特許第6830958号(P6830958)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6830958
(24)【登録日】2021年1月29日
(45)【発行日】2021年2月17日
(54)【発明の名称】絶縁構造製造方法
(51)【国際特許分類】
   H02K 3/30 20060101AFI20210208BHJP
   H02K 15/12 20060101ALI20210208BHJP
   H01B 19/00 20060101ALI20210208BHJP
   H01B 17/56 20060101ALI20210208BHJP
   H01B 17/60 20060101ALI20210208BHJP
   H01B 13/00 20060101ALI20210208BHJP
   H01B 13/26 20060101ALI20210208BHJP
   H01B 3/00 20060101ALI20210208BHJP
【FI】
   H02K3/30
   H02K15/12 D
   H01B19/00
   H01B17/56 A
   H01B17/60 B
   H01B19/00 321
   H01B13/00 517
   H01B13/26 Z
   H01B3/00 A
   H01B19/00 341
【請求項の数】5
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2018-524584(P2018-524584)
(86)(22)【出願日】2016年7月1日
(86)【国際出願番号】JP2016003163
(87)【国際公開番号】WO2018002971
(87)【国際公開日】20180104
【審査請求日】2019年6月18日
(73)【特許権者】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001092
【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】武良 光太郎
(72)【発明者】
【氏名】菊田 晋介
(72)【発明者】
【氏名】津田 敏宏
(72)【発明者】
【氏名】吉満 哲夫
【審査官】 尾家 英樹
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2016/104141(WO,A1)
【文献】 特開平10−174333(JP,A)
【文献】 国際公開第2015/053374(WO,A1)
【文献】 特開昭63−110929(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 3/30
H02K 15/12
H01B 13/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造の製造方法であって、
接合用高分子重合体に第1のナノ粒子を混練してナノ粒子入り接合用高分子重合体を製造する接合用高分子重合体製造ステップと、テープ状の主絶縁層とテープ状の繊維強化部を前記ナノ粒子入り接合用高分子重合体により接合させることにより前記第1のナノ粒子入りの主絶縁テープを製造する接合ステップと、を有するテープ製造ステップと、
前記主絶縁テープにより前記絶縁対象物の外側にテーピングして主絶縁部を形成するテーピングステップと、
前記テーピングステップ後に、テーピングされた前記絶縁対象物を真空引きする真空引きステップと、
前記真空引きステップの後に、前記主絶縁部に、含浸用高分子重合体を圧入して含浸させ前記接合用高分子重合体とともに高分子重合体部を形成する含浸ステップと、
を有することを特徴とする絶縁構造製造方法。
【請求項2】
前記絶縁対象物は回転電機の固定子巻線の積層導体であって、
前記テーピングステップの後であって、前記真空引きステップの前に、テーピングされた前記積層導体を固定子に組み込み、巻線組み込み一体物に組み立てる組み立てステップをさらに有し、
前記真空引きステップは、前記巻線組み込み一体物を真空引きすることにより、前記絶縁対象物としての前記テーピングされた前記積層導体を真空引きする、
ことを特徴とする請求項1に記載の絶縁構造製造方法。
【請求項3】
前記テーピングステップは、前記主絶縁テープの幅の半分ずつずらすハーフラップ方式により前記主絶縁テープを巻回することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁構造製造方法。
【請求項4】
前記含浸ステップで圧入する前記含浸用高分子重合体には第2のナノ粒子が混練されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の絶縁構造製造方法。
【請求項5】
