(57)【要約】【課題】耐熱性、絶縁性、耐食性に優れた絶縁巻線を提供することにある。【解決手段】  本発明に係るモータ用固定子はスロット、コイルを有し、前記コイルは、導体と、前記導体の外周を覆う絶縁被覆層と、前記絶縁被覆層の外周を覆うガスバリア層を有し、前記ガスバリア層は硫化水素ガスを透過しない性質を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロット、コイルを有するモータ用固定子において、
前記コイルは、導体と、前記導体の外周を覆う絶縁被覆層と、前記絶縁被覆層の外周を覆うガスバリア層を有し、
前記ガスバリア層は硫化水素ガスを透過しない性質を有することを特徴とするモータ用固定子。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンのうちのいずれかを含む樹脂層で構成されることを特徴とするモータ用固定子。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、ニッケル、鉛、クロム、モリブデンのうちのいずれかを含む金属層で構成されることを特徴とするモータ用固定子。
【請求項４】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マイカのうちのいずれかを含むセラミックス層で構成されることを特徴とするモータ用固定子。
【請求項５】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、前記導体側から樹脂層、金属層で構成され、
前記樹脂層は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンのうちのいずれかを含み、
前記金属層は、ニッケル、鉛、クロム、モリブデンのうちいずれかを含むことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項６】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、前記導体側から樹脂層、セラミックスで構成され、
前記樹脂層は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンのうちのいずれかを含み、
前記セラミックス層は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マイカのうちのいずれかを含むことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項７】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、前記導体側から金属層、セラミックス層で構成され、
前記金属層は、ニッケル、鉛、クロム、モリブデンのうちいずれかを含み、
前記セラミックス層は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マイカのうちのいずれかを含むことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項８】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、前記導体側から第１の樹脂層、金属層、第２の樹脂層で構成され、
前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンのうちのいずれかを含み、
前記金属層は、ニッケル、鉛、クロム、モリブデンのうちいずれかを含むことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項９】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、前記導体側から第１の樹脂層、セラミックス、第２の樹脂層で構成され、
前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンのうちのいずれかを含み、
前記セラミックス層は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マイカのうちのいずれかを含むことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項１０】
請求項１に記載のモータ用固定子であって、
前記ガスバリア層は、前記導体側から第１の金属層、セラミックス層、第２の金属層で構成され、
前記第１の金属層及び前記第２の金属層は、ニッケル、鉛、クロム、モリブデンのうちいずれかを含み、
前記セラミックス層は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マイカのうちのいずれかを含むことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のモータ用固定子において、
