特許 7153437 回転電機

(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】

(24)【登録日】2022-10-05

(45)【発行日】2022-10-14

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/34 20060101AFI20221006BHJP

【ＦＩ】

H02K3/34 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017202556

(22)【出願日】2017-10-19

(65)【公開番号】P2019075951

(43)【公開日】2019-05-16

【審査請求日】2020-09-23

(73)【特許権者】

【識別番号】319007240

【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】吉武 勇一郎

(72)【発明者】

【氏名】木下 裕貴

(72)【発明者】

【氏名】丸山 正一

(72)【発明者】

【氏名】蛭田 直大

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 学

(72)【発明者】

【氏名】亀川 大輔

(72)【発明者】

【氏名】笠井 友樹

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２２０３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２２４７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０５７０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－００５７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１８６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０１５４５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転子と固定子を備え、前記固定子が、固定子コアと、前記固定子コアのスロット内に装着される固定子コイルにより構成される回転電機であって、
前記固定子コイルは、素線導体と該素線導体の表面に被覆した第１の絶縁体である素線絶縁から構成される絶縁素線を、巻き回して束ねて巻線束を形成し、該巻線束の周囲に第２の絶縁体である主絶縁を形成したものであり、
前記第１の絶縁体である素線絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、
前記第２の絶縁体である主絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、
前記第１の絶縁体である素線絶縁に絶縁性能が高い、マイカを含む絶縁体またはナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁体を用い、前記第２の絶縁体である主絶縁に前記第１の絶縁体より絶縁性能が低い、ガラス材を含む絶縁体を用いた回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機において、
前記第１の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれａ１(V/m)、ｂ１(m)とし、前記第２の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれａ２(V/m)、ｂ２(m)とした場合に、
ａ１×ｂ１＞ａ２×ｂ２ の関係を満たす回転電機。

【請求項3】

請求項１に記載の回転電機において、
絶縁素線間に素固め材を備える回転電機。

【請求項4】

請求項１に記載の回転電機において、
絶縁素線間に素固め材を備えることなく、隣接した絶縁素線が接触している回転電機。

【請求項5】

請求項１に記載の回転電機において、
定格電圧が１ｋV以上である回転電機。

【請求項6】

請求項１に記載の回転電機において、
前記回転電機は、車両用のモータである回転電機。

【請求項7】

回転子と固定子を備え、前記固定子が、固定子コアと、前記固定子コアのスロット内に装着される固定子コイルにより構成される回転電機であって、
前記固定子コイルは、素線導体の表面に素線絶縁を被覆して絶縁素線を形成し、該絶縁素線を巻き回して束ねて巻線束を形成し、該巻線束の周囲に主絶縁を形成したものであり、
前記素線絶縁は、絶縁性能が高いマイカテープを巻き回したものであり、
前記主絶縁は、安価なガラステープのみを巻き回したものである回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機、発電機、誘導機などの回転電機に関し、特に、部分放電が発生するような高電圧で駆動され、部分放電劣化に対して耐久性を有するマイカを絶縁物に含む回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

省エネ・省資源化・環境低負荷化などの観点から、回転電機の小型化および製造リードタイムの短縮が重要な課題の一つとして挙げられている。近年、回転電機の使用材料を削減すべく、回転電機の小型化技術の開発が盛んになっている。

【0003】

小型化技術の１手段として、放熱性向上のための絶縁薄肉化(もしくは簡略化)が重要となっている。また、製造ランニングコストの低減の観点から絶縁薄肉化が可能となれば、絶縁物をテーピングする工程を短縮することが可能となり、過剰な設備稼働を押さえることができる。

【0004】

しかし、絶縁薄肉化(もしくは簡略化)するということは、コイルとコアの間の電界が高くなり大きな電荷をもつ放電が生じてしまい、回転電機の信頼性を損なう恐れがある。そのため、絶縁薄肉化しつつ高い絶縁性を担保する必要がある。

【0005】

従来技術では、定格電圧が１ｋV程度の、例えば車両用の回転電機では、ガラス絶縁で被覆されたバー状の素線を複数本纏めて素固めし、絶縁素線の束の表層にマイカテープを巻き回す構成が主となっている（例えば特許文献１参照）。また、３ｋV以上の高圧一般産業用の回転電機では、マイカ絶縁で被覆された素線を複数本纏めた束の表層にマイカテープを巻き回す構成も採用されている（例えば特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平８－１９２０１号公報

【文献】特開昭６０－２００５１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

背景技術で述べたように、ここ近年において、回転電機の小型化・製造プロセスの簡易化は重要な課題となっているが、信頼性とのバランスを適正化する必要がある。その一方で、絶縁材料技術の進歩も著しい。

【0008】

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、機器の小型化、絶縁寿命の適正化と製造コストの低減を両立可能な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】