前記第2のナノ粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、および窒化ホウ素の少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の絶縁構造製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、絶縁構造製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
絶縁体に電界が加わり、不平等電界部分が生じ、その部分の電界が絶縁強度限界電圧を超えると、その部分に局部破壊が生ずる。この局部破壊が樹枝状に進展すると電気トリーとなる。電気トリーは、電極と絶縁体との間のエア・ギャップや、異物、絶縁体中の異物・突起物・ボイドなど、高電界集中部が起点となると考えられている。
【0003】
近年、インバータの利用が進んでいるが、インバータ駆動電動機では、繰り返し、インバータサージを含むインパルス電圧が作用する状態で使用することにより、コイル導線の絶縁材料の寿命が大幅に低下する可能性がある。このため、たとえば、定格電圧3.3kV用のインバータ駆動電動機には、通常の定格電圧6.6kV用の絶縁を使用するような仕様とせざるを得ない等の状況が生じている。
【0004】
回転電機に使用される導電体の絶縁構造の例として、たとえばコイルの導線は、通常、絶縁材料を有する絶縁体で覆われている。ここで、比較的高温に達する導体については、比較的高温に耐える絶縁階級の高い絶縁材料としてケイ酸塩鉱物の一種であるマイカ(雲母)が用いられたマイカ絶縁構造の場合が多い。
【0005】
電気トリーが進展すれば、マイカ絶縁構造に破壊がもたらされる。マイカ絶縁構造の中において、電気トリーがどのように発生し、進展していくのかを把握することは、電気トリーの発生・進展を防止し、健全な回転電機を維持する上で、きわめて重要な事項である。
【0006】
このような絶縁材料の健全性については、たとえば、国際電気標準会議(IEC:International Electrotechinical Commission)による、事故防止のための新たな絶縁試験手法を規定した国際規格制定のための動きがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】米国特許出願公開第2015/0101845号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
たとえば、高圧型巻き電動機において、その絶縁寿命を大きく左右するのは、固定子鉄心の内部に配された主絶縁とターン絶縁である。これらには、いずれもマイカ絶縁構造が多用されている。
【0009】
また、主絶縁としてのマイカ絶縁構造では、マイカ絶縁テープをエポキシ樹脂で含浸することにより形成される場合が多い。マイカ絶縁テープは、マイカとエポキシガラス層で構成されている。このように構成されたマイカ絶縁テープを、コイル導体に巻回した上で、エポキシ樹脂で含浸することにより、マイカ絶縁構造による絶縁処理がなされる。
【0010】
このように構成されたマイカ絶縁構造における電気トリーのパスは、マイカ絶縁層を貫通するのではなく、マイカ絶縁層の外側のエポキシガラス層側に形成されることを、試験の結果から確認することができた。すなわち、主絶縁における弱点部分はエポキシガラス層であることが判明した。
【0011】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、絶縁構造における電気トリーの進展を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上述の目的を達成するため、本発明は、絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造の製造方法であって、絶縁対象物の外表面を覆う絶縁構造の製造方法であって、接合用高分子重合体に第1のナノ粒子を混練してナノ粒子入り接合用高分子重合体を製造する接合用高分子重合体製造ステップと、テープ状の主絶縁層とテープ状の繊維強化部を前記ナノ粒子入り接合用高分子重合体により接合させることにより前記第1のナノ粒子入りの主絶縁テープを製造する接合ステップと、を有するテープ製造ステップと、前記主絶縁テープにより前記絶縁対象物の外側にテーピングして主絶縁部を形成するテーピングステップと、前記テーピングステップ後に、テーピングされた前記絶縁対象物を真空引きする真空引きステップと、前記真空引きステップの後に、前記主絶縁部に、含浸用高分子重合体を圧入して含浸させ前記接合用高分子重合体とともに高分子重合体部を形成する含浸ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明は、絶縁構造における電気トリーの進展を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】第1の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。
図2】第1の実施形態に係る絶縁構造およびテープ巻き導体を説明する斜視図である。
