塗工して高熱伝導性樹脂層を形成させた高熱伝導性絶縁テープを用い、
前記絶縁層が、前記巻線導体の表面から当該絶縁層の表面まで連続した伝熱パスを内部に備えるように構成したことを特徴とする電機子巻線。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、
前記テープ基材が、薄片状の無機絶縁材と無機材繊維又は有機材繊維の一方からなる基布を主体とする絶縁材を接着剤により貼り合せ接合したテープ基材であることを特徴とする電機子巻線。
【請求項３】
請求項２に記載の発明において、
前記薄片状の無機絶縁材がマイカであることを特徴とする電機子巻線。
【請求項４】
請求項２に記載の発明において、
前記接着剤が、熱伝導率が少なくとも０・４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材であることを特徴とする電機子巻線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機など回転電機の電機子巻線に係り、特に比較的大容量で高電圧仕様の回転電機に好適な電機子巻線に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電機など大容量で高電圧仕様の回転電機においては、その電機子巻線の絶縁に関して所定の絶縁性能が要求されるのは勿論のことであるが、加えて高い熱伝導性能が要求され、このことは、当該回転電機が大容量化されるにつれて重要な要件になる。
【０００３】
ここで、このような要求に応えるための電機子巻線の従来技術としては、例えばマイカ(雲母)絶縁層と補強材層に、アルミナなどの高熱伝導性充填材を含有させて５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つようにした充填材層を備え、これらの層に熱硬化性樹脂を含有させた絶縁材を用い、これを巻線導体の外周部に施した電機子巻線が提案されている(例えば、特許文献１参照。)。
【０００４】
ここで図１１は、従来技術による電機子巻線の一例を示したもので、この例では、まず、集成マイカ絶縁層とガラスクロスの補強材層をエポキシ樹脂で接着してテープ状のガラスクロス裏打マイカ基材とする。次に、この基材に、ノボラック型エポキシ樹脂に高熱伝導性充填材であるアルミナ粒子が混合されたアルミナ充填樹脂を塗工して絶縁テープ１３とし、この絶縁テープ１３を矩形断面の巻線導体４に巻回した上で加熱加圧成型して絶縁層を形成させ、電機子巻線１４としたものである。
【０００５】
そして、この電機子巻線１４は、図１２に示すように、固定子鉄心７のスロット８に挿入され、この後、半導電性ガラス繊維強化プラスチック板９、相間絶縁材１０、ガラス繊維強化プラスチックばね１１、くさび１２によりスロット８の中で固定され、例えばタービン発電機の固定子巻線として完成されることになる。
【特許文献１】特開昭６３−１１０９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術は、電機子巻線の絶縁材に充填材が含有されている点に配慮がされておらず、適正な絶縁特性の保持に問題があった。
【０００７】
アルミナなどの充填材が含有されている絶縁材を絶縁被覆に用いた電機子巻線は、電力供給事業用の発電機や高電圧仕様の電動機などのように高電圧で運転される回転電機に使用した場合、製造過程で絶縁被覆層の中に電気的な欠陥が生じ易く、製造後の機器運転時に絶縁破壊する虞(おそれ)があった。これは絶縁材に充填材が含有されていることにより、製造過程で適正な絶縁層が形成できなくなってしまうからである。
【０００８】
そして、電機子巻線に絶縁層を形成する過程では、テープ状の絶縁材に張力を加えて導体に巻回しテーピングする必要があるが、このとき絶縁材に充填材が含有されていると、作業時に充填材が補強材層を損傷させ、絶縁材が切断される虞がある。一方、このとき張力を下げて巻回しテーピングしたのでは絶縁材に皺(しわ)が生じてしまい、絶縁層に欠点が発生してしまう。更に充填材の接着が弱い絶縁材を使用した場合、テーピング時に充填材が飛散するという不具合も生じてしまう。
【０００９】
また、このような電機子巻線の絶縁層には熱硬化性樹脂が用いられ、成型には加熱加圧成型法が用いられるのが一般的であるが、この場合、成型用の型に電機子巻線を入れて加熱加圧し、余分な樹脂を絶縁層外に流出させて規定寸法の絶縁層が得られるようにしているが、このとき絶縁材に充填材が含有されていると、余分な樹脂と共に充填材も一緒に流出してしまうので、期待している熱伝導性が得られなくなってしまうという問題がある。
【００１０】
しかも、この加熱加圧時における充填材の流動性は制御ができない。このため局部的な充填材の溜まり部が絶縁層内に生じてしまうのが避けられず、この場合、加圧されたことにより、充填材の溜まり部がマイカ層を損傷させ、この結果、電気的特性が著しく低下してしまうという重大な欠点部が絶縁層内に形成されてしまうという問題がある。
【００１１】