【0009】

本発明の「回転電機」の一例を挙げるならば、
回転子と固定子を備え、前記固定子が、固定子コアと、前記固定子コアのスロット内に装着される固定子コイルにより構成される回転電機であって、前記固定子コイルは、素線導体と該素線導体の表面に被覆した第１の絶縁体である素線絶縁から構成される絶縁素線を、巻き回して束ねて巻線束を形成し、該巻線束の周囲に第２の絶縁体である主絶縁を形成したものであり、前記第１の絶縁体である素線絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、前記第２の絶縁体である主絶縁が、テープ状の絶縁物を巻き回したものであり、前記第１の絶縁体である素線絶縁に絶縁性能が高い、マイカを含む絶縁体またはナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁体を用い、前記第２の絶縁体である主絶縁に前記第１の絶縁体より絶縁性能が低い、ガラス材を含む絶縁体を用いたものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、機器の小型化、絶縁寿命の適正化と製造コストの低減を両立可能な回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】固定子を含む回転電機の全体を示す断面図である。

【図2】実施例１の回転電機の固定子コイルの縦断面図である。

【図3】実施例２の回転電機の固定子コイルの縦断面図である。

【図4】実施例３の回転電機の固定子コイルの縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、回転電機の全体を示す回転軸（シャフト）方向の断面図であり、全実施例において共通するものである。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

【0013】

回転電機は、回転軸（シャフト）８に取り付けられて回転する回転子９と、回転子９の周りに配置された固定子２を備えている。

【0014】

固定子２は、固定子コア４と固定子コア４に装着された固定子コイル３とで構成される。固定子コア４は複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成され、この固定子コア４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のスロットが形成される。そして、これら複数のスロット内に固定子コイル３の直線部が装着される。さらに、図示していないが、固定子コア４の外径側を支持する固定子枠と、この固定子枠の軸方向両端部に固定される端板と、この端板に前記回転軸８を支える軸受を備えている。

【実施例1】

【0015】

以下、本発明の回転電機の第１の実施の形態を、図２に基づいて説明する。図２は、固定子コア４のスロット５内に装着された固定子コイル３の断面図を示している。

【0016】

固定子コイル３は、素線導体１０と、この素線導体１０の表面に形成された素線絶縁１１(第１の絶縁)からなる絶縁素線１５を巻き回して巻線束を形成し、その素線絶縁１１された巻線束の表面に主絶縁１２(第２の絶縁)を形成する。固定子コイル３は、図１に示すように、固定子コア４のスロット５内に装着される直線部３１と、スロット５外に張出したコイルエンド部３２から構成されている。

【0017】

固定子コイル３の製造は、先ず角面取りした矩形の銅導線（素線導体１０）に素線絶縁１１を巻きまわす。そして、その絶縁された絶縁素線１５を電気設計に応じた数に束ねる。後述の理由で、素線間には素固め材２０を介する。これらの素線束を主絶縁１２(第２の絶縁)で巻きまわした後に、固定子コイル３の全体をエポキシ樹脂で含浸して固着する。

【0018】

素線絶縁１１は、絶縁性能の高い、例えば、マイカテープを巻きまわして構成する。これは、コイル近傍においてはその幾何構造から角部や空隙部などで電界が集中しやすく放電が発生しやすいため、マイカなどの放電が発生しても絶縁劣化しにくい材料を適用する必要がある。

【0019】

図２に示すように、通常、隣接する絶縁コイルの間には素固め材２０を用いる。これは、コイル引き曲げ時においてコイルがばらばらになるのを防止するためである。

【0020】

スロット５内に固定子コイル３の直線部３１を装着する際、主絶縁１２を施した固定子コイル３を、スロット５の開口側に楔(図示しない)を嵌着してスロット５内に強固に支持する。

【0021】

第２の絶縁層である主絶縁１２については、素線絶縁１１よりも絶縁性が低い絶縁材を適用する。これは、第２の絶縁領域での電気的なストレスが、第１の絶縁である素線絶縁１１より電気的ストレスが低いためである。また、製造コストの観点からも、第２の絶縁である主絶縁１２は絶縁を施す領域がより大きいため、より簡素な安価な絶縁材を適用することが望ましい。

【0022】

主絶縁１２には、絶縁性能の低い、例えば、ガラステープなどを適用する。マイカ巻絶縁より絶縁性能が低くても、回転電機全体として絶縁試験を満足すれば問題ない。製造リードタイムが短くて済むものを優先することにより、製造原価を抑えることができる。