前記ガスバリア層の厚みは前記導体の太さより大きいことを特徴とするモータ用固定子。
【請求項１２】
請求項１１に記載のモータ用固定子において、
前記ガスバリア層の厚みは０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、前記導体の太さは０．１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とするモータ用固定子。
【請求項１３】
請求項３、５、７のいずれか一項に記載のモータ用固定子において、
前記金属層の厚みが０．０１〜０．５ｍｍであることを特徴とするモータ用固定子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のモータ用固定子において、
複数の前記コイルが溶接された溶接部を有し、
前記溶接部は前記ガスバリア層により覆われていることを特徴とするモータ用固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ用固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の原油価格低下に伴い、既存油田の生産促進のニーズが高まっている。特に自噴圧力の低下した枯渇井戸から原油、天然ガスを効率よく生産するには、高速、高出力のモータや圧縮機が必要である。これらの油田が置かれている状況はその地域環境に依存するが、井戸の深さは最大数千メートルに達し、井戸の内部は硫化水素や炭酸ガス、水蒸気、油滴等が充満し、100℃以上の高温、高湿環境となっている。このような井戸から原油、天然ガスを効率よく生産する方法の一つとして、モータや圧縮機を既存の井戸内部に設置し、油や天然ガスを地上まで強制的に送り出す方法が有効と考えられる。そのような場所に設置するモータとしては、たとえば、キャンドモータに代表される水蒸気や腐食性ガス等がモータ内部に侵入しないような封止構造を持つモータが有効と考えられる。しかしながら、既存の井戸のパイプは内径が数10センチメートルと細いため、モータの冷却性能が不十分の場合、モータの内部温度は、井戸内部の温度よりも高温になると予想される。その場合、モータと井戸内部の温度の温度差を利用して冷却する必要がある。このような場合には、高温の水蒸気、油、腐食性ガス等がモータ内部に侵入するため、モータには耐食性の高い材料を用いる必要がある。特に、モータ用固定子に用いられる材料には、優れた耐熱性、耐腐食性が求められる。従来、耐熱性が高いモータ固定子には、耐熱性が高い巻線として、銅などの導体の周りをポリイミド、ポリアミドイミド、PEEKなど耐熱性が高い樹脂や、ガラス繊維、マイカテープ等のうちの1種類、あるいは数種類を組み合わせて、単層、あるいは複数層で被覆する巻線が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３２５６５号公報
【特許文献２】特開２０１５−１３５７６７号公報
【特許文献３】特開平１１−３０６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、枯渇井戸の内部のように径が細く、100℃以上の高温環境下では、モータの冷却構造が十分に機能せず、モータの固定子内部の温度は200℃以上に達し、固定子コイルに使用する巻線には従来よりも高い耐熱性が必要となる。また、硫化水素や炭酸ガスを多く含む高温・高湿・腐食環境下でモータを正常に動作させるには、耐熱性に加えて、耐食性も必要となる。ここでいう「耐食性」とは、巻線の芯線である導体の導電性の維持と、導体を被覆する樹脂やセラミックの絶縁性の維持を指す。ここで「絶縁性」とは、体積抵抗、絶縁破壊電圧、比誘電率、部分放電開始電圧、等を指す。
【０００５】
本発明の課題は、優れた耐熱性、耐食性を有するモータ用固定子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は上記課題を解決するために、複数の鉄板が積層した固定子コアと複数のスロット内にコイルが巻線されているモータ用固定子において、前記コイルが複数の絶縁巻線同士、及び前記絶縁巻線と前記固定子コアが樹脂を介して固定されていることを特徴とするモータ用固定子により、高温、高湿、腐食環境下においても長時間安定に動作するモータを製造することが可能となる。特に、導体を被覆した樹脂やセラミックス等の絶縁層の外側に耐熱性、耐食性、硫化水素ガスや水蒸気、油滴の進入を防止するガスバリア性を有する金属層を被覆し、前期金属層を熱膨張率が低い樹脂層で被覆することにより前記金属層のクラックや導体を被覆した樹脂層からの剥離を防止することができる。また、前記金属層としてニッケル、鉛、クロム、モリブデンを、前記導体を被覆する樹脂、及び前記金属層を被覆する樹脂としてポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、シリコーン(SI)、シアネートエステル樹脂を用いることで、耐熱性、耐腐食性が向上し、モータの寿命が向上することを見出し、本発明に至った。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、耐熱性、絶縁性、耐食性に優れるモータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】モータの全体図である。
