電界緩和テープ及び回転機固定子コイル
【課題】周囲条件の変化に対して電気抵抗特性が安定し、且つ放電抑制特性に優れた電界緩和テープ及びこのテープを用いた回転機固定子コイルを提供する。
【解決手段】低抵抗粒子２及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子３、４を分散した樹脂を補強布６の両面に塗布又は含浸してなる電界緩和テープ１において、電界緩和テープ１の大粒径の非線形抵抗粒子３の平均粒径は前記樹脂の片面の塗膜厚さｔよりも大きく、且つ小粒径の非線形抵抗粒子４及び／又は低抵抗粒子２の平均粒径は前記補強布の網目間隔よりも小さく構成し、該電界緩和テープ１を回転機固定子コイルのスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成する。
【解決手段】低抵抗粒子２及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子３、４を分散した樹脂を補強布６の両面に塗布又は含浸してなる電界緩和テープ１において、電界緩和テープ１の大粒径の非線形抵抗粒子３の平均粒径は前記樹脂の片面の塗膜厚さｔよりも大きく、且つ小粒径の非線形抵抗粒子４及び／又は低抵抗粒子２の平均粒径は前記補強布の網目間隔よりも小さく構成し、該電界緩和テープ１を回転機固定子コイルのスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界緩和テープ及び回転機固定子コイルに係り、特に、回転機固定子コイルのスロット出口部を覆う電界緩和テープ及び該電界緩和テープを用いた回転機固定子コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界を緩和することを目的として、例えばコイルのエンド部などの高電界が発生するコイル導体端部に、電界緩和材を設けることが知られている。
【０００３】
電界緩和材としては、例えば、電界に対して非線形な抵抗を示す炭化珪素等の非線形抵抗粒子と、線形低抵抗を示す四三酸化鉄等の低抵抗粒子を樹脂中に分散させた電界緩和材料を塗料として用いたり、該電界緩和材料をシート状又はテープ状に成形して用いることが提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載の電界緩和材は、コイルのエンド部において、コイル導体上に設けられた絶縁層の外周面に設けられており、導電性塗料層と炭化珪素塗料層からなる。
【特許文献１】特公昭６１−３７７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の電界緩和材は優れた電界緩和効果を示すが、一方で周囲の状況、例えば製造時の温度条件や配合比のばらつきなどが変化した場合、それに伴って電界緩和能力が低下することがあった。
【０００６】
このように電界緩和材の特性が周囲の条件によりばらつくと、製品の性能低下につながる。特に機器の高電圧化が進むなか、許容される特性のばらつきは狭くなってきている。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、周囲条件の変化に対して電気抵抗特性が安定し、且つ放電抑制特性に優れた電界緩和テープ及びこのテープを用いた回転機固定子コイル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】
【０００８】
本発明者らは、非線形抵抗粒子の平均粒径、低抵抗粒子の平均粒径、樹脂の平均膜厚、補強布の繊維径及び網目間隔の大きさについて特定の相関関係を成立させることによって、周囲条件の変化に対して電気抵抗特性が安定し、且つ放電抑制特性に優れた電界緩和テープを製造することを考え出した。
【０００９】
すなわち、本発明の電界緩和テープは、低抵抗粒子及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子を分散した樹脂を補強布の両面に塗布又は含浸してなる電界緩和テープにおいて、大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径は前記樹脂の片面の塗膜厚さよりも大きく、且つ小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径及び／又は低抵抗粒子の平均粒径は前記補強布の網目間隔よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
前記大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１、前記小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記樹脂の塗膜厚さｔ、前記補強布の繊維径Ｒｇ及びその網目間隔Ｌが、Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇ、Ｄ２＜Ｌ、Ｄ１＞Ｄ２で示される。
【００１１】
本発明の回転機固定子コイルは、電界緩和テープをスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電界緩和テープによれば、大粒径の非線形抵抗粒子の一部分を塗膜面から突出させ、且つ分散させた低抵抗粒子及び／又は小粒径の非線形抵抗粒子の一部を補強布の網目内に通すことで、電気抵抗特性を安定させ、且つ高い電界緩和能力を得ることができる。
【００１３】
本発明の回転機固定子コイルによれば、この電界緩和テープをコイルのスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成することにより、安定した放電抑制特性を得ることができ、信頼性に優れているという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における電界緩和テープの組成を示す模式図である。