【0023】

従来構造では、部分放電が多発する第１の絶縁に対しポーラスなガラス絶縁を適用するため部分放電劣化が早くなるが、本実施例では第１の絶縁に部分放電耐性に優れたマイカ絶縁を使用するため、放電劣化を緩和することが可能になる。そして、第１の絶縁に絶縁性能の高い材料を使用することにより、第２の絶縁である主絶縁の厚みを薄くすることができ、絶縁物の総合的な厚みを薄くすることが可能となる。また、主絶縁の厚みを薄くすることにより、絶縁テープの巻き回し量が減り、製造リードタイムの短縮が可能となる。従来構造では、主絶縁にマイカテープを使用していたが、本実施例では主絶縁に比較的安価なガラス絶縁を使用するため、製造コストの低減が可能になる。

【0024】

本実施例によれば、素線絶縁に絶縁性能が高いマイカテープを用いることにより、コイル近傍の絶縁性を強化しつつ、製造リードタイムの短縮、機器の小型化が可能となり、主絶縁として安価なガラステープを用いることにより、製造コストの低減が可能となる。

【実施例2】

【0025】

以下、本発明の回転電機の第２の実施の形態を、図３に基づいて説明する。

【0026】

実施例１と同様に、第１の絶縁である素線絶縁１１は、第２の絶縁である主絶縁１２よりも絶縁性能に優れる絶縁材を適用する。例えば、実施例１と同様に、第１の素線絶縁１１にはマイカテープを適用し、第２の絶縁である主絶縁１２には、比較的安価なガラステープを適用する。ただし、実施例２では、実施例１で設けた絶縁素線１５の間の素固め材２０を用いない。

【0027】

これは、素固め材２０を設けるのは、コイル配置のバラつきが生じ、それにより発生する絶縁面での弱点(空隙やボイドなど)が発生するのを防止するためであるが、素線絶縁１１の強度が強いため多少のバラつきが発生しても問題無いためである。

【0028】

本実施例によれば、素固め材を設けないため、製造リードタイムの短縮や製造コストの低減が可能となる。

【実施例3】

【0029】

以下、本発明の回転電機の第３の実施の形態を、図４に基づいて説明する。

【0030】

本実施例は、インバータ駆動機におけるインバータサージに対応した絶縁適正化構成を備えるものである。インバータ（電力変換装置）では、高速スイッチングを行って矩形波を出力しており、その波形の急峻な立ち上がりによって、サージ電圧を発生する。インバータ駆動機においては、サージ電圧の分担電圧の大部分が過渡的に口出しに近い固定子コイルの第１ターンに掛かるため、ここの絶縁を強化する必要がある。

【0031】

インバータ駆動の回転電機において、固定子コイル３の口出しに近い第１ターンの素線絶縁１１１に最も絶縁性が優れた材料を適用する。その他のターンの素線絶縁１１には、第１ターンよりも絶縁性が同等もしくは低い絶縁材を適用する。例えば、低圧機に対して、第１ターンの素線絶縁１１１にのみマイカ巻絶縁を適用し、他の素線絶縁１１にはガラス巻絶縁を適用する。

【0032】

本実施例によれば、インバータ駆動の回転電機において、固定子コイルの口出しに近い第１ターンの素線絶縁に絶縁性が優れた材料を用いたので、サージ電圧に対応して絶縁性を強化することができる。また、その他のターンの素線絶縁に、第１ターンよりも絶縁性の低い材料を用いることにより、製造コストを抑えることができる。

【実施例4】

【0033】

素線絶縁１１に使用する、絶縁性能が高い材料としては、マイカ材料の他にも、ナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁材を使用しても良い。ナノ粒子もしくはサブナノ粒子をコンポジットした絶縁材は、ナノ粒子の微細構造により放電劣化パスを長くすることで、絶縁体の寿命を延ばすものである。

【実施例5】

【0034】

第１の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれａ１(V/m)、ｂ１(m)とし、第２の絶縁物の絶縁設計電界および厚みをそれぞれａ２(V/m)、ｂ２(m)とした絶縁設計について説明する。

【0035】

ここで、ａ１×ｂ１＞ａ２×ｂ２の関係を満たすように絶縁設計する場合、設計電界値は限界のある値であり、第１の絶縁物にかかる絶縁距離を大きく取ることになる。これにより、第１の絶縁物に生じうる局所的な電気的なストレスを低減することが可能になる。局所的なストレスは、コイル角Ｒやボイドや剥離によるものである。

【産業上の利用可能性】

【0036】

以上の各説明は、車両用、一般産業用の電動機や風力発電機などの回転電機を例として説明したが、その他の分野の電動機や発電機など、回転電機一般にも適用できるのは勿論である。

【符号の説明】

【0037】

２…固定子
３…固定子コイル
３１…直線部
３２…コイルエンド部
４…固定子コア
５…スロット
８…回転軸（シャフト）
９…回転子
１０…素線導体
１１…素線絶縁(第1の絶縁)
１２…主絶縁(第2の絶縁)
１５…絶縁素線
２０…素固め材
１１１…第１ターンの素線絶縁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】