(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コイルのエンド部に、間隙材を介在させて支持リングを備えた回転電機において、
前記間隙材が、少なくとも０.８ＧＰａの圧縮弾性率になるようにして、繊維材に気泡が含まれた樹脂により構成され、
前記繊維材の体積含有率が１５％以上、３０％未満で、前記樹脂の体積含有率が６５％以上、８０％未満であり、且つ前記気泡の体積含有率が５％以上、１０％未満であることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
固定子コイルのエンド部に、間隙材を介在させて支持リングを備えた回転電機の製造方法において、
前記エンド部と前記支持リングの間に、気泡を含んだ樹脂が含浸された繊維材を挿入して、
前記繊維材の体積含有率が１５％以上、３０％未満で、前記樹脂の体積含有率が６５％以上、８０％未満であり、且つ前記気泡の体積含有率が５％以上、１０％未満になるようにし、全体で少なくとも０.８ＧＰａの圧縮弾性率になるように前記樹脂を硬化処理して前記間隙材を得ることを特徴とする回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機の固定子コイルに係り、特に大容量の発電機に好適な固定子コイルエンド支持部における間隙材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばタービン発電機などの回転界磁形回転電機では、その固定子コイルのエンド部分を固定子鉄心の両側面から軸方向に長く突出した形に作るのが一般的であるが、この場合、そのエンド部には、電機子電流による電磁力や熱歪みによる曲げ応力が発生するので、何らかの支持構造によらなけれは変形の虞れが生じ、電気絶縁性能の低下を招いてしまう。
【０００３】
そこで、このような回転電機のコイルエンド部に従来から適用されている支持構造の一例について、図４により説明すると、この図において、１は固定子コイル(エンド部)、２は固定子鉄心、３は支持リング、４は間隙材、５はリングサポ−ト、そして６はバンドである。
【０００４】
運転時、固定子コイル１に電流が流れると、上記したように、電磁力や熱応力が発生する。そこで、この例では、固定子コイル１の外径側に支持リング３を設け、このリング３により固定子コイル１を支持させた上で、更に支持リング３の外形側にはリングサポ−ト５を設け、このリングサポート５により、支持リング３の外側が支持されるようにしてある。
【０００５】
ここで固定子コイル１は、バンド６により支持リング３に緊縛され、更に固定子コイル１同士も緊縛されているが、このとき、固定子コイル１と支持リング３が当接する部分に間隙材４を介在させ、これが緩衝体(クッション)となって、支持リング３に対する固定子コイル１の当りが和らげられるようにしてある。
【０００６】
この間隙材４は、繊維材に熱硬化性の合成樹脂を含浸させ、半硬化状態にしたいわゆるグリーンシートと呼ばれているものを用い、これを固定子コイル１とリング３の間に挿入し、圧縮して厚みが調整された状態で加熱処理し硬化させたもので、このとき繊維材としては、ガラスなどの無機繊維、又はポリエステル、アラミドなどの合成樹脂繊維が用いられ、熱硬化性の合成樹脂には、エポキシ、ポリエステル、アラミドなどが用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、回転電機のコンパクト化と高密度化要求の高まりに応じて、コイルエンド部の支持構造全体にも剛性を上げた構造の採用が不可避になっているが、この場合、従来技術では次のような課題があった。
まず、このときの剛性を上げた構造とするためには、高い弾性率の間隙材が要求されるが、従来の間隙材では、この要件が満たせなかった。
【０００８】
ここで、このような間隙材は、上記したように、硬化前の状態で、間隙材に最終的に必要な厚みよりも薄い厚みの隙間に圧縮して組込み、組込んだ後、硬化される。そこで、ここでは、この硬化させた後の間隙材について、加えた応力と、この応力により生じた歪の比を弾性率としている。
