JP5523966B2 - 回転電機およびコイル - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固定子コイルから周辺接地構造物に対する放電を防止する構造を有する回転電機および該回転電機に使用されるコイルに関する。

従来、回転電機固定子コイルにおいては鉄心−コイル間に発生するスロット内での放電を防止するためにコイル表面に低抵抗層を設けている。

特許文献１によれば低抵抗層端部に電界緩和層を設け、回転電機運転中において低抵抗層端部の沿面方での防ぐ技術が開示されている。

また、特許文献２によれば、コイルエンド部の隣接コイル間の対向する位置で生じる放電を防ぐために電界緩和層端部を斜めに配置する手法が開示されている。

特許第４０９１４０２号公報 特開２００１−２７５２９３号公報

しかしながら、従来技術ではコイルスロット内、鉄心端部、隣接コイル間の放電は抑制できるものの、電磁シールド板などの周辺接地構造物に対する放電は抑制できない。固定子の軸長を短くするためには、コイルエンド部の曲がりを大きくすることが有効である。このような構造にすると固定子コイルと周辺接地構造物の距離が短くなるため、固定子コイル−周辺接地構造物間に放電が発生する可能性がある。以下に周辺接地構造物の一つである電磁シールド板を例にとって説明する。

電磁シールド板は接地されているため、固定子コイルの位置は放電が発生しないよう設計される。すなわち、電磁シールド板に近接する固定子コイルの表面電位から固定子コイル―電磁シールド板の距離を規定し設計される。このためコイルエンド部の曲がりの大きさには制限があり、固定子軸長を短くするのが困難である。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、運転電圧を低下させずに小型化を実現する回転電機および該回転電機に使用されるコイルを提供することを目的とする。

本発明の一態様による回転電機は、鉄心と、前記鉄心から延出するコイルと、前記鉄心の外側に設けられ、前記コイルの存在する方向に突出する複数の肩部を有する電磁シールドとを具備する回転電機において、前記コイルは、導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体と、前記絶縁体の表面に形成され前記鉄心に接触する抵抗層と、前記抵抗層に連接して前記絶縁体の表面に形成される少なくとも１つの電界緩和層とを備え、前記抵抗層と前記電界緩和層との境界が、前記電磁シールドの最も鉄心に近い側の肩部と前記コイルとの距離を最短とする当該コイルの表面上の点の位置よりも前記鉄心から遠ざかる方向に離れた位置に設けられていることを特徴とする。

本発明の他の態様によるコイルは、導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体と、前記絶縁体の表面に形成される抵抗層と、前記抵抗層に連接して前記絶縁体の表面に形成される少なくとも１つの電界緩和層とを備えたコイルであって、前記抵抗層と前記電界緩和層との境界が、当該コイルが電磁シールドを備えた回転電機の鉄心から延出するように取り付けられたときに前記電磁シールドの最も鉄心に近い側の肩部と当該コイルとの距離を最短とする当該コイルの表面上の点の位置よりも前記鉄心から遠ざかる方向に離れた位置に存在するように構成されていることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の固定子コイルを固定子中心軸方向に垂直な方向から見たときの構造を示す側面図。 同実施形態に係る回転電機の固定子コイルを固定子中心軸方向から見たときの構造を示す平面図。 本発明の第３の実施形態に係る回転電機の固定子コイルを固定子中心軸方向から見たときの構造を示す平面図。 同実施形態において低抵抗テープの端部を鉄心表面に対して平行に形成する方法の説明図。 図２に示した第１の実施形態に係る回転電機の固定子コイルの構造を示す平面図の中に等電位線を示した図。 図３に示した第３の実施形態に係る回転電機の固定子コイルの構造を示す平面図の中に等電位線を示した図。 図２に示した固定子コイルに対して耐圧試験用に隣接コイル間をバインド材８で固定した状態を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る回転電機の固定子コイルに対して耐圧試験用に隣接コイル間をバインド材で固定した状態を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る回転電機の固定子コイルを形成する途中の工程を示す図。 同実施形態に係る回転電機の固定子コイルを形成する最後の工程を示す図。 同実施形態に係る回転電機の固定子コイルの絶縁層を絶縁テープにより形成する例を示す図。 同実施形態における焼損試験の例を示す図。 図１２の焼損試験の結果を示す図。 図１２の焼損試験の結果に示される焼損範囲を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
最初に、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機の固定子コイルを固定子中心軸方向に垂直な方向から見たときの構造を示す側面図である。また、図２は、同実施形態に係る回転電機の固定子コイルを固定子中心軸方向から見たときの構造を示す平面図である。

