(57)【要約】【課題】簡単な手段によって固定子鉄心のスロット外に延在するコロナシールド層の焼損を防止し得る回転電機を提供する。【解決手段】主絶縁層の表面にコロナシールド層１４を形成した固定子コイル７を固定子鉄心５のスロット６内にスロットライナ１２を介して装着し、スロット６外のコロナシールド層１４が配置される直下の主絶縁層１０の厚みを増す厚肉化手段を設けた。上記構成により、スロット６外でコロナシールド層１４やスロットライナ１２が部分接触しても、厚肉化手段によって充電電流１７Ｂが低減されるので、充電電流１７Ｂの集中によるコロナシールド層１４やスロットライナ１２の劣化や焼損を防止できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、該回転子の外径側に所定の空隙を介して対向配置される固定子とから成り、
前記固定子は、複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成された固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成されたスロットと、これら複数のスロット内に装着された固定子コイルと、前記固定子鉄心の外径側を支持する固定子枠とを備え、
前記固定子コイルは、コイル導体と、該コイル導体の表面に形成された主絶縁層と、該主絶縁層の表面に設けられたコロナシールド層とから成ると共に、前記固定子鉄心のスロット内に前記コロナシールド層の表面に設けられたスロットライナ層を介して装着される直線部と、前記スロット外に張出した前記固定子コイルのコア出口部とから構成される回転電機において、
前記スロット内の前記主絶縁層の厚さに対して、前記スロット外の前記主絶縁層の厚さを厚肉化したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
回転子と、該回転子の外径側に所定の空隙を介して対向配置される固定子とから成り、
前記固定子は、複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成された固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成されたスロットと、これら複数のスロット内に装着された固定子コイルと、前記固定子鉄心の外径側を支持する固定子枠とを備え、
前記固定子コイルは、コイル導体と、該コイル導体の表面に形成された主絶縁層と、該主絶縁層の表面に設けられたコロナシールド層とから成ると共に、前記固定子鉄心のスロット内に前記コロナシールド層の表面に設けられたスロットライナ層を介して装着される直線部と、前記スロット外に張出した前記固定子コイルのコア出口部とから構成される回転電機において、
前記スロット内の前記主絶縁層の厚さに対して、前記スロット外の主絶縁層の厚さが少なくとも前記コロナシールド層で覆われた範囲で厚肉化したことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機において、
前記スロット外の主絶縁層厚さが前記スロットライナ終端部から前記コロナシールド層終端部までの範囲で最も厚肉化されたことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の回転電機において、高周波成分を有する電圧で駆動され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】
本発明は電動機や発電機などの回転電機に係り、特に、高周波成分を有する電圧で駆動されるものに好適な回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、回転電機は、運転効率を高めるために高周波成分を有する電圧で駆動されている。この高周波成分を有する駆動電圧は、例えばＩＧＢＴ等の高速スイッチング素子で構成される高周波電源等により得ており、高周波電源はケーブルを介して回転電機に接続されている。