【０００９】
次に、従来の間隙材は、季節により周囲温度が低い場合、組込み作業に適さない硬さになってしまい、所定の圧縮量の確保が難しい。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、硬化前は低温でも低い硬度を保ちながら、硬化後は必要な弾性率が容易に確保できるようにした間隙材を備えた回転電機とその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、固定子コイルのエンド部に、間隙材を介在させて支持リングを備えた回転電機において、前記間隙材が、少なくとも０.８ＧＰａの圧縮弾性率になるようにして、繊維材に気泡が含まれた樹脂により構成され、前記繊維材の体積含有率が１５％以上、３０％未満で、前記樹脂の体積含有率が６５％以上、８０％未満であり、且つ前記気泡の体積含有率が５％以上、１０％未満であるようにして達成される。
【００１１】
同じく、上記目的は、固定子コイルのエンド部に、間隙材を介在させて支持リングを備えた回転電機の製造方法において、前記エンド部と前記支持リングの間に、気泡を含んだ樹脂が含浸された繊維材を挿入して、前記繊維材の体積含有率が１５％以上、３０％未満で、前記樹脂の体積含有率が６５％以上、８０％未満であり、且つ前記気泡の体積含有率が５％以上、１０％未満になるようにし、全体で少なくとも０.８ＧＰａの圧縮弾性率になるように前記樹脂を硬化処理して、前記間隙材を得ることにより達成される。
【００１２】
このとき、前記繊維材の体積含有率が１２％以上にしても良く、更に前記繊維材の体積含有率が４０％未満になるようにしても上記目的が達成される。
また、ここで前記気泡の体積含有率が１０％未満になるようにしても良く、更に前記気泡の体積含有率が５ｖｏｌ％以上になるようにしても上記目的が達成される。
【００１３】
同じく、ここで前記繊維材の体積含有率が１５％以上、３０％未満で、前記樹脂の体積含有率が６５％以上、８０％未満であり、且つ前記気泡の体積含有率が５％以上、１０％未満になるようにしても上記目的が達成できる。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、本発明による回転電機の固定子コイル用間隙材について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、図１は、本発明の一実施形態で、ここで７が間隙材であり、その他、図４で説明した従来技術と同一機能を有する部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。そして、この図１の実施形態においても、間隙材７の機能が、固定子コイル１とリング３の当りを和らげるための緩衝体にあることは、従来技術と同じである。
【００１５】
しかし、この図１における間隙材７は、まず高い弾性率を備えていて、コイルエンド部支持構造全体の剛性を上げた構造の採用に容易に対応することができ、且つ温度による硬化前の硬度変化が少なくて、組込み作業に適した硬度が容易に保てるものになっている点で、従来技術とは全く異なったものであり、以下、この点について詳細に説明する。
【００１６】
この実施形態における間隙材７は、例えばガラス、ポリエステル、アラミドなどの繊維材に、例えばエポキシ、ポリエステル、ポリイミドなどの合成樹脂を含浸して半硬化状にし、まず固定子コイル１同士間、及び固定子コイル１とリング３の間に、図１に示すように、厚みを調整し圧縮した状態で組込まれる。
【００１７】
その後、固定子コイル(コイルエンド)１を加熱処理して間隙材７を硬化させるのであるが、このとき、上記した圧縮量は、硬化後の間隙材７の弾性率に影響を与え、一般的に圧縮量が多いほど弾性率は高くなる。
【００１８】