回転電機には、コイル１、鉄心２、電磁シールド板３などが備えられる。

コイル１は、鉄心２から延出する固定子コイルであり、固定子の体格を小さくするために三次元的に曲げられている。

鉄心２は、薄鉄板を積層することにより数ｍ〜十数ｍ程度のパイナップル状に形作られ、電気的に接地される。この鉄心２は、コイル１を収納するためのスロットを有し、当該スロットにコイル１を収納する。

電磁シールド板３は、鉄心２からの漏れ磁束を遮断するために鉄心２の外側に設けられる周辺接地構造物であり、コイル１の存在する方向に突出する複数の肩部を有して凹凸形状を成している。この電磁シールド板３は、電気的に接地されており、電位が０となっている。

なお、図１および図２では、鉄心２には、実際には上下それぞれ２本のコイルが設置されるが、周辺接地構造物との関係を述べる上で簡略化するため、下コイル１のみを図示している。

コイル１は、導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体（図示せず）と、この絶縁体の表面に形成され鉄心２に接触する低抵抗層４と、この低抵抗層４に連接して前記絶縁体の表面に形成される少なくとも１つの電界緩和層５（ここでは、複数の電界緩和層５）とを備えている。また、コイル１の最端部には、口出し部６が備えられている。

特に、本実施形態のコイル１は、図１に示されるように、低抵抗層４と電界緩和層５との境界が、電磁シールド板３の最も鉄心２に近い側の肩部とコイル１との距離を最短とする当該コイル１の表面上の点（Ａ点）の位置よりも鉄心２から遠ざかる方向（即ち、口出し部６に近づく方向）に離れた位置に設けられている。なお、図１中のＢ点については、後述する第２の実施形態において説明する。

より具体的には、低抵抗層４は、表面抵抗率が１０〜１ＭΩであり、低抵抗層４と電界緩和層５との境界が、コイル１の表面上のＡ点の位置を基準に鉄心２から遠ざかる方向に（口出し部６が存在する方向に）コイル表面に沿って３０ｍｍ移動した位置から、口出し部６の位置を基準に鉄心２に近づく方向にコイル表面に沿って１００ｍｍ移動した位置までの間に設けられている。これにより、Ａ点での放電が発生しない。

コイル１の製作においては、例えば、導体上にマイカテープを所定の回数巻回して絶縁し、少なくとも鉄心２と接する箇所に対しては部分放電による絶縁劣化の影響を防止するために低抵抗層４を配置する。また、低抵抗層４の端部から外側には電界集中による沿面放電を防止するために電界緩和層５を１つ以上配置する。低抵抗層４と電界緩和層５との繋ぎ目（境界線）は、Ａ点の位置よりも口出し部６側に離れた位置に設ける。電界緩和層５は、低抵抗層４と連接するように形成する。

ここで、コイル１の製作方法の詳細について説明する。

まず、絶縁された素線を束ねた導体を作製する。導体を束ねるとき、電流表皮効果による発熱を防ぐため、導体長手方向を回転軸として素線を回転させながら束ねる。

束ねた素線が交差する箇所は凹凸が生じるため、体積抵抗率１０^４〜１０^６Ω・ｃｍの半導電性の充填物を詰める。充填物は、エポキシワニスにカーボン及びマイカ粉を配合したものをガラス不織布の両面にコーティングして作製されるプリプレグシートである。

次に、その外側に絶縁層内部での部分放電を防止するために表面抵抗率１０^２〜１０^４Ωの内部シールドを配置する。内部シールドは、ポリエステル繊維の不織布基材に、カーボン粒子混入の導電性ワニスを均一に含浸／加熱硬化させたプリプレグ状のテープであり、３ｍｍラップで巻回して形成する。