そして、特許文献１に開示されているように、通常、回転電機の固定子コイルは、コイル導体に均一に施された主絶縁層の表面にコロナシールド層が被覆され、この固定子コイルが、固定子鉄心の内径側に形成されたスロット内に、半導電性のスロットライナを介して装着され、ウェッジによって固定子鉄心に固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６４０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の回転電機の固定子コイルにおいては、固定子鉄心のスロット内のコロナシールド層、スロットライナ、および固定子鉄心との接触は比較的良好に保持されており、それぞれがほぼ全域に亘って接触し、その結果、回転電機への入力電圧の時間変化に比例した充電電流が全域に亘って分散される。
【０００５】
しかしながら、固定子鉄心のスロット端から張出した固定子コイルのコア出口部のスロットライナ終端近傍では、製作条件に起因するスロットライナの反り返りやうねりのために部分接触することがある。
【０００６】
スロットライナは、基材に導電コーティングを施したシート材が用いられる場合が多く、固定子コイルに対してすし巻き状に巻き付け、固定子コイルと共に固定子鉄心に取り付けられる。このとき、スロットライナには、製作時に部分的に微小な反り返りやうねりなどが形成される場合がある。特に、コア出口部では、スロットライナがコイルの最表層となるため、固定子の製作における樹脂の所謂単独注入やレジンリッチ、全含浸と言った絶縁方式を問わず、反り返りやうねりにより部分接触が形成される可能性がある。
【０００７】
とりわけ、固定子コイルを固定子鉄心に組み込んだ後に固定子全体を樹脂で含浸・硬化させ、低コスト化、及び固定子の冷却効率の向上を指向した所謂全含浸絶縁方式では、スロットライナ自体にも樹脂が浸透するため、スロットライナの反り返りやうねりを助長させ、部分接触が顕著に生じる場合がある。
【０００８】
したがって、これらスロットライナを介した回転電機のコア出口部においては、概略入力電圧の時間変化と当該部の主絶縁層の静電容量との積に比例した充電電流が、コロナシールド層やスロットライナの部分接触箇所に集中して流れる可能性がある。
【０００９】
ところで、回転電機には、一般に電源から印加される高周波成分を有する駆動電圧に、高周波電源、ケーブル、及び回転電機の特性インピーダンスの違いに伴い発生する高周波サージ電圧が重畳した電圧が入力される。その結果、回転電機には駆動電圧よりも高い入力電圧（最大で駆動電圧の２倍）が印加される。
【００１０】
従来の回転電機は、高周波の駆動電圧が比較的小さいため、サージ電圧が重畳された場合であっても、入力電圧は低く抑えられていた。また、入力電圧の立ち上がり及び立ち下がり時の過渡時間も比較的緩やかであったため、コア出口部におけるコロナシールド層やスロットライナの部分接触箇所での局所的な充電電流密度は低く抑えられ、コロナシールド層やスロットライナを劣化、焼損させる問題は生じなかった。
【００１１】
ところが、近年、高周波電源用のスイッチング素子の高耐圧化及び高速化に基づく回転電機の高電圧化、更には低損失化が進められるようになり、サージ電圧が重畳された高周波の過大な入力電圧が、回転電機に印加されるようになった結果、コア出口部では、短時間での急激な電圧変化により、コロナシールド層やスロットライナを流れる充電電流が高まり、コロナシールド層やスロットライナの部分接触箇所において、局所的に充電電流密度が増加し、コロナシールド層やスロットライナの劣化、焼損が懸念されるようになった。
【００１２】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、高耐圧化及び高速化するスイッチング素子を用いた電源から印加される駆動電圧に、サージ電圧が重畳した高周波・高電圧が回転電機に入力される場合であっても、簡単な手段によって固定子鉄心のスロット外に延在するコロナシールド層やスロットライナの劣化、焼損を防止し得る回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による回転電機は、上記目的を達成するために、高周波成分を有する電圧で運転され、主絶縁層の表面にコロナシールド層を形成した固定子コイルを、固定子鉄心に形成したスロット内にスロットライナを介して装着した回転電機において、スロット外に延在した固定子コイルのコア出口部でのコロナシールド層やスロットライナの部分接触箇所に生じるサージ電圧の重畳に伴った局所的な高充電電流密度を低減させるために、通常は略均一な厚さに製作される固定子コイルの主絶縁層に対して、コア出口部でコロナシールド層が配置される直下の主絶縁層厚みを厚肉化した。