【００１６】
電界緩和テープ１は、低抵抗粒子２と、粒径が異なる大粒径の非線形抵抗粒子３と、小粒径の非線形抵抗粒子４とを樹脂５に分散し、補強布６の両面に塗布したもので構成されている。この電界緩和テープ１において、図１に示すように、大粒径の非線形抵抗粒子３は、該粒子の一部分が塗膜面７から突出し、樹脂５中に分散させたうちの一部の低抵抗粒子２と小粒径の非線形抵抗粒子４は、補強布６の網目内に入り込んでいる。ここで、低抵抗粒子２の平均粒径と、小粒径の非線形抵抗粒子４の平均粒径は、同様の粒径を有している。
【００１７】
このような大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１、小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、樹脂の塗膜厚さｔ、補強布の繊維径Ｒｇ及びその網目間隔Ｌの間には、Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇ、Ｄ２＜Ｌ、Ｄ１＞Ｄ２で示される関係式が成立している。
【００１８】
すなわち、非線形抵抗粒子の平均粒径と低抵抗粒子の平均粒径がＤ１＞Ｄ２で示す関係で表され、Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇを満たすことで大粒径の非線形抵抗粒子の一部分を塗膜面から突出させ、Ｄ２＜Ｌを満たすことで一部の低抵抗粒子と小粒径の非線形抵抗粒子をガラスクロス等の網目内に通すことができる。
【００１９】
非線形抵抗粒子は、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性を有し、電界の集中するコイルのスロット出口部での抵抗を低下させて、電界を緩和することができる。非線形抵抗粒子としては、炭化珪素及び／又は酸化亜鉛等が好ましく、その含有量は、非線形抵抗粒子と低抵抗粒子を樹脂に分散させた電界緩和材料全体の１０vol％である。
【００２０】
このような非線形抵抗粒子において大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１は、樹脂の塗膜厚さｔ、ガラスクロス等の網目間隔Ｌとの関係から、５μｍ≦Ｄ1≦２５０μｍであることが好ましい。また、樹脂と大粒径の非線形抵抗粒子の体積和に対する、大粒径の非線形抵抗粒子の体積比率は、１vol％以上７０vol％以下であることが好ましい。体積比率が７０vol％を超えると、小粒径の非線形抵抗粒子及び／又は低抵抗粒子を充填し難くなって電界緩和テープの製造が困難になる。一方、体積比率が１vol％未満であると、大粒径の非線形抵抗粒子からなる電気伝導路を形成し難くなる。
【００２１】
一方、小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２は、ガラスクロス等の網目間隔Ｌとの関係から、０．１μｍ≦Ｄ２≦２０μｍであることが好ましく、その含有量は、小粒径の非線形抵抗粒子と樹脂との体積和に対して、１０vol％以上である。
【００２２】
低抵抗粒子は、小粒径の非線形抵抗粒子と同様の平均粒径Ｄ２を有しており、四三酸化鉄、カーボン、銅、鉄、アルミニウム等が好ましく、単独で用いても、これらを混合して用いてもよい。
【００２３】
樹脂は、ゴム弾性を有する樹脂を用いることが好ましく、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴム等が挙げられる。該樹脂のゴム弾性効果により、電界緩和テープをコイルに巻き回した時に該テープとテープとの間（テープラップ間）の密着性を高めることができる。これによって、テープラップ間における塗膜面から突出した大粒径の非線形抵抗粒子同士の電気的接続を向上させて、電圧の高いコイルの放電を抑制することができる。該樹脂に非線形抵抗粒子と低抵抗粒子を分散した電界緩和材料を補強布に塗布する場合の塗膜厚さｔとしては、２μｍ≦ｔ≦１０００μｍの範囲となることが好ましい。ｔ＜２μｍでは、大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１との関係から大粒径の非線形抵抗粒子が脱落しやすくなる。一方、ｔ＞１０００μｍでは、テープの柔軟性が損なわれるため、コイルへの巻き付け性が悪くなり、テープをコイルに巻き付けてなる電界緩和層を形成することが困難になる。
【００２４】
なお、電界緩和テープをコイルに巻き回してレジンに含浸させる場合、Ｃステージ（完全硬化状態）の樹脂を用いることが好ましい。これによって、電界緩和テープが膨潤、溶解することなく、レジン含浸後も安定した抵抗値が得られる。レジンに含浸しない場合には、Ｃステージの電界緩和テープ両面にＢステージの電界緩和テープを設けてもよい。
【００２５】
補強布は、縦横の打ち込み本数が２５ｍｍ幅に対して３４本×３８本、または１５本×６０本であり、厚み２５μｍ〜１０００μｍ程度のガラスクロス又はポリエステルクロス等のクロス状のものを用いることが好ましい。経糸及び／又は緯糸の繊維径Ｒｇとしては、得られる電界緩和テープ表面の凹凸を防止しつつ、該テープの縮みを防止することを考慮すると、０．１μｍ〜５００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜１００μｍであることがより好ましい。補強布の網目間隔Ｌは、非線形抵抗粒子の平均粒径、低抵抗粒子の平均粒径との関係から１０μｍ＜Ｌであることが好ましい。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る電界緩和テープの体積抵抗率の電界依存性を示している。（Ａ）は、本実施形態に係る電界緩和テープを示す。（Ｂ１）は、従来の、塗膜面から非線形抵抗粒子の一部分が突出していない電界緩和材を示す。