次に、導体と鉄心２とを電気的に絶縁するために絶縁層をハーフラップで数回から十数回巻回して形成する。絶縁層は、ガラスクロスなどの補強材にワニスを接着剤として集成マイカを張り合わせた後、加熱硬化させたプリプレグテープである。

次に、運転時における鉄心２とコイル１間での放電を防止するために表面抵抗率が１０〜１ＭΩの低抵抗層４を配置する。配置位置については前述の通りである。低抵抗層４はガラスクロスなどの補強材にポリエステル系ワニスにカーボンを配合したものを均一に塗布し、加熱硬化させたプリプレグテープである。

次に、低抵抗層４の端部において表面電位が急変することで起こる沿面放電を防止するために当該低抵抗層４に連接するように電界緩和層５を形成する。電界緩和層５は、ガラスクロスなどの補強材にＳｉＣを配合したエポキシ系ワニスを接着剤として均一にコーティングし、加熱硬化させたプリプレグテープである。このテープは、ＳｉＣの配合量を調節することで抵抗値を変化させることができる。これを利用し抵抗値の異なる複数の電界緩和層５を連接させてコイル表面の電位勾配を緩やかにする。本実施形態では、例えば２種類の電界緩和層５を連接させるものとする。

コイルは所定の形状に成型できるよう金属板又はＦＲＰ板（あて板）をあてがい、熱収縮テープであて板を保持する。

こうしてできたコイルはタンクの中で２ｔｏｒｒ以下の真空状態下に保持しながら、１００℃程度まで昇温される。そこでコイルが完全に浸漬されるまで１５０℃に加熱されたポリエチレンコンパウンドを流し込む。それと同時に不活性ガスを流し込み７ｋｇ／ｃｍ^２で加圧する。ポリエチレンコンパウンドの温度を１５０℃に保ちながら約１０時間保持することで熱硬化処理を行う。

十分に硬化が進んだところで減圧しながら降温する。

最後に、タンクから取り出したコイルにあてがったあて板を取り除き、コイル１が完成する。

ここで、本実施形態の回転電機における作用について説明する。

コイル１の導体に電圧を印加すると、アース電位にある低抵抗層４の端部からコイルに向かって、電界緩和層５上の表面電位は緩やかに上昇する。鉄心２とコイル１が最も近接するＡ点において、コイル表面電界が放電開始電界以上になると、一般には、Ａ点において放電が生じるが、本実施形態では、アース電位にある低抵抗層４の端部をＡ点の位置よりも口出し部６側に離れた位置にまで配置するので、Ａ点で放電が発生しない。

このように、第１の実施形態によれば、低抵抗層４と電界緩和層５との繋ぎ目（境界線）は、Ａ点の位置よりも口出し部６側に離れた位置に設けられているので、その位置までの電位が０となり、コイル１と上記肩部との間に電位差が生じないため、放電を抑制することができる。これにより、電磁シールド板３とコイル１を接近させることができるので、回転電機を小型化できる。

（第２の実施形態）
次に、図１および図２を再び参照して、第２の実施形態について説明する。

この第２の実施形態では、前述の第１の実施形態の構成に加え、次のような構成を更に有する。すなわち、コイル１における低抵抗層４と電界緩和層５との境界（繋ぎ目）、および、隣接する電界緩和層５どうしの境界（繋ぎ目）が、電磁シールド板３の各肩部とコイル１との距離をそれぞれ最短とする当該コイル１の表面上の各点（即ち、Ａ点，Ｂ点）に位置しないように構成されている。つまり、電磁シールド板３の各肩部と対向するコイル１表面上の各点（即ち、Ａ点，Ｂ点）が、各繋ぎ目と重ならないように配置されている。

なお、コイル１の製作方法については、前述の第１の実施形態で示した通りなので省略する。

ここで、本実施形態の回転電機における作用について説明する。

定格電圧が高い回転電機においては、抵抗値が異なる２種類以上の電界緩和層５を組み合わせて使用する場合がある。また、前述したように、回転電機のコイル１は固定子径の円周方向に湾曲した構造を有しており、曲がり部の外側と内側とでは鉄心２からの距離が異なる。低抵抗層４と電界緩和層５の繋ぎ目や抵抗値の異なる電界緩和層の繋ぎ目では、電位傾斜が異なるため、隣接コイル間の電位差が大きくなる。そのため、隣接コイル間に放電を生じる。このとき、放電によりコイル１表面の電位が大きく変化すること、或いは放電により発生した電離ガスにより、放電が発生している部位での更なる放電が誘発されることが考えられる。ここでもし、電磁シールド板３付近のコイル表面Ａ点，Ｂ点に、低抵抗層４と電界緩和層５との繋ぎ目、又は抵抗値の異なる電界緩和層５どうしの繋ぎ目が配置されていると、大きな放電を誘発する可能性を高めることになる。本実施形態ではそのような配置を避けていることから、大きな放電が誘発されることを防止することができる。