ここで、本発明では、回転電機のコイルエンド支持構造全体としての剛性を上げた構造とした場合について、種々解析、実験を行ない、まず、間隙材７が所有すべき弾性率としては、０.８ＧＰａ以上が適していることを確認した。
【００１９】
そこで、この結果を踏まえ、所定の弾性率を得るための要件として、間隙材の材料構成(繊維、樹脂の含有率)に着目し、硬化後の間隙材について圧縮実験を行った結果、各々の材料構成について、以下の適合範囲を確認した。なお、ここでは、繊維にはポリエステルとアラミドを用いた。
【００２０】
まず、繊維量が少ない(含有率が低い)ときは柔らかくなり、従って接触面とのなじみ性は良いが、反面、所定の弾性率を得るためには、圧縮量を多くとる必要があり、このため、隙間寸法に対する見かけの厚み寸法が大になるため、作業性が悪くなり、且つ、間隙材が厚くなるので、間隙材を組込み後、圧縮した際、均一な圧縮力が伝わり難くなって、所定の均一な弾性率が得難くなってしまう。
【００２１】
一方、繊維量が多い(含有率が高い)と、少ない圧縮量で容易に所定の弾性率を得ることができるが、反面、樹脂の含浸が難しくなるため、樹脂の含浸量が不揃いとなって、加熱処理後の硬度が一定せず、所定の均一な弾性率が得難くなってしまう。
従って、繊維の含有量には適量範囲があることが分かった。
【００２２】
次に、前述の繊維含有率の間隙材に硬化用樹脂を含浸させ、適正な樹脂量を調査した。なお、ここではエポキシ樹脂を使用した。
【００２３】
そして、この結果、まず、樹脂量が少ない(含有率が低い)ときはべたつきが少なく作業性が良い。しかし含浸率のばらつきや接触面と均一になじまないといった問題があり、場所によっては所定の弾性率が得難くなる。
【００２４】
一方、樹脂量が多い(含有率が高い)と、含浸率のばらつきや接触面との均一ななじみ性は改善され、所定の弾性率も得られやすくなる反面、べたつきが多くなり、作業性は悪くなる。また繊維量が極端に多いと、樹脂が含浸しづらくなるため、全体としての所定の弾性率が得られ難くなる。
このため、樹脂の含有量も適量範囲があることが分かった。
【００２５】
以上の実験結果から、繊維量と樹脂量でサンプルを製作し、作業性検討のために半硬化状態で、温度を変化させたところ、周囲温度の低い条件で作業に適さない硬さとなり、所定の弾性率を得るための圧縮量確保が困難となることが分かった。
【００２６】
ここで、硬さと関係のある粘度について考えると、一般に樹脂単独では、未硬化時の粘度は温度の影響を強く受け、温度が下がった場合の粘度の上昇が抑えられないから、複合材料(ここでは未硬化状態の間隙材に相当する)としての粘度を低くする必要がある。
【００２７】
そして、この解決手段として、間隙材が半硬化状態で圧縮され、使用されるという点に着目し、このとき繊維と樹脂以外にも気泡が入っていれば圧縮され易くなるのではないかと考え、未硬化時の粘度を高めず、硬化後の弾性率を高く維持する方法として、気泡の導入に想到し、詳細な検討と実験を行った。
【００２８】
まず、弾性率の高い材料と低い材料を組合わせた複合材料(ここでは硬化後の間隙材に相当する)の圧縮弾性率Ｅｃは、一般に次の(1)式で近似できる。
Ｅｃ＝Ｅｈ×(１−Ｖ)＋Ｅｉ×Ｖ …………(1)
Ｅｈ：弾性率の高い材料(ここでは繊維と樹脂のこと)の圧縮弾性率
Ｅｉ：弾性率の低い材料(ここでは気泡のこと)の圧縮弾性率
Ｖ ：複合材料中で弾性率の低い材料(ここでは気泡のこと)が占める体積比率
この場合、当然、Ｅｈ≫Ｅｉとなるため、弾性率Ｅｃを高くするためには、体積比率Ｖを小さくした方が良いことが判る。
【００２９】
そして、これら圧縮弾性率Ｅｈ、Ｅｉを粘度ηｈ、ηｉに置換えてやれば、複合材料(ここでは半硬化状態の間隙材)の粘度ηｃも、同様に以下の(2)式で近似できる。
ηｃ＝ηｈ×(１−Ｖ)＋ηｉ×Ｖ …………(2)
ηｈ：粘度の高い材料(ここでは樹脂)の粘度
ηｉ：粘度の低い材料(ここでは気泡のこと)粘度
そこで、この場合は、ηｈ≫ηｉとなるので、粘度ηｃを低くするためには、体積比率Ｖを大きくした方が良いことが分かる。
【００３０】
