JP2000510316A - 大型電気機械の導体巻線構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、支持体（２）と少なくとも１つの巻線要素（３）とを備えた大型電気機械のための、充填材で含浸される導体巻線構造に関する。巻線要素（３）は支持体（２）のスロット（４）に装着され、少なくとも１つの電気導体（５）を備えている。この電気導体（５）は絶縁物（６）によっで包囲され、この絶縁物自体は第一の保護層（７）で取り巻かれ、この保護層はまた第二の保護層（８）で取り巻かれている。保護層（７、８）は、保護層（７、８）相互の殆ど自由な可動性を保証する表面（９、１０）で互いに接している。

Description

【発明の詳細な説明】 大型電気機械の導体巻線構造 この発明は、支持体と、少なくとも１つの巻線要素とを備え、この巻線要素が 少なくとも１つの電気導体を含み、この電気導体が絶縁物によって包囲され、こ の絶縁物自体は保護層によって取り囲まれている、充填材で含浸される大型電気 機械の導体巻線構造に関する。 ＰＣＴ出願公開ＷＯ９１／０１０５９及びＷＯ９３／０６６４６には、それぞ れ、強磁性及び導電性の支持体と巻線要素とを備え、特に約２０ＭＶＡ以上の電 力入力又は出力を持つ大型電気機械において使用されるための大型電気機械の導 体巻線構造が記載されている。このような構造において存在する巻線要素は、少 なくとも１つの良導電性の金属電線或いは金属バー、特にこのような金属バーを 多数備えた基本体を持っている。この基本体は絶縁物によって取り囲まれ、この 絶縁物は半導電性の保護層によって包囲されている。この絶縁物は充填材で含浸 される或いは含浸された、マイカを含む材料からなり、これは、通常、基本体に 巻かれた、微粉マイカを基材とするテープである。充填材としては合成樹脂、特 に熱硬化性エポキシ樹脂系、例えばエポキシ樹脂と無水酸とからなる熱硬化性混 合物が使用される。巻線要素の基本体は棒状、特に折れ曲がった端部を備えたほ ぼ直線状であり、かつ巻回された電線からなる型巻コイルとして構成されている 。いわゆる全含浸工程中において、先ず支持体は、未含浸の含浸可能な絶縁物で 巻回されている巻線要素と共に、前もって充填材を含浸することなく完全に組立 られ、次いで全体が含浸される。このために、圧力下で行われる含浸の際にこの 構造の中に残っているいかなる空隙も充填する液状の充填材が使用される。この 硬化が行われた後は導体巻線構造は一体のコンパクトな固体である。全含浸され た導体巻線構造により優れた電気的特性、特に誘電体の高い品質が保証される。 さらに、硬化した充填材は巻線要素をスロットに固定するのに貢献するので、ス ロットの閉塞手段に対する要求が場合によっては著しく削減されている。 支持体のスロットに装着された含浸された巻線要素において、既に充填材で含 浸し、それに続いて充填材を硬化させるのに際して並びに大型電気機械における その後の運転に際して通常の周囲温度の間の温度変化そして明らかに１００℃以 上の温度変化が発生することは、上述の文献により公知である。支持体と充填材 との互いに異なる熱膨張率に基づいて亀裂の形成に繋がる熱応力が発生すること がある。このような亀裂或いは間隙によって、一方では巻線全体の強度が損なわ れ、他方では間隙において大型電気機械の運転中にコロナ放電が発生し、これに より誘電体の品質が低下するだけでなく、時間の経過と共に絶縁物の損傷にも繋 がることがある。このような損傷を阻止するために、ＰＣＴ特許出願公開ＷＯ９ １／０１０５９においては絶縁物を包囲している弱導電性の保護層と、他の半導 電性の保護層との間に隔離層を挿入し、これにより充填材に起因する両弱導電性 保護層の接着を減少させることが提案されている。この隔離層は一方の或いは他 方の弱導電性の保護層の材料と一致させることができる。隔離層は、充填材によ っては濡れない隔離剤を含んでいる。充填材として合成樹脂が使用される場合に は、隔離剤は油状の或いは油脂状の物質、ポリテトラフルオロエチレン、シリコ ーンゴム等である。この隔離剤はこの場合適当な担体、特に繊維或いは箔に混ぜ られ、その場合箔は適当な付加物によって電気的に半導電性にされる。この隔離 層を２つの半導電性層の間に挿入することによって電気的に遮蔽された帯域がで きるが、その強度はスロットに装着された巻線要素の他の帯域に比較して減少し ている。