このように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果に加え、電磁シールド板３の各肩部と対向するコイル１表面上の各点（即ち、Ａ点，Ｂ点）が、各繋ぎ目と重ならないように配置しているので、コイル１−電磁シールド板３間の放電をより一層抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、図３〜図６を参照して、第３の実施形態について説明する。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る回転電機の固定子コイルを固定子中心軸方向から見たときの構造を示す平面図である。なお、前述の図１および図２と共通する要素には同一の符号を付している。

この第３の実施形態では、コイル１における低抵抗層４と電界緩和層５との境界線、および、隣接する電界緩和層５どうしの境界線の形態が、前述の第１の実施形態や第２の実施形態と異なる。すなわち、この第３の実施形態では、コイル１における低抵抗層４と電界緩和層５との境界線、および、隣接する電界緩和層５どうしの境界線が、当該コイル１が延出する鉄心表面に対し、平行となるように構成されている。

低抵抗層４を形成するためには、一般に、導体上に形成された絶縁上に、低抵抗テープを手巻きで巻回する。このときラップをさせながら巻回すると、湾曲部において鉄心表面に対して平行となるように低抵抗テープ端部を構成することが困難である。そこで、この第３の実施形態では、第１の実施形態で示した低抵抗層４を、第１の実施形態で示した方法と同様の方法で配置した後、第１の実施形態で説明した低抵抗層４と同様の構成のシートやＡステージの樹脂に溶剤を含有させカーボンにより表面抵抗率を１０〜１ＭΩの範囲に調整した塗料などを鉄心２表面と平行になるように配置する。また、電界緩和層５も同様に、シートや表面抵抗率を調整した塗料を鉄心２と平行になるように配置する。

ここで、コイル１の製作方法の詳細について説明する。

導体上に絶縁層を形成するところまでは第１の実施形態で記述した通りである。

次に、低抵抗層４を形成する。低抵抗層４は、第１の実施形態で説明した低抵抗テープを用いる。低抵抗テープは、絶縁層上にハーフラップで１回以上巻回する。巻回範囲は第１の実施形態で説明したとおりである。この状態では低抵抗テープの端部は、コイル長手方向に垂直に近い状態となる。

次に、低抵抗テープの端部を鉄心表面に対して平行となるように形成するために、図４に示されるように、低抵抗シート７を折り曲げ、低抵抗テープ端部に一層配置する。低抵抗シート７はベルト等によって所定の位置に一時的に固定する。なお、図４中の丸数字１〜３は、配置前の低抵抗シート７の各部と、配置後の低抵抗シート７の各部との対応関係を示している。

低抵抗シート７には、表面抵抗率１０〜１ＭΩの範囲にあるガラス或いはポリエステル繊維ないし不織布にバインダー樹脂とカーボンを混抄した塗料を塗布乾燥させて形成されるプリプレグシートを用いる。

次に、低抵抗シート７の上部に連接させて電界緩和層５を形成する。電界緩和層５には第１の実施形態で示したＳｉＣ高抵抗テープを使用する。高抵抗テープは、絶縁層上にハーフラップで１回以上巻回する。巻回範囲は第１の実施形態で説明したとおりである。高抵抗テープ端部に関してはコイル１の表面電位が上がりきっていない場合は、低抵抗テープの端部と同様に高抵抗シートを作製し、鉄心表面に対して平行となるように形成する。

ここで、本実施形態の回転電機における作用について説明する。ここでは、図５および図６を参照して、第１の実施形態と第３の実施形態とを対比させて説明する。

図５は、図２に示した第１の実施形態に係る回転電機の固定子コイルの構造を示す平面図の中に等電位線を示した図である。図６は、図３に示した第３の実施形態に係る回転電機の固定子コイルの構造を示す平面図の中に等電位線を示した図である。