【図２】絶縁巻線断面
【図３】コイルエンド部の構造
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明のモータ用固定子は、スロット、コイルを備える。このコイルは、導体と、導体の外周を覆う絶縁被覆層と、絶縁被覆層の外周を覆うガスバリア層を有し、このガスバリア層は硫化水素ガスを透過しない性質を有する。
【００１０】
ガスバリア層としては、例えば樹脂層、金属層、セラミックス層を用いることができる。樹脂層は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、シアネートエステル樹脂の少なくとも一つを含むことが望ましい。
【００１１】
また、直径が数10センチメートル以下まで固定子コイルを小型化するためには、絶縁電線を曲率半径の小さい曲げ加工する必要があるため、金属層を用いることが有効である。金属層は、延性と耐熱性に優れたニッケル、鉛、クロム、モリブデンの少なくとも一つを含むことが望ましい。
【００１２】
また、特に、200℃以上の高温環境下でモータを長時間動作させるには、セラミックス層を用いることが有効である。金属層は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マイカの少なくとも一つを含むことが望ましい。
【００１３】
また、本発明のモータ用固定子は、以下の構成とすることも可能である。
（１）ガスバリア層を、導体側から樹脂層、金属層で構成する。
（２）ガスバリア層を、導体側から樹脂層、セラミックス層で構成する。
（３）ガスバリア層を、導体側から金属層、セラミックス層で構成する。
（４）ガスバリア層を、導体側から第１の樹脂層、金属層、第２の樹脂層で構成する。第１の樹脂層は、相間、対地、ターン間の電気絶縁性を確保する目的で設置される。金属層は水蒸気、油、硫化水素ガス、等の拡散による、第１の樹脂層の腐食、劣化等による電気抵抗率の低下、絶縁破壊電圧の低下、比誘電率の増加等の電気絶縁特性の低下、導体の腐食、劣化による電気伝導率の低下、を防止する目的で設置される。第２の樹脂層は、絶縁巻線の加工時に金属層のクラックや剥離を防止する目的で設置される。このとき、金属層のクラックや、第１の樹脂層と金属層の剥離を防止する観点から、第１の樹脂層と第２の樹脂層を構成する樹脂は、同一の種類であることが望ましい。
（５）ガスバリア層を、導体側から第１の樹脂層、セラミックス層、第２の樹脂層で構成する。
（６）ガスバリア層を、導体側から第１の金属層、セラミックス層、第２の金属層で構成する。
【００１４】
上述の（５）（６）のガスバリア層を構成する各層は、（４）のガスバリア層を構成する各層と同様の機能を有する。
【００１５】
なお、1kV以上、1000rpm以上の高出力密度、高速回転のモータ駆動に対応するために、上述したガスバリア層の厚みは0.1〜1mm、導体の太さは0.1〜2mmであり、ガスバリア層の厚みは導体の太さより大きいことが望ましい。また、硫化水素ガスに対する耐腐食性の観点から、金属層はニッケル、鉛、クロム、モリブデンの少なくとも一方を含むことが望ましい。また、腐食速度の観点から金属層の厚みは0.01〜0.5mmであることが望ましい。比で表わすと、導体の太さを1としたときに、金属層の厚みは0.005〜5の範囲にあることが望ましい。このような絶縁巻線で構成されるモータ用コイルでは、巻線端部の導体が露出したコイルエンド部において、相間、対地、ターン間の絶縁性を確保するためには、導体を被覆する絶縁層の端部から絶縁層を被覆する金属層の端部までの距離が1mm以上であり、露出した導体部がTIG溶接されている構造が望ましい。また、TIG溶接されたエンドコイル部は、樹脂層、セラミックス層、金属層等のガスバリア性能を有する皮膜により被覆されている構造が望ましい。このような固定子で構成されることを特徴とするモータは、耐熱性、絶縁性、耐食性に優れるため、地下数千メートルにも及ぶ枯渇井戸等の苛酷環境下においても高速、高出力で動作することが可能となる。
【００１６】
本発明は高速回転高圧モータの絶縁、及び高温、高湿、腐食環境下におけるモータ寿命に関するものである。本発明を実施例、及び比較例によって説明するが、本発明は下記に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
図１にモータの全体図である。図１の左側に回転電機を示し、図１の右側に回転電機のＡ−Ａ´部分断面拡大図を示す。回転電機１は、固定子１０、固定鉄心１１、固定子スロット１２、固定子巻線１３、主絶縁１４、絶縁被覆１５、導体１６、楔１７、回転子２０、回転子スロット２１、回転子バー２２、エンドリング２３、回転子鉄心２４、シャフト２５、回転子鉄心抑え２６で構成される。