また、このような充填材の使用は、比較的大容量で高電圧の機器に必要な熱伝導率の向上のためであるが、このとき充填材の混入だけでは耐電圧性能について要求されている仕様を充分に満すことができない。そこで、マイカ層が必要となり、この結果、従来技術では、絶縁層に対する充填材の含有量が制限されることになり、絶縁層の熱伝導率の大幅な向上が得られないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、要求される高絶縁性能と高熱放散性能の双方の仕様に併せ応えることができるようにした電機子巻線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、巻回した絶縁テープの加熱加圧成型による絶縁層を巻線導体に備えた電機子巻線において、前記絶縁テープとして、熱伝導率が少なくとも０・４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材をテープ基材の両面に塗工して高熱伝導性樹脂層を形成させた高熱伝導性絶縁テープを用い、前記絶縁層が、前記巻線導体の表面から当該絶縁層の表面まで連続した伝熱パスを内部に備えるようにして達成される。
【００１４】
このとき、前記テープ基材が、薄片状の無機絶縁材と無機材繊維又は有機材繊維の一方からなる基布を主体とする絶縁材を接着剤により貼り合せ接合したテープ基材であることによっても上記目的を達成することができる。
【００１５】
更にこのとき、前記薄片状の無機絶縁材がマイカであるようにしても、前記接着剤が、熱伝導率が少なくとも０・４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材であることによっても上記目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、充填材を混入しなくても高熱伝導性が得られるので、絶縁層成型に際しての作業性が向上し、品質が安定化されるので、回転電機の信頼性向上に寄与することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、巻線導体から絶縁層の表面まで連続した伝熱パスが絶縁皮膜に形成できるので、運転時に巻線導体から発生した熱が絶縁層内にこもってしまうことなく、表面まで効率よく伝達させることができる。
【００１８】
そして、更に高熱伝導樹脂の熱伝導率が高まれば、伝熱性能も更に向上し、この結果、冷却構造が簡素化され、設備の省略ができるようになるので、機器のコンパクト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明による電機子巻線について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２０】
実施形態１
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電機子巻線６を示したもので、巻線導体４に、図２に示すように高熱伝導性絶縁テープ１を巻回した上で加熱加圧成型し、巻線導体４の表面に絶縁層５を形成させたものである。そして、このときの高熱伝導性絶縁テープ１は、図３に示したように、テープ状のガラスクロス裏打マイカ基材３の両面に熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材を塗工して高熱伝導性樹脂層２を形成させたものである。
【００２１】
ここで、この高熱伝導性絶縁テープ１は、次のようにして作られている。すなわち、まず、図３に示されているように、集成マイカからなるマイカ層３ａとガラスクロスからなる補強材層３ｂをエポキシ樹脂３ｃにより接着してガラスクロス裏打マイカ基材３とする。このときガラスクロスに代えて、ポリエステル繊維やアラミド繊維などの有機物を補強材として用いるようにしてもよい。
【００２２】
次に、分子内にメソゲンを有するエポキシ樹脂、例えばジャパンエポキシレジン製のＹＬ６１２１Ｈとして知られている高熱伝導性のエポキシ樹脂に、例えば新日鐡化学製 １,５−ジアミノナフタレンとして知られている硬化剤を配合し、更に溶剤として、例えばメチルエチルケトンを加え、これにより熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材を得る。
【００２３】
そして、この高熱伝導性樹脂材を、図３に示すように、ガラスクロス裏打マイカ基材３に所定の厚さに塗工して高熱伝導性樹脂層２を形成させ、高熱伝導性絶縁テープ１とするのである。
【００２４】
そこで、この高熱伝導性絶縁テープ１を、図２に示すように、巻線導体４に巻回し、加熱加圧成型して絶縁層５を成型させると、図４に示すように、巻線導体４の表面から絶縁層５の表面まで連続した熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂層２が、絶縁層５内に形成されることになる。
【００２５】