例えば熱膨張や熱収縮プロセスによって生ずる充填材の亀裂は特にこの 強度の減少した帯域に発生する。意識的に亀裂形成になり易い帯域（設定破壊個 所）が定められ、そこには著しい電位低下が起きないので、この亀裂での火花の 発生は殆ど排除され、この構造の電気的品質の低下が回避される。 ドイツ特詐出願公開第４２１９０６４号公報には電気機械の固定子巻線のため のコロナ防止構造が記載されている。このコロナ防止構造はその場合互いに重な る２つの導電性層からなり、主絶縁に面する第一の層は含浸樹脂によって完全に 含浸され、この主絶縁に良好に接着している。これに対して、第二の層は第一の 層にもスロットの壁にも接着しないように、含浸樹脂を拒否する手段で処理され ている。これにより互いに平行な２つの導電性層が形成され、それらの間には場 合によってはあり得る分離が熱膨張の結果として生ずることがある。 ドイツ特許出願公開第３６３６００８号公報には、全含浸技術で作られ、相互 に絶縁された部分導体を巻線バー導体に纏めた固定子巻線を備えた電気機械が記 載されている。これらの部分導体は主絶縁によって取り巻かれて固定子積層鉄心 のスロットに配置され、スロットの楔より半径方向に固定されている。巻線バー 導体の半径方向への動きは、このスロット楔が含浸樹脂により固定子積層鉄心に 固く接着されていることにより阻止されている。これにより、ドイツ特許出願公 開第３６３６００８号公報の基礎とされる問題、即ち電気巻線の加熱及び冷却の 際に主絶縁と固定子鉄板との間に大きな伸びの差が発生し、これが接着部におい ては吸収されず、その結果局部的な亀裂或いは弛みが発生するという問題が解決 される。高い機械出力の場合、その上、主として半径方向に作用する電流力が導 体や積層鉄心スロットに発生し、これらが最初に弛んだ後２倍の電源周波数で振 動する。この結果主絶縁の機械的な損傷、最後には電気機械の故障が発生するこ とがある。巻線バー導体は、全含浸中に浸入した含浸樹脂の含浸及び硬化の後主 絶縁との接着結合を持たない滑り層で全面が包囲されている。この滑り層は、滑 り層の必要な導電性を得るために導電性充填材、例えば黒鉛粉末を含む樹脂で含 浸されているテープ状或いはレーン状のフリース或いは織布からなる。コロナ放 電は、必要に応じて設けられ、回りに滑り層を配置されている外部もしくはスロ ットコロナ防止構造体によって阻止される。滑り層の導電性は、表面抵抗が面単 位当たり１キロオーム乃至２５キロオームの大きさで得られるようにされている 。この滑り層は、導電性充填材を混ぜたシリコーン樹脂で含浸されているガラス 繊維フリース或いは織布から作られている。 含浸樹脂はエポキシ或いはポリエステル樹脂から作られでいるので、滑り層の 異なる含浸基材により主絶縁との接着が回避される。滑り層と主絶縁との間の接 着が行われないことにより巻線バー導体は軸線方向にスロット内を自由に伸びる ことができる。 この発明の課題は、少なくとも１つの電気導体を備え、この導体を導体巻線構 造の修理の際簡単に取り出すことのできる巻線要素を備えた大型電気機械の導体 巻線構造を提供することにある。 この発明によれば、この課題は、導体巻線構造において、電気導体が絶縁物に 包囲され、この絶縁物自体が第一の保護層で取り巻かれ、さらにこの保護層が第 二の保護層で取り巻かれ、これらの保護層の互いに向かい合う表面が、実質的に 接着することなく、即ち小さい摩擦抵抗で互いに接する非接着面として形成され ていることにより解決される。この絶縁物は高圧絶縁物とすることができる。 導体巻線構造を充填材で完全に含浸した場合にも与えられている、表面相互の 接着が僅かなことにより、電気導体は絶縁物とこれを取り巻く保護層と共に容易 に導体巻線構造から、特に修理の場合、取り出すことができる。巻回された電気 導体は、特に、互いに接する両非接着面間の摩擦抵抗が非常に小さく、数メート ルの長さを持つ電気導体においてさへ保護層間の接着及び滑り摩擦が充分に小さ いので、容易に導体巻線構造から取り出すことができる。従来の技術による隔離 層並びに滑り層は、これに対して、常に摩擦抵抗の高い面に隣接し、かつ少なく とも部分的にこのような面に接着しており、これにより電気導体を取り出すため に必要な引っ張り力は非常に大きい。