(57)【要約】【課題】高電圧が印加される導体の周囲に有する電気絶縁物の表面間に発生する大きな放電を抑制し、軽量化および低コスト化を図ることにある。【解決手段】高電圧が印加される導体１の周囲に電気絶縁層２を有する固定子コイルにおいて、電気絶縁層２を有する部位の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い１０4Ω〜１０12Ωの表面抵抗率を持つ材料をコーティングしてコーティング層３を形成する。【選択図】      図１
2008035634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧が印加される導体部の周囲に電気絶縁層を有する固定子コイルにおいて、前記電気絶縁層を有する部位の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い表面抵抗率を持つ材料をコーティングしてコーティング層を形成したことを特徴とする固定子コイル。
【請求項２】
高電圧が印加される導体部の周囲に電気絶縁層を有する固定子コイルにおいて、前記電気絶縁層を有する部位の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い表面抵抗率を持つ材料を塗布した自己融着性又は粘着性を有するテープを巻回してコーティング層を形成したことを特徴とする固定子コイル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の固定子コイルにおいて、前記電気絶縁層と比較して抵抗値が低いコーティング層の表面抵抗率が１０4Ω〜１０12Ωであることを特徴とする固定子コイル。
【請求項４】
請求項１又は請求項２記載の固定子コイルにおいて、前記電気絶縁層として抵抗値の低い材料の充填剤の固有体積抵抗率が、１０4Ωの表面抵抗率にコーティング層の厚みを積算した値以上の充填剤と樹脂の複合体であることを特徴とする固定子コイル。
【請求項５】
請求項４記載の固定子コイルにおいて、前記充填剤の体積比率は、表面抵抗をＲ、体積比率をｐとしたとき、Ｒ∝（ｐｃ−Ｐ）-2の関係を満たす体積比率ｐｃより大きいことを特徴とする固定子コイル。
【請求項６】
請求項４又は請求項５記載の固定子コイルにおいて、前記充填剤は、四三酸化鉄、酸化チタン、酸化クロム、タルク、炭化珪素、酸化亜鉛、酸化錫、カーボン、金属フタロシアニン、ポリピロール、ポリアニリンのいずれかであることを特徴とする固定子コイル。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の固定子コイルにおいて、高電圧が印加される導体部の周囲に電気絶縁層を有する部位は、コイルエンド部、コイルエンド部の接続リング導体、コイル口出し接続部、コイル接続導体の少なくとも１箇所であることを特徴とする固定子コイル。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の固定子コイルを備えた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、固定子コイル及びこの固定子コイルを備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機においては、製造段階で性能を評価するために、定格電圧の２倍以上の電圧を固定子コイルに印加して、電気絶縁性能の検証を行っている。
【０００３】
このような電気絶縁性能の検証を行うに際して、例えばコイルエンド部では電圧の異なる導体間での放電の発生を抑制するため、導体表面に絶縁物を配置したり、絶縁物間の距離を広く開けたりする手法が使われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この手法では、固定子コイル相互間のギャップを広げなければならないために回転電機全体の寸法が大きくなり、重量が嵩むと共にコストが高くなる傾向がある。
【０００５】
本発明は、高電圧が印加されるコイル導体部の周囲に有する電気絶縁層の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い材料からなるコーティング層を形成することにより、電気絶縁物の表面間に発生する大きな放電を抑制でき、軽量化および低コスト化を図ることができる固定子コイル及び回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の目的を達成するため次のような手段により固定子コイル及び回転電機を構成するものである。
【０００７】
本発明は、高電圧が印加される導体部の周囲に電気絶縁層を有する固定子コイルにおいて、前記電気絶縁層を有する部位の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い表面抵抗率を持つ材料をコーティングしてコーティング層を形成する。
【０００８】