そうすると、硬化後の間隙材の弾性率Ｅｃは、前述の(1)式で示したように、気泡の体積比率Ｖを小さくした方が高くなり、硬化前の半硬化状態の間隙材の粘度ηｃも、この(2)式に示されるように、体積比率Ｖを小さくすれば高くなる。従って、間隙材の未硬化時の粘度ηｃを高めず、硬化後の弾性率Ｅｃは高く維持するという両方の条件を満たす範囲が必然的に定まってくることになる。
【００３１】
以上の結果から、樹脂量が６５vol％以上、８０vol％未満で、且つ繊維量は１５vol％以上、３０vol％未満にし、ここで、気泡量を５vol％以上１０vol％未満としてやれば、間隙材７として、圧縮弾性率、作業性共に良好なものが得られることを確認した。
【００３２】
このときの良好な圧縮弾性率とは、コイルエンド部の支持構造全体の剛性を高めるという要求に充分に応えることができる高い圧縮弾性率(０.８ＧＰａ以上)のことであり、良好な作業性とは、通常の作業環境における低温時では、グリーンシート状態で多少曲げても折れることは無く、ある程度の柔軟性を備えている状態のことで、上記した粘度ηｃが所定値以下において得られる状態のことである。
【００３３】
ここで、このような構成に作られた間隙材７の一実施形態の外観は図２に示すようになり、その断面を模式的に表わすと図３に示すようになり、図１が、この間隙材７を用いて構成した回転電機の固定子コイル部分である。
【００３４】
従って、この図１の実施形態によれば、高い弾性率を備えた間隙材７により、コイルエンド部の支持構造全体の剛性を充分に上げることができ、この結果、回転電機のコンパクト化と高密度化要求に充分に応えることができる。
【００３５】
また、このとき、上記実施形態によれば、たとえ周囲温度が低い場合でも、硬化処理を施す前は、間隙材７には適度な柔軟性が保持され、従って、この実施形態によれば、所定の圧縮量を確保した状態での固定子コイルエンド部での組込み作業が容易に行なえ、この結果、高い作業性を得ることができる。
【００３６】
ここで、間隙材７の実際の製作にあたっては、例えば凹凸の多い面間に挿入する場合には、なじみ性を重視して、樹脂量は多く、繊維量は少なくしてやれば良く、反対に少ない圧縮量で高い弾性率を得たい場合には樹脂量を少なくし、繊維量は多くして製作するといった組合わせを、上記した構成範囲内で変化させると良い。
【００３７】
また、上記実施形態では、一例として、繊維材にはポリエステルやアラミドを用い、樹脂にはエポキシを使用した場合についてて説明したが、これらは他の材質としても良い。
また、この実施形態に係る間隙材７は、上記の図１に示した以外の部位に用いても良いことはいうまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、良好な作業性のもとで、回転電機のコンパクト化と高密度化要求に充分に応えることができ、この結果、高性能の回転電機のコスト低減に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態が適用された回転電機の固定子コイルエンド部の一例を示す説明図である。
【図２】本発明による回転電機の固定子コイルエンド用間隙材の一実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明による回転電機の固定子コイルエンド用間隙材の一実施形態を示す断面拡大図である。
【図４】回転電機の固定子コイルエンド部の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  固定子コイル(コイルエンド部)
２  固定子鉄心
３  支持リング
４  間隙材(従来技術によるもの)
５  リングサポ−ト
６  バンド(コイル緊縛用)
７  間隙材(本発明の一実施形態によるもの)
【図１】
0003795410.tif 000002
【図２】
0003795410.tif 000003
【図３】
0003795410.tif 000004
【図４】
0003795410.tif 000005