【００２７】
図２より明らかなように、本実施形態に係る電界緩和テープ（Ａ）は、従来の電界緩和材（Ｂ１）と比較して、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性が強まっている。
【００２８】
本実施形態に係る電界緩和テープ（Ａ）は、大粒径の非線形抵抗粒子Ｄ１、樹脂の塗膜厚さｔ、補強布の繊維径Ｒｇとの間にＤ１＞ｔ−４Ｒｇの関係を成立させることで、大粒径の非線形抵抗粒子の一部分を塗膜面から突出させることができる。これによって、粒子の一部分が塗膜面から突出した大粒径の非線形抵抗粒子をテープラップ間にて互いに接触させることができるため、該粒子同士の電気的接続を向上させて高電界における抵抗値をさらに低下させることができる。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る電界緩和テープの体積抵抗率の電界依存性を示している。（Ａ）は、クロス状の補強布を用いた本実施形態に係る電界緩和テープである。（Ｂ２）は、従来の、フィルム状のポリエステルを用いた場合の電界緩和材である。
【００３０】
図３より明らかなように、従来例（Ｂ２）は、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性をもたない。一方、本実施形態に係る電界緩和テープ（Ａ）は、ガラスクロス等のクロス状の補強布を用いており、この補強布の網目間隔Ｌ、小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２及び低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２との間にＬ＞Ｄ２の関係を成立させることで、網目内に該粒子を通すことができる。これによって、ガラスクロス等の網目に入り込んだ粒子同士を互いに電気的に接続させて電気伝導路を作ることができ、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性を付与することが可能となる。
【００３１】
このとき、ガラスクロス中では、その網目内に入り込んだ低抵抗粒子や小粒径の非線形抵抗粒子の粒子同士が連続して繋がったパーコレーションパスが形成されている。このパーコレーションパスの数は、小粒径の非線形抵抗粒子と低抵抗粒子の体積比率がある値（パーコレーション閾値）を越えると、指数関数的に増大する。
【００３２】
本実施形態に係る電界緩和テープは、樹脂中に非線形抵抗粒子と低抵抗粒子とを加えた、いわゆる２粒子系複合体になる。このような２粒子系複合体の導電特性は、発明者らによって、例えば、Tetsushi Okamoto et al. によって、Proceeding of 2001 International Symposium on Electrical Insulating Materials（２００１年）のＰ．８３〜Ｐ．８６（Percolation phenomena of field grading materials made of two kind of filler）などによって示された２粒子系複合体のパーコレーション理論によって説明することができる。
【００３３】
図４は、ポリブタジエンに、四三酸化鉄、大粒径の炭化珪素、小粒径の炭化珪素を分散してガラスクロスに塗布してなる電界緩和テープの体積抵抗率ρと、四三酸化鉄と小粒径の炭化珪素の体積比率Ｐとの関係を示している。縦軸は、電界緩和テープの体積抵抗率（ρ）を示し、対数表示されている。横軸は、四三酸化鉄と小粒径の炭化珪素が網目内に入り込んだガラスクロスにおいて、このガラスクロスを除いた体積Ｖにおける小粒径の炭化珪素と四三酸化鉄の体積比率（Ｐ）を示している。
【００３４】
体積Ｖは、単位面積Ｓ（＝ａ×ａとする）に対して次式で表わされる。ｔは樹脂の塗膜厚さであり、Ｒｇはガラスクロスの繊維径であり、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれガラスクロスの網目間隔の縦、横の大きさである。
Ｖ＝Ｓ{ｔ−４πＲｇ３／３×２×（１／Ｌ１＋１／Ｌ２）}
【００３５】
図４より明らかなように、小粒径の炭化珪素と四三酸化鉄の体積比率Ｐに対する体積抵抗率ρは、２ヶ所の折れ曲がり（屈曲点）をもつ曲線で示される。
【００３６】
発明者らは、２粒子系複合体の体積抵抗率ρが、図４に示す２つ目の屈曲点（高充填側）Ｐｃを基準として、ρ∝（Ｐ−Ｐｃ）−２で表されることを明らかにした。
【００３７】
そして、安定した体積抵抗率を得るためには、ρ∝（Ｐ−Ｐｃ）−２を満たすようにＰｃ値を定め、このＰｃ値を越えるように、体積Ｖにおける小粒径の炭化珪素と四三酸化鉄の体積比率Ｐを定めた。これにより、電界緩和テープの体積抵抗率の安定化、つまり電気抵抗特性の安定化を図ることができる。
【００３８】
図５は、ポリブタジエンに、四三酸化鉄、大粒径の炭化珪素、小粒径の炭化珪素を分散してガラスクロスに塗布してなる電界緩和テープの１００Ｖ／ｃｍにおける体積抵抗率ρと、四三酸化鉄の体積比率Ｐとの関係を示している。縦軸は、電界緩和テープの体積抵抗率ρを示し、対数表示されている。横軸は、ポリブタジエンと四三酸化鉄の総和における四三酸化鉄の体積比率Ｐを示している。
【００３９】
ここで、電界緩和テープは、その抵抗値が高すぎると該テープをコイルのスロット出口部に巻き付けてなる電界緩和層の始端（コイル側）で放電が発生する。一方、抵抗値が低すぎると電界緩和層の終端で放電が発生する。
【００４０】
電界緩和層の最も重要な特性は、コイルのスロット出口部の部分放電を抑制する点にある。図５に示すように、１００Ｖ／ｃｍのような低電界領域での体積抵抗率ρは、低抵抗粒子の体積比率Ｐに依存して変化するため、ポリブタジエンと四三酸化鉄の総和における四三酸化鉄の体積比率Ｐを１１vol％以上１３vol％以下とする。これによって、電界緩和テープの抵抗を１０４．５Ωｍ〜１０７．５Ωｍとすることができ、優れた放電抑制特性を得ることができる。