【００１４】
上記のように構成することで、充電電流密度が高まる要因となるスロットライナの反り返りやうねりが生じても、コア出口部のコロナシールド層直下の主絶縁層が厚肉化しているため、コロナシールド層やスロットライナに進入する充電電流自体を低減させることが可能となり、従来に比べて部分接触箇所の局所的な高充電電流密度を低減でき、充電電流の集中によるコロナシールド層やスロットライナの劣化、焼損が防止できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高耐圧化及び高速化するスイッチング素子を用いた電源から印加される駆動電圧に、サージ電圧が重畳した高周波・高電圧が回転電機に入力される場合であっても、簡単な手段によって固定子鉄心のスロット外に延在するコロナシールド層やスロットライナの劣化、焼損を防止し得る回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の回転電機の第１の実施の形態を示す固定子コイルのコア出口部近傍の概略縦断面図である。
【図２】図１のスロットライナ端部を示す拡大部分斜視図である。
【図３】本発明の回転電機の第１の実施の形態における部分接触箇所に発生する損失量の相対比較の一例を示す特性図である。
【図４】本発明の回転電機の第２の実施の形態を示す図１に相当する図である。
【図５】従来の回転電機を示す固定子コイルのコア出口部近傍の概略縦断面図である。
【図６】高周波成分を有する電圧で運転される回転電機の固定子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による回転電機の第１の実施の形態を図１及び図２に示し、従来の回転電機として図５及び図６に示す電動機との差異に基づいて説明する。尚、図１、図２、図５、図６の同一符号は、同一構成部材を示す。
【００１８】
図５及び図６に示すように、電動機は、回転子（図示せず）と、この回転子の外径側に所定の空隙を介して対向配置される固定子３とで概略構成されている。
【００１９】
回転子は、通常、回転軸に支持された回転子鉄心と、この回転子鉄心に装着された回転子巻線とを備えている。
【００２０】
一方、固定子３は、複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成された固定子鉄心５と、この固定子鉄心５の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成されたスロット６と、これら複数のスロット６内に装着された固定子コイル７と、固定子鉄心５の外径側を支持する固定子枠８と、この固定子枠８の軸方向両端部に固定される端板２と、回転軸を支承する図示しない軸受とから概略構成される。
【００２１】
固定子コイル７は、コイル導体９と、このコイル導体９の表面に略均一に形成された主絶縁層１０とから成り、また、固定子コイル７は、固定子鉄心５のスロット６内に装着される直線部７Ａと、スロット６外に張出したコイルエンド部から構成されており、コイルエンド部は、概略、コア出口部７Ｂと、インボリュート部７Ｃとから構成されている。
【００２２】
スロット６内に固定子コイル７の直線部７Ａを装着する際、上下方向に隣接する固定子コイル７間に絶縁材１１（図２参照）を介在し、更に、上下方向に隣接した固定子コイル７を一纏めにしてスロットライナ１２ですし巻き状に覆った状態で装着し、スロット６の開口側にウェッジ１３を嵌着して固定子コイル７をスロット６内に強固に支持している。
【００２３】
固定子コイル７のスロット６内に装着される直線部７Ａの主絶縁層１０の外周には、固定子鉄心５と固定子コイル７間のコロナ放電を防止する目的で、コロナシールド層１４が被覆されている。また、固定子コイル７のコア出口部７Ｂからインボリュート部７Ｃにかけては、コロナシールド層１４のスロット６外に張出した端部での電界集中によって沿面放電が発生し、これによってコロナシールド層１４や主絶縁層１０を劣化させる虞があるので、コロナシールド層１４の端部を覆って、固定子鉄心５から離れる方向に高抵抗コロナシールド層１５を被覆する場合もある。