【００１８】
まず、導体を被覆した絶縁層上にガスバリア層を被覆した絶縁巻線をスロット内で所定の回数巻き回した。絶縁巻線を被覆するガスバリア層には、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、シアネートエステル樹脂などの樹脂層や、シリカ、チタニア、アルミナ、マイカ、等のセラミックス層を使用した。その後、ポリイミド、ポリアミドイミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂を含浸して固定子コイルを製作した。製作した固定子コイルは、珪素鋼板やアモルファス鋼板を積層した積層鋼板や鉄粉や表面絶縁処理した鉄粉を圧縮成型した圧粉コアで製作した固定子コアに挿入し、コイルエンド部を溶接した。コイルエンド部の溶接には、例えば、TIG溶接を用いた。次いで、コイルエンド部にガスバリア層を被覆した。コイルエンド部や絶縁巻線を被覆するガスバリア層には、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、シアネートエステル樹脂などの樹脂層や、シリカ、チタニア、アルミナ、マイカ、等のセラミックス層を使用した。ガスバリア層は、浸漬、塗布、吹き付け、モールドにより製作した。絶縁巻線を構成する絶縁層の厚みは、対地、相間、ターン間の部分放電開始電圧がモータ機運転中の対地電圧、相間電圧、ターン間電圧のピーク電圧よりも高くなるように設定した。
【００１９】
図３にコイルエンド部の構造を示す。
【００２０】
以上で製作したモータ用固定子を高温、高湿、硫化水素ガス中に長時間暴露した。その後、対地、相間、ターン間の部分放電開始電圧、及び絶縁破壊電圧を測定したところ、暴露前と比べてこれらの値は殆ど低下しなかった。
【実施例２】
【００２１】
図２にモータ用絶縁巻線の断面構造を示す。図２の左側の回転電機のＡ−Ａ´部分断面拡大図を示し、図２の右側に回転電機の一部の拡大図を示す。図２の右側では導体１６、導体１６の外周を覆う絶縁被覆１５、絶縁被覆１５の外周を覆うガスバリア層３１を示す。
【００２２】
導体１６、絶縁被覆１５、ガスバリア層３１で構成するモータ用固定子を製作した。その後、ポリイミド、ポリアミドイミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂を含浸して固定子コイルを製作した。製作した固定子コイルは、珪素鋼板やアモルファス鋼板を積層した積層鋼板や鉄粉や表面絶縁処理した鉄粉を圧縮成型した圧粉コアで製作した固定子コアに挿入し、コイルエンド部を溶接した。コイルエンド部の溶接にはTIG溶接を用いた。次いで、コイルエンド部にガスバリア層を被覆した。コイルエンド部や絶縁巻線を被覆するガスバリア層には、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、シアネートエステル樹脂などの樹脂層や、シリカ、チタニア、アルミナ、マイカ、等のセラミックス層を使用した。ガスバリア層は、浸漬、塗布、吹き付け、モールドにより製作した。絶縁巻線を構成する絶縁層の厚みは、対地、相間、ターン間の部分放電開始電圧がモータ機運転中の対地電圧、相間電圧、ターン間電圧のピーク電圧よりも高くなるように設定した。
【００２３】
以上で製作したモータ用固定子を高温、高湿、硫化水素ガス中に長時間暴露した。その後、対地、相間、ターン間の部分放電開始電圧、及び絶縁破壊電圧を測定したところ、暴露前と比べてこれらの値は殆ど低下しなかった。
（比較例）
【００２４】
実施例１で示したガスバリア層を被覆した絶縁巻線の代わりに、ガスバリア層を被覆しない絶縁巻線を用いること以外は、実施例１と同様の方法でモータ用固定子を製作した。以上で製作したモータ用固定子を、高温、高湿、硫化水素ガス中に長時間暴露した。その後、対地、相間、ターン間の部分放電開始電圧、及び絶縁破壊電圧を測定したところ、暴露前と比べてこれらの値は大きく低下した。
【００２５】
以上の結果、本発明では、高温、高湿、腐食環境下における耐久性が向上したモータ用固定子を提供することができる。さらに本発明の固定子は枯渇井戸等の過酷環境下で使用される耐久性が高いモータを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明のモータ用固定子を用いたモータは高温、高湿、腐食環境下における動作寿命が高く、有用である。
【符号の説明】
【００２７】
１…回転電機、１０…固定子、１１…固定鉄心、１２…固定子スロット、１３…固定子巻線、
１４…主絶縁、１５…絶縁被覆、１６…導体、１７…楔、２０…回転子、２１…回転子スロット、
２２…回転子バー、２３…エンドリング、２４…回転子鉄心、２５…シャフト、
２６…回転子鉄心抑え、３１…ガスバリア層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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