図3】第1の実施形態に係る絶縁構造の主絶縁テープの構成を模式的に示す断面図である。
図4】第1の実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。
図5】第1の実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順の主絶縁テープの製造ステップの状態を示す斜視図である。
図6】実施形態に係る回転電機の巻線組み込み一体物の構成を示す縦断面図である。
図7】実施形態に係る絶縁構造製造方法における真空引きステップの状態を示す立断面図である。
図8】実施形態に係る絶縁構造製造方法における含浸用高分子重合体の圧入ステップの状態を示す立断面図である。
図9】第1の実施形態に係る絶縁構造の構成を模式的に示す断面図である。
図10】従来方式の絶縁構造における電気トリーの進展を模式的に示す断面図である。
図11】第1の実施形態に係る絶縁構造の効果を模式的に示す断面図である。
図12】第1の実施形態に係る絶縁構造の第1の試験体系を模式的に示す縦断面図である。
図13】第1の実施形態に係る絶縁構造の試験結果を模式的に示す針電極周辺の部分の詳細縦断面図である。
図14】第1の実施形態に係る絶縁構造の第2の試験体系を模式的に示す縦断面図である。
図15】第2の実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。
図16】第2の実施形態に係る絶縁構造製造方法におけるナノ粒子入り含浸用高分子重合体の圧入ステップの状態を示す立断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る絶縁構造製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【0018】
以下では、回転電機の固定子巻線導体に絶縁構造を適用した場合を例にとって説明するが、絶縁対象物は固定子巻線導体に限定されない。すなわち、導体の外表面を覆う絶縁構造であれば適用可能である。
【0019】
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。回転電機100は、回転子10、固定子20、これらの径方向外側を囲うフレーム6およびフレーム6の軸方向の両側に設けられた軸受ブラケット7を有する。
【0020】
回転子10は、長手方向に延びたロータシャフト11と、ロータシャフト11の径方向外側に設けられた回転子鉄心12を有する。ロータシャフト11は、両端付近をそれぞれ軸受5によって回転可能に軸支されている。軸受5は、それぞれ軸受ブラケット7により固定支持されている。
【0021】
固定子20は、回転子鉄心12の径方向外側に間隙をあけて配された固定子鉄心21と、固定子鉄心21内を貫通する固定子巻線22を有する。
【0022】
固定子鉄心21の内面に沿って、互いに周方向に間隔をあけて軸方向の両端まで複数の固定子スロット(図示せず)が形成されている。固定子スロット内には、固定子巻線22用の導体24(図2)が配されている。
【0023】
図2は、第1の実施形態に係る絶縁構造およびテープ巻き導体を説明する斜視図である。
【0024】
固定子巻線22を構成する複数の固定子巻線導体24は、7体が積層され、それが2列に並んで、14体で積層導体23を形成している。なお、積層数が7体、列数が2列は例であり、これらに限定されず、7体以外、1列あるいは3列以上でもよい。それぞれの固定子巻線導体24には、その外側にターン絶縁25が施され、ターン絶縁25により覆われている。したがって、積層導体23の外面もターン絶縁25により覆われている。
【0025】
ターン絶縁25が施された積層導体23の外側には、主絶縁として主絶縁テープ40が巻回され、積層導体23の外側に主絶縁部49が形成されて、テープ巻き導体50となる。
【0026】
ここで、主絶縁テープ40の幅をWとする。主絶縁テープ40は、積層導体23の長手方向に見てらせん状に巻回されている。この際の巻回方式は、ハーフラップ方式である。すなわち、たとえば、主絶縁テープ40の幅Wの半分のW/2である。すなわち、前回のターンで巻かれた主絶縁テープ40と半分重なるようにして巻かれる。なお、巻回方式は、ハーフラップ方式に限らない。たとえば、重ね合わせの幅を変更してもよい。また、重ね合わせることなく、隣接して隙間なく巻回する方式でもよい。この場合は、2回目の巻回は、たとえば、主絶縁テープ40の幅の半分だけ長手方向にずらせるようにして巻回する。
【0027】
一通り積層導体23の長手方向に巻回されると、さらのその上から2回目の巻回がなされ、主絶縁テープ40は、層状をなす。なお、主絶縁テープ40の巻回は2回に限らない。たとえば、3回以上でもよいし、1回でもよく、必要な絶縁性能により選択される。
【0028】
なお、固定子巻線導体24のそれぞれには、個別の絶縁処理が施され、その上から、マイカ絶縁処理を行う場合もある。
【0029】