【００４１】
本実施形態では、低抵抗粒子及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子を樹脂中に分散させて得られる電界緩和材料を塗料として用いることも可能であるが、例えば、コイルのスロット（固定子鉄心スロット）出口部に塗布して使用する場合、斑になることがあり、その結果、抵抗値にばらつきが発生するため、抵抗が低下してしまうことがある。そこで、上述したように、電界緩和材料をガラスクロス等に塗布あるいは含浸してテープ状に成形することにより、安定した電気抵抗特性を得ることができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態における回転機固定子コイル２１の外形を示している。
【００４３】
本実施形態に係る回転機固定子コイル２１は、第１の実施形態で得られた電界緩和テープ２３を該コイルのスロット（固定子鉄心スロット）出口部２２に巻き付けて、電界緩和層を形成するようにしたものである。
【００４４】
該コイルの直線部からエンド部にかけて、収納される固定子鉄心スロットの境界となるため表面電位の勾配が急峻になる。この範囲（スロット出口部２２）に電界緩和テープ２３を巻き付けることにより、表面電位の勾配を緩やかにすることができる。
【００４５】
図７は、回転機固定子コイル２１のスロット出口部２２の層断面図を示している。
【００４６】
コイル導体３１上にマイカ層等の絶縁層３２が形成され、この絶縁層３２上に電界緩和テープにより、ある幅を低抵抗コロナ防止層３４にラップさせるようにして電界緩和層３３が形成されている。なお、低抵抗コロナ防止層３４は、固定子鉄心スロット内に収納される該コイルの直線部分の絶縁層３２表面に、従来の真空加圧含浸方式で用いるドライテープを巻き回して形成されている。
【００４７】
このコイル導体３１に高電圧を印加した場合の部分放電開始電圧、フラッシオーバー電圧を測定した。結果を表１に示す。従来例は、塗膜面から非線形抵抗粒子の一部分が突出していない電界緩和材を示している。
【表１】
【００４８】
表１より明らかなように、従来例と比べて、実施例では、コイル導体に高電圧を印加した場合の部分放電開始電圧は高くなる。塗膜面から大粒径の非線形抵抗粒子の一部分が突出させて、且つ小粒径の非線形抵抗粒子及び／又は低抵抗粒子を網目内に入り込ませることで、電界の集中するスロット出口部の抵抗を低下させて電界を緩和することができるため、部分放電開始電圧を高くすることができる。
【００４９】
本実施形態によれば、第１の実施形態で得られる電界緩和テープをコイルのスロット出口部に巻き付けることで、部分放電開始電圧が高く、優れた電界緩和能力をもつ回転機固定子コイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態における電界緩和テープの組成を示す模式図。
【図２】本発明の一実施例を示す非線形抵抗特性と従来の非線形抵抗特性の比較図。
【図３】本発明の一実施例を示す非線形抵抗特性と従来の比較図。
【図４】小粒径の非線形抵抗粒子と低抵抗粒子の体積比率と、体積抵抗率との関係を示す図。
【図５】低抵抗粒子の体積比率と体積抵抗率との関係を示す図。
【図６】本発明の回転機固定子コイルの外形図。
【図７】本発明の回転機固定子コイルの層断面図。
【符号の説明】
【００５１】
１…電界緩和テープ、２…低抵抗粒子、３…大粒径の非線形抵抗粒子、４…小粒径の非線形抵抗粒子、５…樹脂、６…補強布、７…塗膜面、２１…回転機固定子コイル、２２…スロット出口部、２３…電界緩和テープ、３１…コイル導体、３２…絶縁層、３３…電界緩和層、３４…低抵抗コロナ防止層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界緩和テープ及び回転機固定子コイルに係り、特に、回転機固定子コイルのスロット出口部を覆う電界緩和テープ及び該電界緩和テープを用いた回転機固定子コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界を緩和することを目的として、例えばコイルのエンド部などの高電界が発生するコイル導体端部に、電界緩和材を設けることが知られている。
【０００３】
電界緩和材としては、例えば、電界に対して非線形な抵抗を示す炭化珪素等の非線形抵抗粒子と、線形低抵抗を示す四三酸化鉄等の低抵抗粒子を樹脂中に分散させた電界緩和材料を塗料として用いたり、該電界緩和材料をシート状又はテープ状に成形して用いることが提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載の電界緩和材は、コイルのエンド部において、コイル導体上に設けられた絶縁層の外周面に設けられており、導電性塗料層と炭化珪素塗料層からなる。
【特許文献１】特公昭６１−３７７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の電界緩和材は優れた電界緩和効果を示すが、一方で周囲の状況、例えば製造時の温度条件や配合比のばらつきなどが変化した場合、それに伴って電界緩和能力が低下することがあった。
【０００６】
このように電界緩和材の特性が周囲の条件によりばらつくと、製品の性能低下につながる。特に機器の高電圧化が進むなか、許容される特性のばらつきは狭くなってきている。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、周囲条件の変化に対して電気抵抗特性が安定し、且つ放電抑制特性に優れた電界緩和テープ及びこのテープを用いた回転機固定子コイル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】