本発明は、高電圧が印加される導体部の周囲に電気絶縁層を有する固定子コイルにおいて、前記電気絶縁層を有する部位の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い表面抵抗率を持つ材料を塗布した自己融着性又は粘着性を有するテープを巻回してコーティング層を形成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電気絶縁物の表面間に発生する大きな放電を抑制でき、機器の軽量化および低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態における固定子コイルの一部を示す斜視図である。
【００１２】
図１において、１は高電圧が印加される部分の導体で、この導体１の周囲には電気絶縁層２が形成されている。この電気絶縁層２は、導体１の周面上にマイカテープを巻回し、真空加圧含浸を行うことにより形成される。
【００１３】
このような固定子コイルにおいて、本実施形態では高電圧が印加される部位の導体１の周囲に形成された電気絶縁層２の表面に、該電気絶縁層２と比較して抵抗値の低い材料、例えばエポキシ樹脂中に炭化珪素を充填した材料を木製の刷毛を用いて塗布（コーティング）し、２４時間乾燥させてコーティング層３を形成するものである。
【００１４】
ここで、上記コイルの周囲部にコイル周囲長と同じ距離を存して図示しない一対の電極を設け、この電極間に１ｋＶ／ｃｍの電圧を印加して表面抵抗率を測定した。
【００１５】
その結果、コイルの表面抵抗率は、１０10Ω程度であった。
【００１６】
図２は、放電抑制効果を測定するために用いたモデル用コイルを示す構成図である。
【００１７】
図２に示すように、導体１の周囲に形成された厚みが６mmの電気絶縁層２の表面に上述したコーティング処理を施してコーティング層３を形成したコイル２０Ａとコーティング処理を施していないコイル２０Ｂとを、そのコイル表面間の距離を１０mmにして平行に配置する。この場合、コーティング処理を施していないコイル２０Ｂの端部は、導体が剥き出しになっている部分での短絡を防止するため、曲げられている。
【００１８】
このような状態に配置されたコイル２０Ａの導体１に交流の高電圧を印加し、コイル２０Ｂの導体をアース電位として試験を行った。比較のため、コーティング処理を施していないコイル同士でも同様の試験を行った。
【００１９】
図３（ａ），（ｂ）はかかる試験時に紫外線カメラで観測した放電の様子を示す画像である。
【００２０】
図３（ａ）に示す画像と同図（ｂ）に示す画像とを比べると分かるように、コーティング処理を施した方は大きな放電がなくなり、均一で小さな放電が多数発生しているだけである。これは、コーティング処理を施すことで放電によって表面に残留した電荷が周囲に逃げ易くなり、放電が大きくなることが抑制されるためと想定される。
【００２１】
大きな放電は、コイル表面を這うように進展するため、近くに導体の剥き出し部があったり、コイルの電気絶縁層に弱点部があったりすると絶縁破壊を引起す可能性があるが、大きな放電を抑制することによって、より高い電圧に適合した固定子コイルを製作することができる。
【００２２】
この効果は、原理を考えれば両方のコイル２０Ａ，２０Ｂの電気絶縁層にコーティング処理を施した方がより大きいことは明らかである。
【００２３】
このように高電圧が印加される導体１の周囲に形成された電気絶縁層２の表面に電気絶縁層２と比較して抵抗値の小さいコーティング層、好ましくは1０12Ω以下の表面抵抗率を持つコーティング層３を形成することにより、電気絶縁物の表面間に発生する大きな放電を抑制することができるので、コイル相互間のギャップを小さくすることが可能となり、しいては回転電機全体の軽量化及び低コストを図ることができる。
【００２４】
上記実施形態では、コーティング層３を形成する材料として、エポキシ樹脂中に炭化珪素を充填したが、この炭化珪素に代えて四三酸化鉄、酸化チタン、酸化クロム、タルク、酸化亜鉛、酸化錫、カーボンを用いても前述同様の効果を得ることができる。
【００２５】
また、有機系の充填剤、例えば銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニン、ポリピロール、ポリアニリンを用いれば、無機系の充填剤を用いた場合よりも電気絶縁層との接着性が良好となるため、回転電機を運転している最中に剥がれることを抑制できる。
【００２６】
一方、コーティング層３の表面抵抗値を１０4Ω以上にすることが必要である。その理由は、１０4Ω以下の抵抗値になると、コイルによって発生した磁場がコーティング層３と鎖交した際に、コーティング層３の表面で渦電流を発生させ、これによりロスが発生すると同時に、そのときの熱により材料を劣化させる恐れがあるためである。
【００２７】
コーティング層３の表面抵抗率（Ω）は、体積抵抗率（Ω・ｃｍ）をコーティング層３の厚み（ｃｍ）で除することによって得られる。つまり、表面体積率（Ω・ｃｍ）をコーティング層３の厚み（ｃｍ）で除した値が１０4Ω以上になればよい。絶縁物中に低抵抗性の充填剤を入れて抵抗値を下げる場合、充填剤の体積抵抗率以下に抵抗値が低下することはなく、充填剤の体積抵抗率をコーティング層の厚みで除した値が１０4Ω以上であれば、充填剤を複合して得られたコーティング剤も１０4Ω以上になるため、この考え方に基づいて充填剤を選定することが望ましい。