図3は、第1の実施形態に係る絶縁構造の主絶縁テープの構成を模式的に示す断面図である。絶縁構造30を構成する主絶縁テープ40は、主絶縁層41、繊維強化部42、および、繊維強化部42に浸透し、繊維強化部42と主絶縁層41とを接合させるナノ粒子入り接合用高分子重合体43を有する。主絶縁層41は、基本的に絶縁機能を担う部分である。また、繊維強化部42は、主絶縁層41に沿って主絶縁層41を支持することにより主絶縁テープ40としての強度を確保する機能を有する部分である。
【0030】
ここで、主絶縁層41の材質は、たとえば、マイカ、石綿、あるいは磁器などである。また、繊維強化部42の材料は、たとえば、ガラス繊維などであり、通常は、網目状に編み込まれている。また、接合用高分子重合体43は、たとえば、不飽和ポリエステル樹脂、あるいはエポキシ樹脂などである。
【0031】
主絶縁層41の厚みは、たとえば100μm程度である。また、繊維強化部42の厚みは、これより薄くたとえば30μm程度である。図3において、主絶縁テープ40の構成部分として繊維強化部42、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43および主絶縁層41を図示したが、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43については繊維強化部42に浸み込むとともに、主絶縁層41と繊維強化部42を接合する役割を有する。このため、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43のみの部分の厚みは殆どなく、主絶縁層41と繊維強化部42は通常は互いに殆ど接している状態である。
【0032】
ナノ粒子入り接合用高分子重合体43には、ナノ粒子が混練されている。ナノ粒子は、たとえば、二酸化ケイ素(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化マグネシウム(MgO)、窒化ホウ素(BN)、カーボンナノチューブ(CNT)などを用いることができる。
【0033】
ナノ粒子は、一般的に、粒径が数100nm程度のものまでを含むといわれている。本実施形態で用いるナノ粒子は、100nm以下の粒径のもの、すなわち数十nm程度のものとする。100nmを超えて数百nm程度のものを用いた場合、以下に示すような効果は期待できないと考えられる。
【0034】
100nm以下の粒径のものの製法としては、化学的に、より微細なものから成長させて製造する方法がある。あるいは、100nmより大きな粒径のものを粉砕して100nm以下のものを製造してもよい。また、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43内での凝集を防止するために、表面修飾を行ってもよい。
【0035】
以下の説明においては、100nm以下のものをナノ粒子と呼ぶこととする。
【0036】
主絶縁テープ40は、主絶縁層41側を絶縁対象物側、繊維強化部42を外側にして巻回される。
【0037】
図4は、第1の実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。
【0038】
まず、主絶縁テープ40を製造する(ステップS10)。詳細には、先ず、接合用高分子重合体にナノ粒子を混練する(ステップS11)。すなわち、接合用高分子重合体にナノ粒子を混練して、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43を準備する。
【0039】
図5は、主絶縁テープの製造ステップの状態を示す斜視図である。主絶縁層41と繊維強化部42とをナノ粒子入り接合用高分子重合体43で接合する(ステップS12)ステップの状態を示している。
【0040】
テープ状の主絶縁層41を上側に、また、テープ状の繊維強化部42を下側にして、それぞれ供給し、下側のローラ55aおよび上側のローラ55bでこれらを挟んで重ね合わせる。
【0041】
上部が開放された接合用剤容器56内には、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43が貯留されている。下側のローラ55aは、その下部が接合用剤容器56内のナノ粒子入り接合用高分子重合体43内に浸漬している。下側のローラ55aが回転すると、ローラ55aの表面にナノ粒子入り接合用高分子重合体43が付着し、付着したナノ粒子入り接合用高分子重合体43は、上側のローラ55bと対向する位置で、その一部が、繊維強化部42に移動する。
【0042】
したがって、繊維強化部42の下側から塗布されたナノ粒子入り接合用高分子重合体43は、繊維強化部42内に浸透し、主絶縁層41に到達する。主絶縁層41に到達したナノ粒子入り接合用高分子重合体43は、繊維強化部42と主絶縁層41とを接合させる。
【0043】
次に、主絶縁テープ40により、積層導体23の周囲にテーピングを施す(ステップS21)。この結果、テープ巻き導体50が形成される。
【0044】