さらに、保護層は公知の保護層、特に外部 コロナ防止構造体よりも薄い層厚を持っているので、これにより保護層を通して の熱伝達が保証されて有利である。これにより、公知の支持体のスロットと同じ 幅でも絶縁物、特に高圧絶縁物の構成をより大きな層厚とすることができるので 、より改善された熱伝達性能の絶縁物を使用することができる。このために例え ば熱伝導性の微粉マイカガラス繊維テープからなる絶縁物が適している。 特に、両保護層はそれぞれ弱導電性であり、絶縁物に対する外部コロナ防止構 造体を形成するのがよい。弱導電性とは、この関連においては、各保護層の表面 比抵抗が２キロオームと１００キロオームとの間、好ましく、は、５０キロオー ムと３０キロオームとの間の範囲であることを意昧する。これにより充分な電位 制御ができかつコロナ放電の発生が回避される。 各保護層は特に５０μｍ〜１５０μｍの層厚、特に１００μｍの層厚を持つの がよい。これにより保護層により形成される外部コロナ防止構造体の全体の層厚 は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍに減少する。このような薄い層厚により電気導体、特 に銅製のバー状中実導体と、積層鉄心からなる支持体との間の良好な熱伝達が得 られる。これにより導体巻線構造の熱負荷が減少し、寿命の延長に寄与すること ができる。 第一の保護層は、特に、１葉のテープ或いは絶縁物の回りに１層に巻いている る数葉のテープからなるのがよい。このテープは特に含浸性のフリースを備え、 非接着面を形成するために適当な非接着性の材料で被層或いは含浸されている。 これにより１８０℃以上までの保護層の耐熱性が得られ、これによりそれで形成 される導体巻線構造がガス冷却、特に空気或いは水素ガスによって冷却される、 ４００ＭＶＡ以上の出力を持つタービン発電機に対してさへ適している。テープ の非接着面は特に、より大きい摩擦係数を持つ接着面に対向しているのがよい。 それ故、電気導体を導体巻線構造から取り出す際に、第二の保護層が確実にスロ ットに残り、一方第一の保護層は電気導体と共に殆ど摩擦なしに導体巻線構造か ら取り出される。特に弱導電性のテープは、好ましくは、半分重なるように絶縁 物に巻かれる。テープ自体が部分的にのみ重なることによりこのテープはその接 着面にわたって絶縁物と常に摩擦接触をしている。これによりテープは絶縁物に 対して殆ど動くことがないので、このテープ自体は電気導体を取り出す際に絶縁 物の回りに残っている。 テープと絶縁物との付加的な固定は、少なくとも接着面が、保護層の大部分で ないとしても、導体巻線構造に含浸される充填材によって絶縁物と接着性となる ことによって得られる。充填材は特にエポキシ樹脂がよい。なお、充填材として は、特に全含浸のために必要な粘性、それに対応した熱機械的長時間耐性及び適 当な電気的絶縁性を持つ全ての適当な材料を使用することができることは明らか である。 第二の保護層は好ましくは同様に第一の保護層に巻かれているテープである。 このテープは、既に第一の保護層として説明されたテープと同様に構成され、こ れらのテープのそれぞれの摩擦係数の小さい非接着面が互いに隣接している。 第二の保護層は、またスロットの壁に配置し、特にスロットを完全に被覆する こともできる。この場合、電気導体を第二の保護層で付加的に巻回することは省 略され、これにより必要に応じて電気導体当たりの所要面積の縮小が達成される 。これにより、導体巻線構造を予め与えられた耐力に対して特にコンパクトに構 成するか、しかし例えば大型電気機械の機能に関して、他の観点に従って形成す ることができる。またこれにより熱伝導性の改善された絶縁物を同じスロット寸 法 にも係わらず装着することができる。 第一の保護層及び／又は第二の保護層は少なくとも非接看面に隔離剤、例えば シリコーン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン或いは、含浸樹脂、特にエポキシ 樹脂により殆ど非接着性とされる同様の材料を有する。このような非接着性の隔 離剤は例えばドイツ特許出願公開第３６３６００８号公報に記載されている。充 填材は、特に、導体巻線構造に含浸される含浸樹脂、例えば熱硬化性の合成樹脂 であるのがよい。