【００２８】
また、導電率１０4以上の充填剤の体積比率として、表面抵抗をＲ、体積比率をｐとしたときにＲ∝（ｐｃ−ｐ）-2の関係を満たす体積比率ｐｃより大きくすることにより、安定した表面抵抗を得ることができる。
【００２９】
ここで、その詳細について図４及び図５に示すグラフを参照して説明する。
【００３０】
図４は、充填剤として、四三酸化鉄を用い、バインダー樹脂として高密度ポリエチレンを用いて、その体積抵抗率を四三酸化鉄の体積比率でプロットした図である。
【００３１】
図４に示すように２つの屈曲点（ｐｃ１およびｐｃ２）が現れ、ｐｃ２以上の領域では体積比率に対する体積抵抗率の変化が小さくなることが分かる。これは、複合体中の充填剤の分散状態に起因するものと考えられる。
【００３２】
本発明者らのこれまでの研究から、屈曲点ｐｃ２は、パーコレーション閾値に一致することが分かってきた。パーコレーション閾値とは、複合体中に充填剤が連続して繋がる体積比率のことを意味する。
【００３３】
図５は、体積比率ｐｃとして0.305としたときの体積抵抗率と（ｐｃ−ｐ）との関係を量対数でプロットしたものであるが、傾きは-2となる。このことは、Dr.Stauferが書いた“percolation theory”の中で理論的に決定される傾きと一致する。
【００３４】
ｐｃ以上の領域においては、充填剤の体積比率が上昇しても体積低効率が連続した導電路の数によって支配されるため、体積抵抗率の変化があまりないと考えられ、ｐｃ以下では充填剤間のトンネル伝導が支配的であるため、僅かな体積比率の変化で体積抵抗率が変化してしまうためであると考えられる。したがって、ｐｃ以上の領域で複合体を合成することにより、安定した体積抵抗率を得ることができる。すなわち、体積抵抗率にコーティング層の厚みを掛け合わせたものが表面抵抗であるため、ｐｃ以上の領域で複合体を合成することによって安定した表面抵抗を得ることができる。
【００３５】
図６は、本発明の第２の実施形態における固定子コイルの一部を示す斜視図である。
【００３６】
図６において、１は導体で、この導体１の周囲には電気絶縁層２が形成されている。この電気絶縁層２は、導体１の周面上にマイカテープを巻回し、真空加圧含浸を行うことにより形成される。
【００３７】
このような固定子コイルにおいて、本実施形態では高電圧が印加される部位の導体１の周囲に形成された電気絶縁層２の表面に低抵抗コーティングテープ４を巻回してコーティング層３を形成するものである。
【００３８】
この低抵抗コーティングテープ４は、自己融着性を有するテープに第１の実施形態と同様に電気絶縁層２と比較して抵抗値の低い材料を塗布したものである。
【００３９】
第1の実施形態においては、電気絶縁層２の表面に該電気絶縁層と比較して抵抗値の低い液状の材料を塗布してコーティング層３を形成しているため、コーティング層３の厚みを制御することが難しく、安定した抵抗値を得ることが困難であるが、本実施形態のように低抵抗コーティングテープ４を巻回してコーティング層３を形成すれば、コーティング層３の厚みの制御が容易になり、安定した特性を有するコーティング層を形成することができる。また、テープ材料として自己融着性を有するものを使用しているので、接着剤などを使うことなく、テープの固定が可能である。
【００４０】
このように低抵抗コーティングテープ４を巻回してコーティング層３を形成することで、コイル相互間のギャップを小さくすることが可能となり、しいては回転電機全体の軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００４１】
なお、上記実施形態では、テープ材料として自己融着性を有するものを使用したが、接着性を有するものを使用しても、前述同様に接着剤などを使うことなく、テープの固定が可能である。
【００４２】
ここで、コーティング層３が形成される固定子コイルの高電圧が印加される部位の具体例を図７乃至図１０により説明する。
【００４３】
図７は、固定子コイルの高電圧が印加される部位としてコイルエンド部を示す図である。
【００４４】
図７に示すように固定子鉄心５のスロットに挿入された固定子コイル６において、コイルエンド部に低抵抗コーティングを施してコーティング層３を形成したものである。
【００４５】
回転電機は、その信頼性を検証するため、定格電圧の２倍以上の電圧をコイルに印加することが行われている。この際、図７に示すようなコイルエンド部では、コイル間のギャップを広く取ることによって大きな放電が発生しないようにしているのが通例である。特に異相コイル間のギャップには大きな電圧が発生するため、放電が発生し易い。
【００４６】
しかしながら、コイル間のギャップを広くとることは、結果としてコイルエンド部の大きさを大きくすることが必要となり、回転電機全体の寸法が大きくなる。
【００４７】