【００２４】
このように構成された固定子コイル７が高周波電源１６に接続されて、電動機が駆動される。
【００２５】
ところで、回転電機には、一般に電源から印加される高周波成分を有する駆動電圧に、高周波電源、ケーブル、及び回転電機の特性インピーダンスの違いに伴い発生する高周波サージ電圧が重畳した電圧が入力される。その結果、回転電機には駆動電圧よりも高い入力電圧（最大で電源電圧の２倍）が印加される。
【００２６】
上述のように固定子コイル７を構成することで、スロット６内においては、主絶縁層１０とコロナシールド層１４及びスロットライナ１２が、各々ほぼ全域に亘って密着して装着されており、スロット６に十分に接触させることができる。
【００２７】
そのため、サージ電圧が重畳した場合であっても入力電圧の時間変化に比例したコア内部での充電電流１７Ａが全域に亘って分散されるので、充電電流１７Ａの集中する部分はなく、充電電流１７Ａの集中によるコロナシールド層１４、およびスロットライナ１２の劣化、焼損は、固定子コイル７の直線部７Ａには発生しにくい。
【００２８】
しかしながら、固定子鉄心５のスロット６の端から張出した固定子コイル７のコア出口部７Ｂのコロナシールド層１４やスロットライナ１２では、製作条件に起因するスロットライナ１２の反り返りやうねりのために部分接触することがあり、コロナシールド層１４やスロットライナ１２を劣化、焼損させることが懸念される。特にスロットライナ１２を複数枚重ねて配置した場合には、コイル７断面に対して外側に配置されたスロットライナ１２ほど巻き付けテンションが弱まり、スロットライナ１２終端部のスロットライナ１２間の部分接触が顕在化する傾向にある。その結果、高耐圧化・高周波化スイッチング素子を用いた回転電機においては、高周波サージ電圧の重畳に起因した充電電流１７Ｂが、スロットライナ１２最外層近傍のスロットライナ１２間の部分接触箇所に集中して流れ、スロットライナ１２を劣化、焼損させることが懸念される。
【００２９】
そこで、本実施の形態では、図１及び図２に示す如く、固定子鉄心５のスロット６の端から張出したコア出口部７Ｂにおいて、コロナシールド層１４直下の主絶縁層１０の厚みを、主絶縁層１０におけるスロット内に位置する部分の厚み（Ｄ）よりも厚肉化させている。
【００３０】
ここで、コア出口部７Ｂで部分接触箇所に流れる充電電流１７Ｂは概略式（１）で与えられ、主絶縁層１０が厚肉化するほど充電電流は低減できる。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
尚、Ｉはコア出口部で部分接触箇所に流れる充電電流１７Ｂ、ｄＶ／ｄｔは入力電圧の時間変化、Ｃはコア出口部７Ｂの主絶縁層１０の静電容量、Ｓはコア出口部のコロナシールド層１４直下の主絶縁層１０の表面積、（Ｄ＋ΔＤ）はコロナシールド層１４直下の主絶縁層１０の厚み、である。
【００３３】
主絶縁層１０の厚肉化に際しては、主絶縁層１０の代表的な材料であるマイカテープを追加巻きすることによって容易に達成可能である。
【００３４】
このような構成とすることにより、従来の回転電機と同様にスロットライナ１２に反り返りやうねりがある場合であっても、コロナシールド層１４からスロットライナ１２に進入する充電電流１７Ｂ自体を低減できるため、コロナシールド層１４やスロットライナ１２の部分接触箇所での局所電流密度を抑制し、コア出口部７Ｂでのコロナシールド層１４やスロットライナ１２の劣化、焼損を阻止することができる。
【００３５】
このようにコア出口部７Ｂでのコロナシールド層１４直下の主絶縁層１０の絶縁厚みを他の絶縁厚みＤに比較してΔＤ分厚肉化することにより、図３に示すコア出口部７Ｂの部分接触部の充電電流１７Ｂによる損失量（損失量は充電電流の２乗に比例）の絶縁厚み特性図の一例のように、スロットライナ１２に反り返りやうねりが生じ、部分接触が形成された場合でも、コロナシールド層１４やスロットライナ１２での部分接触に伴う充電電流１７Ｂを従来よりも低減でき、その結果、充電電流１７Ｂの集中によるコロナシールド層１４やスロットライナ１２の劣化、焼損を防止できる。