【０００８】
本発明者らは、非線形抵抗粒子の平均粒径、低抵抗粒子の平均粒径、樹脂の平均膜厚、補強布の繊維径及び網目間隔の大きさについて特定の相関関係を成立させることによって、周囲条件の変化に対して電気抵抗特性が安定し、且つ放電抑制特性に優れた電界緩和テープを製造することを考え出した。
【０００９】
すなわち、本発明の電界緩和テープは、低抵抗粒子及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子を分散した樹脂を補強布の両面に塗布又は含浸してなる電界緩和テープにおいて、大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径は前記樹脂の片面の塗膜厚さよりも大きく、且つ小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径及び／又は低抵抗粒子の平均粒径は前記補強布の網目間隔よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
前記大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１、前記小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記樹脂の塗膜厚さｔ、前記補強布の繊維径Ｒｇ及びその網目間隔Ｌが、Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇ、Ｄ２＜Ｌ、Ｄ１＞Ｄ２で示される。
【００１１】
本発明の回転機固定子コイルは、電界緩和テープをスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電界緩和テープによれば、大粒径の非線形抵抗粒子の一部分を塗膜面から突出させ、且つ分散させた低抵抗粒子及び／又は小粒径の非線形抵抗粒子の一部を補強布の網目内に通すことで、電気抵抗特性を安定させ、且つ高い電界緩和能力を得ることができる。
【００１３】
本発明の回転機固定子コイルによれば、この電界緩和テープをコイルのスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成することにより、安定した放電抑制特性を得ることができ、信頼性に優れているという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における電界緩和テープの組成を示す模式図である。
【００１６】
電界緩和テープ１は、低抵抗粒子２と、粒径が異なる大粒径の非線形抵抗粒子３と、小粒径の非線形抵抗粒子４とを樹脂５に分散し、補強布６の両面に塗布したもので構成されている。この電界緩和テープ１において、図１に示すように、大粒径の非線形抵抗粒子３は、該粒子の一部分が塗膜面７から突出し、樹脂５中に分散させたうちの一部の低抵抗粒子２と小粒径の非線形抵抗粒子４は、補強布６の網目内に入り込んでいる。ここで、低抵抗粒子２の平均粒径と、小粒径の非線形抵抗粒子４の平均粒径は、同様の粒径を有している。
【００１７】
このような大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１、小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、樹脂の塗膜厚さｔ、補強布の繊維径Ｒｇ及びその網目間隔Ｌの間には、Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇ、Ｄ２＜Ｌ、Ｄ１＞Ｄ２で示される関係式が成立している。
【００１８】
すなわち、非線形抵抗粒子の平均粒径と低抵抗粒子の平均粒径がＤ１＞Ｄ２で示す関係で表され、Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇを満たすことで大粒径の非線形抵抗粒子の一部分を塗膜面から突出させ、Ｄ２＜Ｌを満たすことで一部の低抵抗粒子と小粒径の非線形抵抗粒子をガラスクロス等の網目内に通すことができる。
【００１９】
非線形抵抗粒子は、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性を有し、電界の集中するコイルのスロット出口部での抵抗を低下させて、電界を緩和することができる。非線形抵抗粒子としては、炭化珪素及び／又は酸化亜鉛等が好ましく、その含有量は、非線形抵抗粒子と低抵抗粒子を樹脂に分散させた電界緩和材料全体の１０vol％である。
【００２０】
このような非線形抵抗粒子において大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１は、樹脂の塗膜厚さｔ、ガラスクロス等の網目間隔Ｌとの関係から、５μｍ≦Ｄ1≦２５０μｍであることが好ましい。また、樹脂と大粒径の非線形抵抗粒子の体積和に対する、大粒径の非線形抵抗粒子の体積比率は、１vol％以上７０vol％以下であることが好ましい。体積比率が７０vol％を超えると、小粒径の非線形抵抗粒子及び／又は低抵抗粒子を充填し難くなって電界緩和テープの製造が困難になる。一方、体積比率が１vol％未満であると、大粒径の非線形抵抗粒子からなる電気伝導路を形成し難くなる。
【００２１】
一方、小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２は、ガラスクロス等の網目間隔Ｌとの関係から、０．１μｍ≦Ｄ２≦２０μｍであることが好ましく、その含有量は、小粒径の非線形抵抗粒子と樹脂との体積和に対して、１０vol％以上である。
【００２２】
低抵抗粒子は、小粒径の非線形抵抗粒子と同様の平均粒径Ｄ２を有しており、四三酸化鉄、カーボン、銅、鉄、アルミニウム等が好ましく、単独で用いても、これらを混合して用いてもよい。