そこで、コイルエンド部に前述した低抵抗コーティングを施してコーティング層３を形成することにより、コイルエンド部でのコイル間のギャップを狭くすることが可能となり、回転電機全体の寸法を小さくできるので、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００４８】
図８は、固定子コイルの高電圧が印加される部位としてコイルエンド部の導体接続部を示す図である。
【００４９】
図８に示すように固定子コイル６のコイルエンド部と接続導体７との導体接続部に絶縁性を確保するために、マイカシート等を巻回して絶縁層８が形成されている。この絶縁層８は、導体接続部の形状により膨らんだ形状となるため、隣接するコイルの導体接続部相互間のギャップが狭くなり、放電を誘発し易い。
【００５０】
そこで、コイルエンド部と接続導体７との導体接続部に形成された絶縁層８の周面に前述した低抵抗コーティングを施してコーティング層３を形成することにより、大きな放電を抑制し、ギャップを狭くすることが可能となり、回転電機全体の寸法を小さくできるので、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００５１】
図９は、固定子コイルの高電圧が印加される部位として、固定子コイルから外部へ引き出す接続導体部を示す図である。
【００５２】
図９に示すように固定子コイルの外部への接続導体７と接続リング９とのギャップが狭くなり易い傾向があるが、このような部位に対しても前述した低抵抗コーティングを施してコーティング層３を形成することにより、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
図１０は、固定子コイルの高電圧が印加される部位として、水冷却機において、冷却水を導体に引き込む部分の接続部を示す図である。
【００５４】
図１０に示すように固定子コイル６のコイルエンド部とテフロン（登録商標）管１１が接続された冷却水配管用導体１０及び接続導体７との導体接続部に絶縁性を確保するための絶縁層８が形成されている。この絶縁層８は、導体接続部の形状により膨らんだ形状となるため、接続リングや、ブスバ―に近接する可能性がある。
【００５５】
そこで、このような部位に対しても前述した低抵抗コーティングを施してコーティング層３を形成することにより、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
このように図７乃至図１０に示す如く、機種によって高電圧部位の絶縁層を厚くすることが必要となり、隣接する構造物とのギャップが狭くなって放電が発生し易くなるが、このような部位の絶縁層の表面に前述したコーティング処理を施すことによって大きな放電を抑制し、ギャップを狭くすることが可能となるので、回転電機全体の軽量化や低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態における固定子コイルの一部を示斜視図。
【図２】同実施形態において、放電抑制効果を測定するために用いられる２本の固定子コイルのモデルを示す構成図。
【図３】同モデルにおいて、紫外線カメラで撮影した放電の様子を示す中間調画像。
【図４】同実施形態において、充填剤として四三酸化鉄を用い、バインダー樹脂として高密度ポリエチレンを用いて、その体積抵抗率を四三酸化鉄の体積比率でプロットしたグラフを示す図。
【図５】同実施形態において、体積比率ｐｃとして0.305としたときの体積低効率と（ｐｃ−ｐ）との関係を量対数でプロットしたグラフを示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態における固定子コイルの一部を示斜視図。
【図７】本発明のコーティング層が形成される固定子コイルの部位として、コイルエンド部を示す図。
【図８】本発明のコーティング層が形成される固定子コイルの部位として、コイルエンド部の導体接続部を示す図。
【図９】本発明のコーティング層が形成される固定子コイルの部位として、固定子コイルから外部へ引き出す接続導体部を示す図。
【図１０】本発明のコーティング層が形成される固定子コイルの部位として、水冷却機において、冷却水を導体に引き込む部分の接続部を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
１…導体、２…電気絶縁層、３…低抵抗コーティング層、４…低抵抗コーティングテープ、５…鉄心、６…固定子コイル、７…接続導体、８…絶縁層、９…接続リング、１０…冷却水配管用導体、１１…テフロン管、２０Ａ，２０Ｂ…モデル用コイル
【図１】
2008035634.tif 000003
【図２】
2008035634.tif 000004
【図３】
2008035634.tif 000005
【図４】
2008035634.tif 000006
【図５】
2008035634.tif 000007
【図６】
2008035634.tif 000008
【図７】
2008035634.tif 000009
【図８】
2008035634.tif 000010
【図９】
2008035634.tif 000011
【図１０】
2008035634.tif 000012