第１の実施形態では、図５に示されるように、コイル導体に電圧がかかると電界緩和層５にある一定の電位分布ができるが、その分布の仕方は低抵抗層４端部からの距離で決定されるため、鉄心軸方向に対するコイル１表面の電位分布は不均一になる。したがって、隣接間では密な電位傾斜ができるため電界が高くなる。

一方、第３の実施形態では、図６に示されるように、鉄心軸からの距離が等しいコイル１表面上のすべての点で、低抵抗層４の端部からの距離が等しくなるため、鉄心軸方向に対するコイル１表面電位分布は均一になる。

このように、第３の実施形態によれば、第１の実施形態や第２の実施形態で得られる効果に加え、鉄心軸方向のコイル１表面電位傾斜を均一にできるので、この部位で発生する放電を抑制することが可能となる。

（第４の実施形態）
次に、図７および図８を参照して、第４の実施形態について説明する。

ここでは、回転電機の耐圧試験時において、隣接コイル間を固定するバインド材に電流が流れ焼損しまうことを防止する手法について説明する。

図７は、図２に示した固定子コイルに対して耐圧試験用に隣接コイル間をバインド材８で固定した状態を示す図である。また、図８は、本発明の第４の実施形態に係る回転電機の固定子コイルに対して耐圧試験用に隣接コイル間をバインド材８で固定した状態を示す図である。

図７と図８との対比からわかるように、この第４の実施形態では、前述の第１の実施形態の構成に加え、次のような構成を更に有する。すなわち、図８の場合は、図７の場合と異なり、コイル１における少なくとも電界緩和層５の表面上に、絶縁層９（保護巻）が形成されている。また、絶縁層９は、耐放電性を有する無機フィラー（図示せず）を含んでいる。なお、絶縁層９は、低抵抗層４とオーバーラップするように形成されていてもよい。また、耐圧試験終了後は、絶縁層９やバインド材８は不要となるが、絶縁層９は除去せずにそのまま残した状態で出荷しても構わない。その場合、絶縁層９の除去のためのコストを発生させずに済む。

絶縁層９は、電界緩和層５を完全に覆うために電界緩和層５両端部からその外側に例えば２０ｍｍ余分に形成する。使用する絶縁層９には、例えばマイカテープなどが挙げられる。マイカテープはハーフラップで一層以上巻回して形成する。

また、絶縁層９に耐放電性が高い無機フィラーを使用することにより、放電によって穴が開き導通する現象を防止し、安定した性能を引き出すことができる。無機フィラーにはマイカ、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、水和アルミナ、酸化マグネシウムなどが挙げられる。無機フィラーの含有率は、重量百分率で２０〜９０％であることが望ましい。

ここで、耐圧試験に対応するコイル１の製作方法の詳細について説明する。

第１の実施形態で記述した通り電界緩和層５まで形成した後、電界緩和層５の上表面全体を覆うように絶縁層９を配置する。絶縁層９は、ガラスクロスなどの補強材にワニスを接着剤として集成マイカを張り合わせた後、加熱硬化させたプリプレグテープなどを使用して形成する。低抵抗層４と電界緩和層５の繋ぎ目より鉄心側に２０ｍｍの位置から、電界緩和層５の終端より口出し部６側に２０ｍｍまでハーフラップで１層以上巻回する。このとき、絶縁層９は、低抵抗層４とオーバーラップするように形成されてもよい。

その後、第１の実施形態で記載した加熱硬化処理を行い、コイル１が完成する。

ここで、本実施形態の回転電機における作用について説明する。

第２の実施形態で説明したようにコイルエンド部の形状が湾曲していることから、隣接コイル間の対向する部位には電位差が生じる。

ところで、コイルエンド部は、運転時の振動から保護するためにガラス繊維を束ねたロープで縛る構成や、コイル間にフェルトなどの詰め物をする構成がとられる。これらの部材は図８中ではバインド材８としている。バインド材８は未硬化の樹脂を含浸し、固定した後に硬化させることで固定力を保持しているが、もし未硬化の状態で電圧が印加されると抵抗が低いため、上述の電位差に応じた電流が流れる。電位差が大きい場合や未硬化状態で抵抗が低い場合には大きな電流が流れ、これらの部材が焼損する可能性がある。これに対し、本実施形態では、電位差を生じる可能性がある電界緩和層５表面に絶縁層９を配置しているため、バインド材８に電流が流れず、焼損が生じない。