このようにして作られている電機子巻線６は、図１２に示すように、既に説明した従来技術による電機子巻線１４の場合と同じく、固定子鉄心７のスロット８に挿入され、この後、半導電性ガラス繊維強化プラスチック板９、相間絶縁材１０、ガラス繊維強化プラスチックばね１１、くさび１２によりスロット８の中で固定され、例えばタービン発電機の固定子巻線として完成されることになる。
【００２６】
このとき、この実施形態に係る電機子巻線６の場合は、上記した従来技術による電機子巻線１４とは異なり、図３で説明したように、巻線導体４の表面から絶縁層５の表面まで連続して高熱伝導性樹脂層２が絶縁層５内に形成されているので、運転時に巻線導体４から発生した熱は、熱抵抗が小さい高熱伝導性樹脂層２を伝わって絶縁層５の表面に放熱される。
【００２７】
従って、この実施形態によれば、巻線導体４で発生した熱が絶縁層５内にこもることなく、速やかに固定子鉄心７に伝達して放熱され、或いは冷却ガスにより速やかに冷却されることになり、熱伝導性のよい電機子巻線６を得ることができる。
【００２８】
ここで、図７は、この実施形態による電機子巻線６の交流絶縁破壊電圧と熱伝導率の測定結果を実施例１とし、これを比較例と対比させて示したものであり、このとき交流絶縁破壊電圧は電機子巻線６の絶縁層５の外周にアルミニウム箔を巻き付けて一方の電極とし、これと巻線導体４の間に交流電圧を印加して測定したもので、熱伝導率は巻線導体４から分離した絶縁層５について厚さ方向の熱伝導率を測定したものである。
【００２９】
また、このときの比較例１には、図１１で説明した従来技術の電機子巻線１４を用いた。そして、このとき絶縁テープ１３を実施例１のときと同じ回数、巻回して加熱加圧成型により絶縁層を成型しようとした。しかし、比較例１では、巻回時に絶縁テープ１３が切れてしまい、テーピング作業にかかった時間が、実施例１に比較して約２倍要してしまった。
【００３０】
加えて、比較例１の場合、絶縁成型時に実施例１と同じ寸法まで押すことができず、最大で１ｍｍも寸法が大きくなってしまった。これはアルミナが樹脂に充填されたことにより、樹脂の流動性が著しく低下したことによるものである。
【００３１】
そこで、比較例１では、巻回数を実施例１の巻回数に対して１回分減らして製作した。そして、この比較例１の電機子巻線１４について交流絶縁破壊電圧と熱伝導率を測定した結果が図７であり、従って、この図７から明らかなように、実施例１の電機子巻線６は、比較例１の電機子巻線１４よりも交流破壊電圧が高く、熱伝導率も向上していることが判り、更に作業性についても実施例１の方が優れていることが判る。
【００３２】
また、ここで別途、実施例１の運転時における導体温度の上昇値を抵抗法により測定し、これを、同じ発電機に比較例１に示した従来の高熱伝導絶縁層を施した電機子巻線１４の場合の導体温度の上昇値について測定した結果と比較してみたところ、比較例１に示した従来の高熱伝導絶縁層を施した電機子巻線１４の場合に比較して、巻線導体から絶縁層表面に連続した伝熱パスを設けた絶縁層５による実施例１の電機子巻線６の場合、導体温度の上昇値が１０％以上低いことが確認できた。
【００３３】
実施形態２
次に、本発明に係る高熱伝導性絶縁テープの第２の実施形態について説明すると、第１の実施形態における高熱伝導性絶縁テープ１では、特に図３により詳しく説明したように、集成マイカからなるマイカ層３ａとガラスクロスの補強材層３ｂをエポキシ樹脂３ｃにより接着してガラスクロス裏打マイカ基材３としていた。
【００３４】
これに対して、この第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材を接着剤として用い、図６に示すように、マイカ層３ａとガラスクロスの補強材層３ｂを高熱伝導性樹脂材で接着し、これによりマイカ層３ａと補強材層３ｂの間にも熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂層２を有するガラスクロス裏打マイカ基材３Ａが得られるようにし、このガラスクロス裏打マイカ基材３Ａの両面に高熱伝導性樹脂材を塗工して高熱伝導性樹脂層２を形成させ、高熱伝導性絶縁テープ１５としたものである。
【００３５】
従って、この第２の実施形態によっても、巻線導体４の表面から絶縁層５の表面まで連続した熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂層２が、絶縁層５内に形成されることになるので、第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。なお、このときも基材のガラスクロスに代え、ポリエステル繊維やアラミド繊維などの有機物を用いるようにしてもよい。
【００３６】
実施形態３
次に、本発明に係る高熱伝導性絶縁テープの第３の実施形態について説明すると、この実施形態は、図７に示す高熱伝導性絶縁テープ１６と、図８に示す高熱伝導絶縁テープ１７の２種類のテープを用い、これらを、図９に示すように、巻線導体４に重ねて巻回し、これらの加熱加圧成型により絶縁層５が形成されるようにしたものである。