次に、積層導体23を固定子鉄心21に組み込み、巻線組み込み一体物に組み立てる(ステップS22)。図6は、巻線組み込み一体物の構成を示す縦断面図である。巻線組み込み一体物90は、固定子鉄心21、固定子巻線22およびこれらの径方向外側に配されたフレーム6を有する。
【0045】
固定子巻線22は、テープ巻き導体50(図2)を、複数のスロット(図示せず)内に収納した上で結線することにより形成される。スロットは、固定子鉄心21の内側表面に周方向に間隔をもって固定子鉄心21の軸方向の両端まで延びるように形成される。
【0046】
次に、巻線組み込み一体物90の真空引きを行う(ステップS23)。図7は、真空引きステップの状態を示す立断面図である。具体的には、まず、巻線組み込み一体物90を、含浸装置60の含浸用容器61内に収納する。なお、巻線組み込み一体物90の出し入れは、たとえば、含浸用容器61が上下に分割可能で図示しないフランジで上下を結合させるような構成とする。
【0047】
高分子重合体供給配管63上の高分子重合体供給弁63aおよび真空排気配管62上の真空排気弁62aを閉じて、含浸用容器61を密閉状態とした後に、たとえば、真空ポンプ(図示せず)に接続された真空排気配管62上の真空排気弁62aを開き、含浸用容器61内を真空引きする。この結果、含浸用容器61内に収納された巻線組み込み一体物90内のテープ巻き導体50の主絶縁テープ40内の各空間部も真空引きされる。
【0048】
次に、含浸用高分子重合体44を圧入する(含浸ステップS24)。図8は、含浸用高分子重合体の圧入ステップの状態を示す立断面図である。具体的には、ステップS23で含浸用容器61内が真空引きされた後に、真空排気配管62上の真空排気弁62aを閉じて、高分子重合体供給配管63上の高分子重合体供給弁63aを開き、含浸用高分子重合体44を含浸用容器内に供給する。含浸用高分子重合体44の供給は、巻線組み込み一体物90内が含浸用高分子重合体44に十分に浸漬するまで行う。
【0049】
巻線組み込み一体物90が含浸用高分子重合体44に十分に浸漬する状態となったら、高分子重合体供給配管63から加圧ガス65を含浸用容器61内に供給し、含浸用容器61内を加圧する。ここで、加圧ガス65は、含浸用高分子重合体44と反応性のないたとえば不活性ガスなどを用いる。
【0050】
この結果、主絶縁テープ40が含浸用高分子重合体44を含浸し、高分子重合体部45(図9)を形成する状態となる。含浸用高分子重合体44が、主絶縁テープ40内に浸透すると、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43に至り、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43が溶解し、溶解したナノ粒子入り接合用高分子重合体43と含浸用高分子重合体44が混合する。この結果、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43内のナノ粒子は、最も濃度の高い繊維強化部42を中心に、分散して、主絶縁テープ40の高分子重合体部45内の全体に広がる。
【0051】
次に、含浸用高分子重合体44の固化を行う(ステップS25)。具体的には、巻線組み込み一体物90を含浸用容器61から取り出し、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43を主に含む高分子重合体部45(図9)を固化させる。なお、高分子重合体がエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の場合は、加熱等により硬化させる。また、高分子重合体が熱可塑性樹脂の場合は冷却し固化させる。
【0052】
図9は、第1の実施形態に係る絶縁構造の構成を模式的に示す断面図である。絶縁対象物である積層導体23の長手方向に沿った断面を示している。図9は、主絶縁テープ40の巻回が2回なされ、第1回目の巻回によるテーピング層Aと、第2回目の巻回によるテーピング層Bと、2つの層が形成されている場合を示す。
【0053】
絶縁構造30は、主絶縁テープ40(図3)の主絶縁部分である主絶縁層41と、繊維強化部42(図3)と、高分子重合体部45を有する。ここで、高分子重合体部45は、繊維強化部42内および繊維強化部42と主絶縁層41との間に存在していたナノ粒子入り接合用高分子重合体43に含浸用高分子重合体44が浸透して形成されたものである。また、主絶縁層41の外側にも、含浸処理の際に付着した含浸用高分子重合体44により、高分子重合体部45が形成されており、繊維強化部42の内部のみならず、主絶縁層41の周囲には、図9に示すように高分子重合体部45が形成されている。
【0054】
なお、図9ないし図13においては、繊維強化部42に入り込んで形成された高分子重合体部45を強調するために、主絶縁層41の厚さを極端に薄く表示し、また、繊維強化部42の表示を省略している。
【0055】
テーピング層Aおよびテーピング層Bのそれぞれにおいては、積層導体23の長手方向に互いに隣接する主絶縁層41同士は、幅の半分ずつ、互いに重なり合っている。これは、前述した主絶縁テープ40の巻き方による結果である。