このように、第４の実施形態によれば、第１の実施形態や第２の実施形態で得られる効果に加え、絶縁層９により隣接コイル間に流れる電流が遮断されるので、抵抗値の低いバインド材８に電流が流れず、バインド材８の焼損を防ぐことができる。

（第５の実施形態）
次に、図９〜図１３を参照して、第５の実施形態について説明する。

この第５の実施形態では、前述の第４の実施形態の図８に示した構成の変形例について説明する。図８と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、図８と異なる部分を中心に説明する。

前述の第４の実施形態の図８に示した構成では、バインド材８に流れる漏れ電流を遮断しバインド材８の焼損を防ぐために、絶縁層９（保護巻）が電界緩和層５の表面全体を覆うように配置されているため、絶縁層９の材料を必要以上に使用していると考えられる。そこで、この第５の実施形態では、絶縁層９の材料の無駄な使用を避けるため、バインド材８を焼損させずに絶縁層９の材料の使用量を低減することのできる構成の例を示す。

この第５の実施形態においては、絶縁層９は、電界緩和層５の表面全体を覆うのではなく、電界緩和層の一部の表面を覆うように配置される。具体的には、絶縁層９は、電界緩和層５の全表面のうち、低抵抗層４と電界緩和層５との連接部を基点とする一定の範囲内の表面上に形成される。

また、この第５の実施形態においては、電界緩和層５が抵抗値の異なる二種類の低抵抗電界緩和層５ａおよび高抵抗電界緩和層５ｂで構成される。また、低抵抗電界緩和層５ａは複数の層で構成される。これにより、コイル表面の電位勾配をより一層緩やかにすることができる。

コイル１の製作においては、前述の第１の実施形態の場合と同様、導体上にマイカテープを所定の回数巻回して、図９に示されるように絶縁層（導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体）１０を形成し、少なくとも鉄心２と接する箇所に対しては部分放電による絶縁劣化の影響を防止するために低抵抗層４を配置する。低抵抗層４の端部から外側には電界集中による沿面放電を防止するために、低抵抗電界緩和層５ａを複数枚配置し、さらに高抵抗電界緩和層５ｂを口出し部側へずらして配置する。このとき、低抵抗電界緩和層５ａは、低抵抗層４と連接するように形成する。

さらに電界緩和層５の一部の表面上、例えば、図１０に示されるように低抵抗層４と低抵抗電界緩和層５ａとの連接部から高抵抗電界緩和層５ｂの鉄心側端部までの間にかけての低抵抗電界緩和層５ａの表面上に絶縁層９を配置する。但し、絶縁層９を配置する範囲は、上記の例に限定されるものではない。例えば、絶縁層９は、低抵抗層４の一部に掛かっていてもよいし、高抵抗電界緩和層５ｂの一部に掛かっていてもよい。

コイル１の製作方法の詳細については、低抵抗電界緩和層５ａ、高抵抗電界緩和層５ｂ、および絶縁層９の形成方法を除けば、前述の第１の実施形態で説明した通りである。以下、低抵抗電界緩和層５ａ、高抵抗電界緩和層５ｂ、および絶縁層９の形成方法に関してより詳細に説明する。

低抵抗層４の配置後、低抵抗層４の端部を基点として口出し部側を＋としたとき、低抵抗電界緩和層５ａを−２０〜２００ｍｍ、次にその外層に低抵抗電界緩和層５ａを−３０〜４００ｍｍ、次にその外側に高抵抗電界緩和層５ｂを１５０〜６４０ｍｍ配置する。

低抵抗電界緩和層５ａは、例えばガラステープを基材とし、その両面にエポキシワニスと適度の非線形特性を付加するために選択した炭化珪素（SiC）を配合し、均質に混練りして製造した半導電性ワニスを均一にコーティングし、適度に加熱乾燥した表面抵抗１０^７〜１０^９Ω／原幅のプリプレグガラステープである。