【００２３】
樹脂は、ゴム弾性を有する樹脂を用いることが好ましく、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴム等が挙げられる。該樹脂のゴム弾性効果により、電界緩和テープをコイルに巻き回した時に該テープとテープとの間（テープラップ間）の密着性を高めることができる。これによって、テープラップ間における塗膜面から突出した大粒径の非線形抵抗粒子同士の電気的接続を向上させて、電圧の高いコイルの放電を抑制することができる。該樹脂に非線形抵抗粒子と低抵抗粒子を分散した電界緩和材料を補強布に塗布する場合の塗膜厚さｔとしては、２μｍ≦ｔ≦１０００μｍの範囲となることが好ましい。ｔ＜２μｍでは、大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１との関係から大粒径の非線形抵抗粒子が脱落しやすくなる。一方、ｔ＞１０００μｍでは、テープの柔軟性が損なわれるため、コイルへの巻き付け性が悪くなり、テープをコイルに巻き付けてなる電界緩和層を形成することが困難になる。
【００２４】
なお、電界緩和テープをコイルに巻き回してレジンに含浸させる場合、Ｃステージ（完全硬化状態）の樹脂を用いることが好ましい。これによって、電界緩和テープが膨潤、溶解することなく、レジン含浸後も安定した抵抗値が得られる。レジンに含浸しない場合には、Ｃステージの電界緩和テープ両面にＢステージの電界緩和テープを設けてもよい。
【００２５】
補強布は、縦横の打ち込み本数が２５ｍｍ幅に対して３４本×３８本、または１５本×６０本であり、厚み２５μｍ〜１０００μｍ程度のガラスクロス又はポリエステルクロス等のクロス状のものを用いることが好ましい。経糸及び／又は緯糸の繊維径Ｒｇとしては、得られる電界緩和テープ表面の凹凸を防止しつつ、該テープの縮みを防止することを考慮すると、０．１μｍ〜５００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜１００μｍであることがより好ましい。補強布の網目間隔Ｌは、非線形抵抗粒子の平均粒径、低抵抗粒子の平均粒径との関係から１０μｍ＜Ｌであることが好ましい。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る電界緩和テープの体積抵抗率の電界依存性を示している。（Ａ）は、本実施形態に係る電界緩和テープを示す。（Ｂ１）は、従来の、塗膜面から非線形抵抗粒子の一部分が突出していない電界緩和材を示す。
【００２７】
図２より明らかなように、本実施形態に係る電界緩和テープ（Ａ）は、従来の電界緩和材（Ｂ１）と比較して、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性が強まっている。
【００２８】
本実施形態に係る電界緩和テープ（Ａ）は、大粒径の非線形抵抗粒子Ｄ１、樹脂の塗膜厚さｔ、補強布の繊維径Ｒｇとの間にＤ１＞ｔ−４Ｒｇの関係を成立させることで、大粒径の非線形抵抗粒子の一部分を塗膜面から突出させることができる。これによって、粒子の一部分が塗膜面から突出した大粒径の非線形抵抗粒子をテープラップ間にて互いに接触させることができるため、該粒子同士の電気的接続を向上させて高電界における抵抗値をさらに低下させることができる。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る電界緩和テープの体積抵抗率の電界依存性を示している。（Ａ）は、クロス状の補強布を用いた本実施形態に係る電界緩和テープである。（Ｂ２）は、従来の、フィルム状のポリエステルを用いた場合の電界緩和材である。
【００３０】
図３より明らかなように、従来例（Ｂ２）は、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性をもたない。一方、本実施形態に係る電界緩和テープ（Ａ）は、ガラスクロス等のクロス状の補強布を用いており、この補強布の網目間隔Ｌ、小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２及び低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２との間にＬ＞Ｄ２の関係を成立させることで、網目内に該粒子を通すことができる。これによって、ガラスクロス等の網目に入り込んだ粒子同士を互いに電気的に接続させて電気伝導路を作ることができ、高電界で抵抗が低下する非線形抵抗特性を付与することが可能となる。
【００３１】
このとき、ガラスクロス中では、その網目内に入り込んだ低抵抗粒子や小粒径の非線形抵抗粒子の粒子同士が連続して繋がったパーコレーションパスが形成されている。このパーコレーションパスの数は、小粒径の非線形抵抗粒子と低抵抗粒子の体積比率がある値（パーコレーション閾値）を越えると、指数関数的に増大する。
【００３２】
本実施形態に係る電界緩和テープは、樹脂中に非線形抵抗粒子と低抵抗粒子とを加えた、いわゆる２粒子系複合体になる。このような２粒子系複合体の導電特性は、発明者らによって、例えば、Tetsushi Okamoto et al. によって、Proceeding of 2001 International Symposium on Electrical Insulating Materials（２００１年）のＰ．８３〜Ｐ．８６（Percolation phenomena of field grading materials made of two kind of filler）などによって示された２粒子系複合体のパーコレーション理論によって説明することができる。
【００３３】