充填材としては大型電気機械の要求に応じて充分な絶縁性、小 さな粘性並びに充分な熱機械的な長時間耐性を持つ全ての材料が適している。 この導体巻線構造は、特に、大型電気機械、特に２０ＭＶＡ以上の電力入力或 いは出力を持つタービン発電機の固定子或いは回転子で使用に好適である。 図面に示された実施例に基づきこの発明を詳細に説明する。なお、この図面で は説明に必要な導体巻線構造の構造部分についてのみ図示する。この実施例はこ の説明のために本質的な特徴を際立たせるために必要に応じてやや簡略して及び ／又は歪めて示してある。図面において図１及び図２はそれぞれ支持体に配置さ れた巻線要素を示す。 図１には強磁性で導電性の、互いに積層された固定子鋼板１６からなる支持体 ２と、この支持体２のスロット４に装着されている２つの巻線要素３とを備えた 導体巻線構造の一部が示されている。スロット４はスロット楔１４で閉塞されて いる。各巻線要素３は、高圧絶縁物６によって取り巻かれている電気導体５を備 えている。各巻線要素３には構造化されていない電気導体５が示されている。こ の導体５は特に大型発電機用で多数の金属バー導体或いは電線導体を含み、その 中の必要に応じて幾つかは、例えば空気、水素或いは水のような冷却流体を通す ために、例えばドイツ特許出願公開第３６３６００８号公報に示されているよう に、中空に形成されている。この絶縁物６は弱導電性のテープ１１で巻回され、 このテープは少なくとも部分的に重なり合っている。このテープ１１は、コロナ 放電を阻止するための外部コロナ防止構造体の構成要素である第一の保護層７を 形成している。テープ１１は、絶縁物６側に、絶縁物６と第一の保護層７との間 の接着を行う接着面９ａを持っている。この接着面９ａに対向してテープ１１は 、摩擦係数が小さく、かつ充填材、例えばエポキシ樹脂により非接着性とされる 非 接着面９を備えている。このテープ１１、少なくともその非接着面９はこのため に充填剤と接着しない隔離剤、例えばシリコーン樹脂或いはポリテトラフルオロ エチレンを備えている。この第一の保護層７の回りには接着面１０ａ及びこれに 対向して非接着面１０を備えた別のテープ１２が巻回されている。このテープ１ ２は、絶縁物６を取り巻く第二の保護層８である。テープ１２の巻回はこの場合 その非接着面１０がテープ１１の非接着面９に接するように行われる。接着面１ ０ａでテープ１２はスロット４の壁１３及び／又は底１５に接するか、これらと 充填剤により接着可能である。テープ１２は同様に弱導電性で、第一の保護層７ と特に大型電気機械の固定子である支持体２との間に弱導電性ブリッジを形成し ている。導体巻線構造１を充填材、特にエポキシ樹脂で含浸する際に、スロット ４の全ての残っている中空空間が充填材で満たされ、並びに含浸可能な高圧絶縁 部６が充填材で充填されもしくは含浸されるが、その際ですら互いに対向してい る非接着面９、１０は殆ど接着することなく接している。それ故、完全に含浸さ れた導体巻線構造１においても電気導体５は絶縁物６と保護層７と共に容易にか つ簡単に確実に引き出せる。これは、特に、保護層７、８の間にせいぜい僅かな 接着力或いは他の機械的な結合しか存在せず、その結果保護層７、８相互が殆ど 摩擦なしに滑ることができることにより行われる。 図２には図１と類似に構成された導体巻線構造１が示され、その限りにおいて 図１の説明が参照されるが、ここでは第二の保護層８の異なる構成が示されてい る。第一の保護層７の非接着面９に対向している非接着面１０を持つ第二の保護 層８は、電気導体５に巻かれることなく、スロット４の壁１３及び／又はスロッ トの底１５と、図示の電気導体５との間に配置されている。第二の保護層８はそ れ故スロット４の殆ど完全な被覆である。接着面１０ａはスロットの底１５にも 対向しており、従って第二の保護層と支持体２との接着もしくは粘着が確保され ている。それ故、同様に電気導体５の軸線方向に電気導体５と支持体２との間の 殆ど自由な可動性が得られている。これは、特に、修理の経過において必要な、 電気導体５をスロット４から取り出す際に利点がある。 特に強磁性、導電性支持体と何れかの構成の巻線要素とを備えたこの発明によ る導体巻線構造は大型電気機械の部分、特に固定子の製造のための全含浸の要求 に、必要な製造経費の点でもまた運転上の問題の点でも、特に適している。