【００３７】
そして、まず、高熱伝導性絶縁テープ１６は、図７に示すように、集成マイカからなるマイカ層３ａとガラスクロス補強材層３ｂをエポキシ樹脂３ｃにより接着してガラスクロス裏打マイカ基材３とし、この基材の一方の面、例えば補強材層３ｂ側の面にだけ、第１の実施形態で説明した熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材を塗工し、高熱伝導性樹脂層２としたものであり、従って、マイカ層３ａ側に高熱伝導性樹脂層２を設けるようにしてもよい。
【００３８】
次に、高熱伝導絶縁テープ１７は、テープ状のガラスクロス補強材層３ｂの一方の面に、同じく第１の実施形態で説明した熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂材を塗工し、高熱伝導性樹脂層２を形成させたものである。なお、これらのテープの場合も、無機物を基材とした絶縁材に代えて、ポリエステル繊維やアラミド繊維などの有機物を用いるようにしててもよい。
【００３９】
そして、図９に示すように、これらの高熱伝導性絶縁テープ１６と高熱伝導絶縁テープ１７を巻線導体４に巻回するのてあるが、このとき高熱伝導性絶縁テープ１６の高熱伝導性樹脂層２側の面が巻線導体４の表面に向くようにして巻回し、高熱伝導絶縁テープ１７については、その高熱伝導性樹脂層２側の面が巻線導体４に対して反対側に向くようにして、高熱伝導性絶縁テープ１６に重ねてテーピングする。
【００４０】
ここで図９では、テープ幅の半分の位置で高熱伝導性絶縁テープ１６と重ねてテーピングする場合が示されているが、テーピング方法についてはこれに限らない。
【００４１】
このように高熱伝導性絶縁テープ１６と高熱伝導絶縁テープ１７を併用して巻線導体４に巻回したら、この後、加熱加圧成型して絶縁層５を形成することにより、図１０に示すように、巻線導体４から絶縁層５の表面に連続した熱伝導率が０．４Ｗ／ｍＫ以上有する高熱伝導性樹脂層２が当該絶縁層５内に形成され、これにより第１の実施形態と同様な電機子巻線６の構成となることから、同様な作用効果が得られることになる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る電機子巻線は、電気的特性に優れ、伝熱性がよく、製作時の作業性がよいことから、高電圧の電機機器に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電機子巻線の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電機子巻線におけるテープの巻回を説明するための斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における高熱伝導性絶縁テープの断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る電機子巻線の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る電機子巻線の特性比較図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における高熱伝導性絶縁テープの断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における高熱伝導性絶縁テープの断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における高熱伝導絶縁テープの断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る電機子巻線におけるテープの巻回を説明するための斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る電機子巻線の断面図である。
【図１１】従来技術による電機子巻線の一例を示す斜視図である。
【図１２】電機子巻線の実装状態の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：高熱伝導性絶縁テープ(第１の実施形態)
２：高熱伝導性樹脂層
３：ガラスクロス裏打マイカ基材
３ａ：マイカ層
３ｂ：補強材層
３ｃ：接着剤
４：巻線導体
５：絶縁層
６：電機子巻線
７：固定子鉄心
８：スロット
９：半導電性ガラス繊維強化プラスチック板
１０：相間絶縁材
１１：ガラス繊維強化プラスチックばね
１２：くさび
１３：充填材を用いた従来の絶縁テープ
１４：充填材を用いた従来の絶縁テープにより製作した電機子巻線
１５：高熱伝導性絶縁テープ(第２の実施形態)
１６：高熱伝導性絶縁テープ(第３の実施形態)
１７：高熱伝導絶縁テープ(第３の実施形態)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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