高抵抗電界緩和層５ｂは、例えばガラステープを基材とし、その両面にエポキシワニスと適度の非線形特性を付加するために選択した炭化珪素（SiC）と半導電性を調節するため四三酸化鉄(Fe3O4)を配合し均質に混練りして製造した半導電性ワニスを均一にコーティングした表面抵抗１０^９〜１０^１１Ω／原幅のプリプレグガラステープである。

絶縁層９は、電界緩和層５の全表面のうち、低抵抗層４と低抵抗電界緩和層５ａとの連接部および１０^９Ω以下の表面抵抗を有する部分（本例では、低抵抗電界緩和層５ａの部分）の表面上に配置する。この絶縁層９は、例えばガラスクロスと抄紙したマイカを樹脂で一体化した絶縁テープを用い、図１１に示すように巻回して形成される。

次に、図１２〜図１４を参照して、焼損試験に基づく絶縁層９の好適な配置範囲について説明する。

焼損試験においては、まず、図１２に示されるように、２つのコイル１を１２．５ｍｍのギャップをあけて並列に配置したまま、片方のコイル１を長手方向（例えば口出し部側に）に８０ｍｍずらし、コイル間に５ＭΩの抵抗を持つ幅６０ｍｍの模擬バインド材８Ａを配置した。次に、もう片方のコイル１の低抵抗層４側の面にて当該低抵抗層４からの模擬バインド材８Ａの距離を測定した。そして、コイル導体に４９ｋＶの交流電圧を印加し、模擬バインド材８Ａの焼損を確認することで、効果を検証した。

具体的には、低抵抗電界緩和層５ａから擬似バインド材８Ａまでの距離に応じた擬似バインド材８Ａの焼損の有無を、２つのコイル１をそれぞれ流れる電流の位相が互いに「異相」である場合と「同相」である場合とに分け、さらに、絶縁層（保護巻）９が「あり」の場合と「なし」の場合とに分けて調べた。その結果を図１３に示す。

図１３の結果から、絶縁層９（保護巻）が「なし」の場合には低抵抗層４と低抵抗電界緩和層５ａとの連接部を基点として４０〜１４０ｍｍの範囲内で焼損が生じてることがわかる。図１４は、このときの焼損範囲を視覚的に把握しやすい形で表現した概念図である。

これらの結果から、絶縁層９（保護巻）が「なし」の場合に焼損が生じる条件は、バインド材８Ａが、コイル１の低抵抗層４と低抵抗電界緩和層５ａの連接部に掛かっており、かつ、１０^９Ω以下の表面抵抗を持つ電界緩和層に掛かっている場合であることがわかった。

そこで、電界緩和層５の全表面のうち、低抵抗層４と低抵抗電界緩和層５ａとの連接部および１０^９Ω以下の表面抵抗を有する部分（本例では、低抵抗電界緩和層５ａの部分）の表面上のみに絶縁層９を配置し、効果を検証した結果、焼損を防止することができた。

このように、第５の実施形態によれば、第４の実施形態で得られる効果に加え、バインド材を焼損させずに材料の使用量を低減することができる。

以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、運転電圧を低下させずに小型化を実現する回転電機および該回転電機に使用されるコイルを提供することができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…コイル、２…鉄心、３…電磁シールド板、４…低抵抗層、５…電界緩和層、５ａ…低抵抗電界緩和層、５ｂ…高抵抗電界緩和層、６…口出し部、７…低抵抗シート、８…バインド材、８Ａ…摸擬バインド材、９…絶縁層（漏れ電流を遮断する保護巻）、１０…絶縁層（導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体）。

Claims (20)