この 発明は、電気導体を取巻く絶縁物の外部コロナ防止構造がそれぞれ弱導電性の２ つの保護層によって形成されているという点で優れている。これらの保護層は導 電性ブリッジを介して絶縁物と支持体との間の電位の緩和作用をする。保護層は 殆ど自由に、特に摩擦なしに、電気導体の軸線方向に相互にずれることができる 。この易動性は、保護層の互いに対向する表面が接着性を持たないことと僅かな 摩擦係数しか持たないことにより得られる。少なくともそれぞれの非接着面の範 囲で保護層は充填材、特にエポキシ樹脂によって接着性がないので、電気導体を 含浸した後においてすら支持体のスロットにおいてこの保護層相互の自由な易動 性は確保されている。さらに、２つの保護層の使用による外部コロナ防止構造体 は例えば０．２ｍｍ以下の僅かな膜厚しか持たないので、これによりスロットの 幅が予め定められている場合高圧絶縁物の層厚をそれだけ大きくすることができ る。これにより絶縁のための材料としては熱伝導性の微粉マイカテープ或いは同 様な熱伝導性材料を使用することができる。これにより特に熱伝導性の良い導体 巻線構造が得られ、このことにより大型電気機械、特にタービン発電機の特にコ ンパクトな構成にも係わらずより大きな電力入力或いは出力とすることができる 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュルテン、ミヒャエル ドイツ連邦共和国 デー―44879 ボッフ ム リンデナー シュトラーセ 72

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．支持体（２）と、この支持体（２）のスロット（４）に装着されている少な くとも１つの巻線要素（３）とを備え、この巻線要素（３）は少なくとも１つの 電気導体（５）を有し、この電気導体は絶縁物（６）によって包囲され、この絶 縁物自体は第一の保護層（７）で取り巻かれ、この保護層はまた第二の保護層（ ８）で取り巻かれている、充填材で含浸可能な大型電気機械の導体巻線構造（１ ）において、第一の保護層（７）はその外側非接着面（９）で第二の保護層（８ ）の内側非接着面（１０）に直接接し、これらの非接着面（９、１０）は実質的 に接着することなく相互に接していることを特徴とする大型電気機械の導体巻線 構造（１）。 ２．第一の保護層（７）と第二の保護層（８）とがそれぞれ弱導電性で、絶縁物 （６）の外部コロナ防止構造体を形成している請求項１に記載の導体巻線構造（ １）。 ３．各保護層（８、９）が５０μｍ〜１５０μｍ、特に１００μｍの層厚を持っ ている請求項１又は２に記載の導体巻線構造（１）。 ４．第一の保護層（７）がテープ（１１）として絶縁物（６）の回りに巻回され 、このテープ（１１）が非接着面（９）に対向する側にこの非接着面（９）より 大きい摩擦係数を持つ接着面（９ａ）を備えている請求項１乃至３の１つに記載 の導体巻線構造（１）。 ５．接着面（９ａ）が充填材、特にエポキシ樹脂を基材とする充填材と接着可能 である請求項４に記載の導体巻線構造（１）。 ６．第二の保護層（８）がテープ（１２）として第一の保護層（７）の回りに巻 回され、このテープ（１２）が非接着面（１０）に対向する側にこの非接着面 （１０）より大きい摩擦係数を持つ接着面（１０ａ）を備えている請求項１乃至 ５の１つに記載の導体巻線構造（１）。 ７．接着面（１０ａ）が充填材、特にエポキシ樹脂を基材とする充填材と接着可 能である請求項６に記載の導体巻線構造（１）。 ８．第一の保護層（７）及び第二の保護層（８）のテープ（１１、１２）が同一 である請求項６又は７に記載の導体巻線構造（１）。 ９．第二の保護層（８）がスロット（４）の壁（１３）に接して配置されている 請求項１乃至５の１つに記載の導体巻線構造（１）。 １０．第一の保護層（７）及び／又は第二の保護層（８）が少なくとも非接着面 （９、１０）において含浸材、特にエポキシ樹脂に殆ど接着しない隔離剤、例え ばシリコーン樹脂、ポリテトラフルオロエチレンを含んでいる請求項１乃至９の １つに記載の導体巻線構造（１）。 １１．充填材、特に硬化した合成樹脂で含浸されている請求項１乃至１０の１つ に記載の導体巻線構造（１）。 １２．大型電気機械、特にタービン発電機の固定子或いは回転子に使用される請 求項１１に記載の導体巻線構造（１）。