【0056】
主絶縁層41の周囲の高分子重合体部45には、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43に含まれていたナノ粒子48が散在した状態となっている。
【0057】
図10は、従来方式の絶縁構造における電気トリーの進展を模式的に示す断面図である。太い矢印付の曲線は、電気トリーの進展パスを模式的に示したものである。高分子重合体部45aはナノ粒子を含んでいない。積層導体23から発した電気トリーは、主絶縁層41の間の高分子重合体部45aをほぼ最短ルートで抜けながら、表面に到達する。
【0058】
図11は、第1の実施形態に係る絶縁構造の効果を模式的に示す断面図である。本実施形態による絶縁構造30においては、主絶縁層41間の高分子重合体部45にナノ粒子48が散在している。このため、ナノ粒子48が無い場合に電気トリーが最短ルートで進展するのとは様相が異なり、ナノ粒子48の存在によって方向を変えながら進展する。この結果、ナノ粒子48が無い場合に比べて進展速度が大幅に低下する。あるいは、途中でその進展が停止する。
【0059】
ナノ粒子の存在下での電気トリーの進展の様子を確認する試験を行った。以下にこの試験の結果を説明する。
【0060】
図12は、第1の実施形態に係る絶縁構造の第1の試験体系を模式的に示す縦断面図である。第1の試験体70は、複数のマイカテープを積層した状態を模擬している。したがって、主絶縁層41の材質はマイカ、繊維強化部42はガラス繊維、高分子重合体部45の材質はエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は、ナノ粒子を含まない。
【0061】
複数の主絶縁層41が互いにほぼ平行に積層されている。互いに隣接する主絶縁層41の間には、繊維強化部42と高分子重合体部45が配されている。
【0062】
主絶縁層41の厚みは、1層当たり100〜140μmであり、繊維強化部42と高分子重合体部45の層の厚みは、1層当たり10〜40μmであった。但し、図12および図13では、前述のように、繊維強化部42に入り込んで形成された高分子重合体部45を強調するために、主絶縁層41の厚さを極端に薄く表示し、また、繊維強化部42の表示を省略している。
【0063】
第1の試験体70の平面的にほぼ中央の位置に針電極71を差し込んだ第1の試験体系を設定した。この体系で、針電極71と接地板72との間に50Hzの交流電圧を印加し、部分放電開始電圧を測定した。部分放電開始電圧を検出した後に、サンプルが絶縁破壊するまで、600V/secの昇圧速度で印加電圧を上昇させた。
【0064】
図13は、第1の実施形態に係る絶縁構造の試験結果を模式的に示す針電極周辺の部分の詳細縦断面図である。試験の結果、電気トリー75は、図13に破線矢印で示すように、上下に互いに隣接する主絶縁層41の間を縫って主絶縁層41の広がる方向に進展している。また、電気トリー75は、電界強度の最も高い針電極71の先端部分71aではなく、先端部分71aを少し外れた位置(図13の先端部分71aより少し根本側の部分)から発している。電気トリー75は、主絶縁層41の広がる方向に、広がりをもって進展している。
【0065】
以上の第1の試験体70を用いた第1の試験体系での試験の結果、互いに隣接した主絶縁層41の間の繊維強化部42中の樹脂部分が弱いということが確認できた。
【0066】
図14は、第1の実施形態に係る絶縁構造の第2の試験体系を模式的に示す縦断面図である。第1の試験体系での試験結果を受けて、互いに隣接したマイカ層の間のガラスクロス部に針電極を挿入して、高分子重合体部45にナノ粒子が存在しない場合と、ナノ粒子が存在する場合について、それぞれ試験を行った。
【0067】
第2の試験体70aは、第1の試験体70と同様に複数のマイカテープを積層した状態を模擬している。したがって、主絶縁層41の材質はマイカ、繊維強化部42はガラス繊維、高分子重合体部45の材質はエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は、ナノ粒子を含む場合と、含まない場合とがある。
【0068】
複数の主絶縁層41が互いにほぼ平行に積層されている。互いに隣接する主絶縁層41の間には、繊維強化部42と高分子重合体部45が配されている。主絶縁層41および繊維強化部42が延びた端部に接地板72が設けられている。針電極71は、互いに隣接する主絶縁層41に挟まれた繊維強化部42と高分子重合体部45の領域に挿入されている。接地板の幅Wは約4mm、奥行きは約25mm、針電極71と接地板72との間隔Dは約3mmの体系で試験を行った。
【0069】
試験は、電圧を、1kVから1kVずつ15kVまで上昇した後に、15kVの状態を保った場合の絶縁破壊に至るまでの時間を、高分子重合体部45にナノ粒子が存在しない場合と存在する場合とを比較した。試験結果では、たとえば、ナノ粒子が存在しない場合は約1.9時間であったのに対して、ナノ粒子が存在する場合は3週間以上であった。この場合、ナノ粒子の平均粒径は10ないし20nm、ナノ粒子の混在率は10wt%であった。