図４は、ポリブタジエンに、四三酸化鉄、大粒径の炭化珪素、小粒径の炭化珪素を分散してガラスクロスに塗布してなる電界緩和テープの体積抵抗率ρと、四三酸化鉄と小粒径の炭化珪素の体積比率Ｐとの関係を示している。縦軸は、電界緩和テープの体積抵抗率（ρ）を示し、対数表示されている。横軸は、四三酸化鉄と小粒径の炭化珪素が網目内に入り込んだガラスクロスにおいて、このガラスクロスを除いた体積Ｖにおける小粒径の炭化珪素と四三酸化鉄の体積比率（Ｐ）を示している。
【００３４】
体積Ｖは、単位面積Ｓ（＝ａ×ａとする）に対して次式で表わされる。ｔは樹脂の塗膜厚さであり、Ｒｇはガラスクロスの繊維径であり、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれガラスクロスの網目間隔の縦、横の大きさである。
Ｖ＝Ｓ{ｔ−４πＲｇ３／３×２×（１／Ｌ１＋１／Ｌ２）}
【００３５】
図４より明らかなように、小粒径の炭化珪素と四三酸化鉄の体積比率Ｐに対する体積抵抗率ρは、２ヶ所の折れ曲がり（屈曲点）をもつ曲線で示される。
【００３６】
発明者らは、２粒子系複合体の体積抵抗率ρが、図４に示す２つ目の屈曲点（高充填側）Ｐｃを基準として、ρ∝（Ｐ−Ｐｃ）−２で表されることを明らかにした。
【００３７】
そして、安定した体積抵抗率を得るためには、ρ∝（Ｐ−Ｐｃ）−２を満たすようにＰｃ値を定め、このＰｃ値を越えるように、体積Ｖにおける小粒径の炭化珪素と四三酸化鉄の体積比率Ｐを定めた。これにより、電界緩和テープの体積抵抗率の安定化、つまり電気抵抗特性の安定化を図ることができる。
【００３８】
図５は、ポリブタジエンに、四三酸化鉄、大粒径の炭化珪素、小粒径の炭化珪素を分散してガラスクロスに塗布してなる電界緩和テープの１００Ｖ／ｃｍにおける体積抵抗率ρと、四三酸化鉄の体積比率Ｐとの関係を示している。縦軸は、電界緩和テープの体積抵抗率ρを示し、対数表示されている。横軸は、ポリブタジエンと四三酸化鉄の総和における四三酸化鉄の体積比率Ｐを示している。
【００３９】
ここで、電界緩和テープは、その抵抗値が高すぎると該テープをコイルのスロット出口部に巻き付けてなる電界緩和層の始端（コイル側）で放電が発生する。一方、抵抗値が低すぎると電界緩和層の終端で放電が発生する。
【００４０】
電界緩和層の最も重要な特性は、コイルのスロット出口部の部分放電を抑制する点にある。図５に示すように、１００Ｖ／ｃｍのような低電界領域での体積抵抗率ρは、低抵抗粒子の体積比率Ｐに依存して変化するため、ポリブタジエンと四三酸化鉄の総和における四三酸化鉄の体積比率Ｐを１１vol％以上１３vol％以下とする。これによって、電界緩和テープの抵抗を１０４．５Ωｍ〜１０７．５Ωｍとすることができ、優れた放電抑制特性を得ることができる。
【００４１】
本実施形態では、低抵抗粒子及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子を樹脂中に分散させて得られる電界緩和材料を塗料として用いることも可能であるが、例えば、コイルのスロット（固定子鉄心スロット）出口部に塗布して使用する場合、斑になることがあり、その結果、抵抗値にばらつきが発生するため、抵抗が低下してしまうことがある。そこで、上述したように、電界緩和材料をガラスクロス等に塗布あるいは含浸してテープ状に成形することにより、安定した電気抵抗特性を得ることができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態における回転機固定子コイル２１の外形を示している。
【００４３】
本実施形態に係る回転機固定子コイル２１は、第１の実施形態で得られた電界緩和テープ２３を該コイルのスロット（固定子鉄心スロット）出口部２２に巻き付けて、電界緩和層を形成するようにしたものである。
【００４４】
該コイルの直線部からエンド部にかけて、収納される固定子鉄心スロットの境界となるため表面電位の勾配が急峻になる。この範囲（スロット出口部２２）に電界緩和テープ２３を巻き付けることにより、表面電位の勾配を緩やかにすることができる。
【００４５】
図７は、回転機固定子コイル２１のスロット出口部２２の層断面図を示している。
【００４６】
コイル導体３１上にマイカ層等の絶縁層３２が形成され、この絶縁層３２上に電界緩和テープにより、ある幅を低抵抗コロナ防止層３４にラップさせるようにして電界緩和層３３が形成されている。なお、低抵抗コロナ防止層３４は、固定子鉄心スロット内に収納される該コイルの直線部分の絶縁層３２表面に、従来の真空加圧含浸方式で用いるドライテープを巻き回して形成されている。
【００４７】
このコイル導体３１に高電圧を印加した場合の部分放電開始電圧、フラッシオーバー電圧を測定した。結果を表１に示す。従来例は、塗膜面から非線形抵抗粒子の一部分が突出していない電界緩和材を示している。
【表１】
【００４８】
表１より明らかなように、従来例と比べて、実施例では、コイル導体に高電圧を印加した場合の部分放電開始電圧は高くなる。塗膜面から大粒径の非線形抵抗粒子の一部分が突出させて、且つ小粒径の非線形抵抗粒子及び／又は低抵抗粒子を網目内に入り込ませることで、電界の集中するスロット出口部の抵抗を低下させて電界を緩和することができるため、部分放電開始電圧を高くすることができる。
【００４９】
本実施形態によれば、第１の実施形態で得られる電界緩和テープをコイルのスロット出口部に巻き付けることで、部分放電開始電圧が高く、優れた電界緩和能力をもつ回転機固定子コイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態における電界緩和テープの組成を示す模式図。
【図２】本発明の一実施例を示す非線形抵抗特性と従来の非線形抵抗特性の比較図。
【図３】本発明の一実施例を示す非線形抵抗特性と従来の比較図。
【図４】小粒径の非線形抵抗粒子と低抵抗粒子の体積比率と、体積抵抗率との関係を示す図。
【図５】低抵抗粒子の体積比率と体積抵抗率との関係を示す図。
【図６】本発明の回転機固定子コイルの外形図。