【００３６】
本実施の形態においては、コア出口部７Ｂのコロナシールド層１４直下の主絶縁層１０の厚みのみを厚肉化したが、固定子コイル７をスロット６へ配置する際の公差を許容するために、主絶縁層１０の厚肉化をコア出口部７Ｂ近傍の固定子コイル直線部７Ａの一部まで拡大させても良い。同様に固定子コイル７製作時に主絶縁層１０の表面を巻回するコロナシールド層１４の製作公差を許容するために、主絶縁層１０の厚肉化をインボリュート部７Ｃ方向へ拡大させても良い。
【００３７】
本実施の形態は、全ての固定子コイル７に適用することが望ましいが、特に、インバータ制御における電動機への入力波形の印加電圧及び印加電圧の立ち上がり、あるいは立ち下がり時の電圧変化成分が極端に大きくなければ、インバータとの接続部から最初の１本或いは複数本の固定子コイル７にのみ適用してもよい。
【００３８】
次に、本発明による回転電機の第２の実施の形態を、図４に示す電動機の固定子コイルのコア出口部に基づいて説明する。尚、図１、図２、図８及び図９と同一符号は、同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、主絶縁層１０の厚肉化に際し、コア内部では略均一厚み（図中Ｄ1）とし、固定子鉄心５端からコア出口部７Ｂのスロットライナ１２終端部までは徐々に厚肉化（図中Ｄ2）するようにし、スロットライナ１２終端を越えて延在する（図中のｌの範囲）コロナシールド層１４直下に対しては最も厚肉化する（図中Ｄ3）ように、主絶縁層１０を配置した点である。
【００４０】
尚、固定子鉄心５端からコア出口部７Ｂのスロットライナ１２終端部までを徐々に厚肉化する方法としては、例えば、固定子コイル７の製作時に、主絶縁層１０を形成するマイカテープのラップ範囲を徐々に少なくするように追加巻きすれば良い。
【００４１】
コア出口部７Ｂでの部分接触は、スロットライナ１２の特に終端部で顕著に現れる。したがって、コア出口部７Ｂで部分接触箇所に流れる充電電流１７Ｂの大きさに影響する主絶縁層１０は図中のｌで示された範囲となる。したがって、この範囲のみを最も厚肉化すれば第１の実施の形態と同等の効果が得られる。
【００４２】
本実施の形態においては、コア出口部７Ｂのスロットライナ１２終端を越えて延在するコロナシールド層１４直下に対して最も厚肉化したが、固定子コイル７製作時に主絶縁層１０の表面を巻回するコロナシールド層１４の製作公差を許容するために、主絶縁層１０を最も厚肉化する範囲をインボリュート部７Ｃ方向へ拡大させても良い。同様に、固定子コイル７をスロット６へ配置する際の公差を許容するために、固定子鉄心５端からコア出口部７Ｂのスロットライナ１７終端部までを徐々に厚肉化する範囲の起点を、コア出口部７Ｂ近傍の固定子コイル直線部７Ａの一部まで延伸させても良い。
【００４３】
本実施の形態は、全ての固定子コイル７に適用することが望ましいが、特に、インバータ制御における電動機への入力波形の印加電圧及び印加電圧の立ち上がり、あるいは立ち下がり時の電圧変化成分が極端に大きくなければ、インバータとの接続部から最初の１本或いは複数本の固定子コイル７にのみ適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上の各説明は、回転電機として電動機を一例に説明したが、電動機に限らずタービン発電機やガスタービン発電機などの発電機にも適用できるのは勿論である。
【符号の説明】
【００４５】
２  端板
３  固定子
５  固定子鉄心
６  スロット
７  固定子コイル
７Ａ  直線部
７Ｂ  コア出口部
７Ｃ  インボリュート部
８  固定子枠
９  コイル導体
１０  主絶縁層
１１  絶縁材
１２  スロットライナ
１２Ａ  外層
１２Ｂ  内層
１３  ウェッジ
１４  コロナシールド層
１５  高抵抗コロナシールド層
１６  高周波電源
１７  充電電流
１７Ａ  コア内部での充電電流
１７Ｂ  コア出口部での充電電流
【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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