【0070】
以上のように、高分子重合体部45にナノ粒子を混在させた場合は、電気的な絶縁寿命が大幅に増加する。
【0071】
また、高分子重合体部45にナノ粒子を混在させた場合は、熱伝導率が上昇すること、および機械的強度が高くなることが知られている。
【0072】
たとえば、熱伝導率は、高分子重合体部45にナノ粒子が混在していない場合には、たとえば、0.25W/m・K程度であったものが、たとえば、0.40W/m・K程度まで上昇する。この結果、放熱効果をより大きくできることから電流をより流すことができるため、収納出力、すなわち単位体積当たりの出力を高めることができる。
【0073】
また、機械的強度が高くなることにより、従来は巻線の固定作業に仮の補強等を要していたものが簡素化され、組立作業の効率化を図ることができる。更にまた、高分子重合体にナノ粒子を混合した場合、その組み合わせによっては高分子重合体の粘度が上昇したり、あるいは高分子重合体の可使寿命が短くなる場合があるが、これらを排除しながらかつナノ粒子の効果を発揮させることが可能である。
【0074】
以上のように、本実施形態によれば、絶縁構造における電気トリーの進展を抑制することができ、さらに収納出力の向上、組立作業の効率化を図ることができる。また、たとえば、含浸の場合だとナノ粒子を浸透させることが難しい高濃度の場合を含めて、ナノ粒子入り高分子重合体を直接付着させる方式であるため、任意の濃度のナノ粒子を付与することが可能である。
【0075】
[第2の実施形態]
図15は、第2の実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態で、第1の実施形態における含浸用高分子重合体を圧入するステップS24に代えて、ナノ粒子を混練したナノ粒子入り含浸用高分子重合体を圧入する(ステップS31)。その他については、第1の実施形態と同様である。
【0076】
図16は、第2の実施形態に係る絶縁構造製造方法におけるナノ粒子入り含浸用高分子重合体の圧入ステップの状態を示す立断面図である。含浸装置60の含浸用容器61内を真空にしたステップS23の後に、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体47に巻線組み込み一体物90を浸漬させる。この場合、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体47中のナノ粒子の濃度は、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43中のナノ粒子の濃度とは異なる濃度でよく、両者の濃度の組合せにより、最適のナノ粒子の濃度分布を得ることができる。
【0077】
この後に、含浸用容器61内を加圧し、ナノ粒子入り含浸用高分子重合体47を巻線組み込み一体物90内のテープ巻き導体50に圧入する。
【0078】
このようにすることにより、ナノ粒子が、ナノ粒子入り接合用高分子重合体43のみでなく、含浸用高分子重合体47にも含まれるため、広い範囲で、ナノ粒子の散在状態を確保することができる。この結果、第1の実施形態の効果をさらに確実にすることができる。
【0079】
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、主絶縁の巻回がハーフラップ方式の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、長手方向に主絶縁テープの端部同士が隣接するような巻回方式であってもよい。
【0080】
さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【0081】
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0082】
5…軸受、6…フレーム、7…軸受ブラケット、10…回転子、11…ロータシャフト、12…回転子鉄心、20…固定子、21…固定子鉄心、22…固定子巻線、23…積層導体、24…固定子巻線導体、25…ターン絶縁、30…絶縁構造、40…主絶縁テープ、41…主絶縁層、42…繊維強化部、43…ナノ粒子入り接合用高分子重合体、44…含浸用高分子重合体、45、45a…高分子重合体部、47…ナノ粒子入り含浸用高分子重合体、48…ナノ粒子、49…主絶縁部、50…テープ巻き導体、55a、55b…ローラ、56…接合用剤容器、60…含浸装置、61…含浸用容器、62…真空排気配管、62a…真空排気弁、63…高分子重合体供給配管、63a…高分子重合体供給弁、65…加圧ガス、70…第1の試験体、70a…第2の試験体、71…針電極、71a…先端部分、72…接地板、75…電気トリー、90…鉄心巻線一体物、100…回転電機
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16