1. 鉄心と、
   前記鉄心から延出するコイルと、
   前記鉄心の外側に設けられ、前記コイルの存在する方向に突出する複数の肩部を有する電磁シールドと、
   を具備する回転電機において、
   前記コイルは、導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体と、前記絶縁体の表面に形成され前記鉄心に接触する抵抗層と、前記抵抗層に連接して前記絶縁体の表面に形成される少なくとも１つの電界緩和層とを備え、
   前記抵抗層と前記電界緩和層との境界が、前記電磁シールドの最も鉄心に近い側の肩部と前記コイルとの距離を最短とする当該コイルの表面上の点の位置よりも前記鉄心から遠ざかる方向に離れた位置に設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 前記抵抗層は、表面抵抗率が１０〜１ＭΩであり、
   前記抵抗層と前記電界緩和層との境界が、前記コイルの表面上の前記点の位置を基準に前記鉄心から遠ざかる方向にコイル表面に沿って３０ｍｍ移動した位置から前記コイルの口出し部の位置を基準に前記鉄心に近づく方向にコイル表面に沿って１００ｍｍ移動した位置までの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記抵抗層と前記電界緩和層との境界、および、隣接する電界緩和層どうしの境界が、前記電磁シールドの各肩部と前記コイルとの距離をそれぞれ最短とする当該コイルの表面上の各点に位置しないように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記抵抗層と前記電界緩和層との境界線、および、隣接する電界緩和層どうしの境界線が、当該コイルが延出する鉄心表面に対して平行となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 少なくとも前記電界緩和層の表面上に、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記電界緩和層の一部の表面上に、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記絶縁層は、前記電界緩和層の全表面のうち、前記抵抗層と前記電界緩和層との連接部を基点とする一定の範囲内の表面上に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
8. 前記絶縁層は、前記電界緩和層の全表面のうち、前記抵抗層と前記電界緩和層との連接部および１０^９Ω以下の表面抵抗を有する部分の表面上に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
9. 前記絶縁層は、ガラスクロスと抄紙したマイカを樹脂で一体化した絶縁テープで構成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 前記絶縁層は、耐放電性を有する無機フィラーを含んでいることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の回転電機。
11. 導体を外側から電気絶縁被覆する絶縁体と、前記絶縁体の表面に形成される抵抗層と、前記抵抗層に連接して前記絶縁体の表面に形成される少なくとも１つの電界緩和層とを備えたコイルであって、
    前記抵抗層と前記電界緩和層との境界が、当該コイルが電磁シールドを備えた回転電機の鉄心から延出するように取り付けられたときに前記電磁シールドの最も鉄心に近い側の肩部と当該コイルとの距離を最短とする当該コイルの表面上の点の位置よりも前記鉄心から遠ざかる方向に離れた位置に存在するように構成されていることを特徴とするコイル。
12. 前記抵抗層は、表面抵抗率が１０〜１ＭΩであり、
    前記抵抗層と前記電界緩和層との境界が、当該コイルが電磁シールドを備えた回転電機の鉄心から延出するように取り付けられたときに当該コイルの表面上の前記点の位置を基準に前記鉄心から遠ざかる方向にコイル表面に沿って３０ｍｍ移動した位置から当該コイルの口出し部の位置を基準に前記鉄心に近づく方向にコイル表面に沿って１００ｍｍ移動した位置までの間に存在するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のコイル。
13. 前記抵抗層と前記電界緩和層との境界、および、隣接する電界緩和層どうしの境界が、当該コイルが電磁シールドを備えた回転電機の鉄心から延出するように取り付けられたときに前記電磁シールドの各肩部と当該コイルとの距離をそれぞれ最短とする当該コイルの表面上の各点に位置しないように構成されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のコイル。
14. 前記抵抗層と前記電界緩和層との境界線、および、隣接する電界緩和層どうしの境界線が、当該コイルが電磁シールドを備えた回転電機の鉄心から延出するように取り付けられたときに当該コイルが延出する鉄心表面に対して平行となるように構成されていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のコイル。
15. 少なくとも前記電界緩和層の表面上に、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のコイル。
16. 前記電界緩和層の一部の表面上に、絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のコイル。
17. 前記絶縁層は、前記電界緩和層の全表面のうち、前記抵抗層と前記電界緩和層との連接部を基点とする一定の範囲内の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のコイル。
18. 前記絶縁層は、前記電界緩和層の全表面のうち、前記抵抗層と前記電界緩和層との連接部および１０^９Ω以下の表面抵抗を有する部分の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のコイル。
19. 前記絶縁層は、ガラスクロスと抄紙したマイカを樹脂で一体化した絶縁テープで構成されていることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載のコイル。
20. 前記絶縁層は、耐放電性を有する無機フィラーを含んでいることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載のコイル。

Images