【図７】本発明の回転機固定子コイルの層断面図。
【符号の説明】
【００５１】
１…電界緩和テープ、２…低抵抗粒子、３…大粒径の非線形抵抗粒子、４…小粒径の非線形抵抗粒子、５…樹脂、６…補強布、７…塗膜面、２１…回転機固定子コイル、２２…スロット出口部、２３…電界緩和テープ、３１…コイル導体、３２…絶縁層、３３…電界緩和層、３４…低抵抗コロナ防止層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低抵抗粒子及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子を分散した樹脂を補強布の両面に塗布又は含浸してなる電界緩和テープにおいて、
大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径は前記樹脂の片面の塗膜厚さよりも大きく、且つ小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径及び／又は低抵抗粒子の平均粒径は前記補強布の網目間隔よりも小さいことを特徴とする電界緩和テープ。
【請求項２】
前記大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１、前記小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記樹脂の塗膜厚さｔ、前記補強布の繊維径Ｒｇ及びその網目間隔Ｌが、次の関係
Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇ
Ｄ２＜Ｌ
Ｄ１＞Ｄ２
で示されることを特徴とする請求項１に記載の電界緩和テープ。
【請求項３】
前記大粒径の非線形抵抗粒子及び前記樹脂の体積和に対する大粒径の非線形抵抗粒子の体積比率が１vol％以上７０vol％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界緩和テープ。
【請求項４】
前記非線形抵抗粒子が炭化珪素及び／又は酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項５】
前記低抵抗粒子が四三酸化鉄、カーボン及び金属から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項６】
前記樹脂は、ゴム弾性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項７】
前記補強布は、ガラスクロス又はポリエステルクロスであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電界緩和テープをスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成したことを特徴とする回転機固定子コイル。
【請求項１】
低抵抗粒子及び／又は２種類の粒度分布を有する非線形抵抗粒子を分散した樹脂を補強布の両面に塗布又は含浸してなる電界緩和テープにおいて、
大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径は前記樹脂の片面の塗膜厚さよりも大きく、且つ小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径及び／又は低抵抗粒子の平均粒径は前記補強布の網目間隔よりも小さいことを特徴とする電界緩和テープ。
【請求項２】
前記大粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ１、前記小粒径の非線形抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記低抵抗粒子の平均粒径Ｄ２、前記樹脂の塗膜厚さｔ、前記補強布の繊維径Ｒｇ及びその網目間隔Ｌが、次の関係
Ｄ１＞ｔ−４Ｒｇ
Ｄ２＜Ｌ
Ｄ１＞Ｄ２
で示されることを特徴とする請求項１に記載の電界緩和テープ。
【請求項３】
前記大粒径の非線形抵抗粒子及び前記樹脂の体積和に対する大粒径の非線形抵抗粒子の体積比率が１vol％以上７０vol％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界緩和テープ。
【請求項４】
前記非線形抵抗粒子が炭化珪素及び／又は酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項５】
前記低抵抗粒子が四三酸化鉄、カーボン及び金属から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項６】
前記樹脂は、ゴム弾性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項７】
前記補強布は、ガラスクロス又はポリエステルクロスであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電界緩和テープ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電界緩和テープをスロット出口部に巻き付けて電界緩和層を形成したことを特徴とする回転機固定子コイル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１４１４９（Ｐ２００７−１４１４９Ａ）
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９３１１１（Ｐ２００５−１９３１１１）
【出願日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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