JPS5970160A - 突極回転電機の界磁極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術外野〕 本発明ｔよ同期電動機の如き突極回転電機の界磁極に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

最近、同期′ｄ動機は訪導１を動手曵に比べ１．鴇効率
、高力率で運転できるため省エネルギー化の点で注目さ
れている。その意味で同Ｍ′Ｆｊｔ動機としてはその特
長を更に伸ばす技術的改良が試みられている。

そのためには回転子を小さくして風損、摩擦損等の機械
損を減らすことが特に高速機においては重要である。し
かし回転子径を小さくするとその界磁巻線に対する空間
スペースも小さくなるため、必要な起磁力を得るには電
流密１ｆ、を上げて小さな空間に大きな界磁電流を流す
ことが必要となる。

そのようにすると当然界磁巻線の温度上昇が高くなり、
その抵抗損が増加し効率が低下するばかシでなく、規格
温度上昇限匣内での運転ができず、ひいてはＷ動機寿命
の短縮につながる。

従来の突極形同期機においては回転子側の界磁極と界磁
巻線の宿成は、第１図に示すようになりていた。すなわ
ち鉄心１に対してちる固体の絶縁層を介してコイυ２が
巻装されていた。そして絶縁板６をコイル２と磁極片３
に挾みボルト４で磁極片３および磁極１と一体化してい
た。固体の絶縁層としては鉄心１に絶縁シー）１１を巻
き更にコイル２との隙間に絶縁性の積層板１２を挿入し
た９ｔ’４成が多い。したがってコイル２と鉄心１との
間は上述の如き比較的熱伝尋が低い（−ｈ　＝　０　、
２　Ｗ／ｍ”０　）材料とそれら層間の空気層（″＝＃
二０．０３Ｗ／、’℃）で構成されるためコイル２で発
生するジュール損（抵抗損）は鉄心１へ伝導する割合い
が低く、界磁コイルの冷却は鉄心ｉ、＝Ｆｉ反対側のコ
イル２の表面からの冷却風との熱伝達によるしかなく冷
却条件が非常に悪かった。したがって前述の如く界磁コ
イルの温度上昇が高くなるため、界磁コイルを小さくす
ることが難しく、結局回転子径を小さくすることができ
なかった。

〔発明の目的〕

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
であシ、コイルと鉄心のあいだの熱伝導のすぐれた突極
回転電機の界磁極を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕 上記目的を達成するために本発明の究極回転電機の界磁
極は、−磁極鉄心とこれに巻回した線輪とのあいだに形
成される空隙に、この空隙の長さの７以下かつＱ、５ｘ
ｉ以上の平均直径を有する無機質の粒状絶縁体および液
状樹脂を充填しこの液状樹脂を硬化させた構成とする。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第２図および第３図を参照して以下
に説明する。鉄心１とコイル２の間には無機質の粒状絶
縁体１３とそれらの間隙部を埋める熱硬化性又は室温硬
化性の樹脂１４を充填する。

本実施例の如き界磁極の製作は次のようにおこなう。す
なわち第３図（ａ）の如く磁極片３を取シ外した状態で
鉄心ｌにコイル２をとシフは鉄心１とコイル２の間の隙
間にその間隙長才の％よシ小さい直径のガラス球の如き
無機質の粒状絶縁体１３を充填する。次に熱硬化性又は
室温硬化性の液状の樹脂１４を注入する。この樹脂１４
は先に入れた粒状絶縁体１３の隙間を埋める形で流れ込
み、ついにはコイル２と鉄心１の間に空隙を作らない状
態に充填される。もぢろんコイル２と鉄心１の下部の部
外は重量により液状の樹脂１４が洩れ出さぬようにあら
かじめ絶縁ブロック５でシールしておく。樹脂充填後、
磁性片３を第３図（ｂ）の如くとりつけて樹脂１４を硬
化させ、る。このような手順によって鉄心１とコイル２
０間の絶縁が形成され本発明の界磁極が製作される。粒
状絶縁体としてはガラス粒、シリカ粒等、また樹脂とし
てはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等が使用しうる。一 本発明の界磁′ＶＡはこのように（イキ成したので鉄心
ｌとコイル２の間ｔよ空気層を含むことなく無機質の粒
状絶縁体１３とその間を完全に埋める樹脂１４との複合
体の絶縁層が形成される。粒状絶縁体］３も樹脂１４も
いずれも絶縁物であるだめ絶縁体としての機能を充外来
しうる。−力感伝導率についてみれば゛複合体の熱伝導
としては、粒状絶縁体自体の熱伝導率をを１１１樹脂自
体の熱伝導率をｌ、とずふと複合体の熱伝導率はほぼ（
Ｉｔ　ｍｌ　＋　４　ｔｎ２）　／　（ｍｌ十ｍ２）で
表わされる。町、ｍ２は粒状絶縁体および樹脂の占有体
積割合いであシ、ｍＩ＋ｍ、中１．０でちる。

一般に粒状絶縁体の熱伝導率ｆＴｌｌの方が樹脂の熱伝
導率ｍ２よル大きいので複合体としての熱伝導を上げる
ためには粒状絶縁体の占有体積率が大きい方が有利でち
る。

第４図はコイルと磁極間の光填物の熱伝導率を変化させ
た時の界磁コイルの最高温度を解析して求めたークリで
、熱伝導率が高い方が明らかに界磁コイｌしの温度が低
下している。ｌ二０．０３がＩＴ気の熱伝導率である。

したがって界磁コイルの温１基上昇を低くするずなわち
コイυよ多磁極への熱伝導をｆ。５く゛するためには粒
状絶縁体の占有率を関くすることが効果的であるという
ことが汁る。

第５図の丸および実線は５　ｎｎ１幅の隙間シこ直径の
異なるガラス粒を入れた時の一１λ間体４゛へに対する
ガラス粒実質の体積比をプロットしたものである。

この図で明らかな如く、粒１σ径が２　、５　ｉ１１程
１．１（以上でぽその占積率が１へ下する。

次に５龍へ値開を保った２枚の３００關角の板の間にガ
ラス粒を満たしその隙間の３方側を７−セし、上部より
樹脂を注入しガラス粒の隙間を浸透し完全にヲ６　ｊｌ
ｔされるまでの時間をプロットした。

粒径の大きい場合は比較的短時間で充填されるが粒径が
小さくなると充填時間が１太くなり、偵径０．５闘以下
のものは樹脂が充填しきれないことが判明した。しかし
直径０．５朋のものは加熱し樹脂粘度を下げると充填は
可能である。

第４図、第５図に示した実験結果よシ次のことが言える
。

（１）　　隙間幅に比べて％以下の径のガラス粒の方が
それ以上の径のものに比べ占積率が高くなる。

しかしその占積率は径が小さくなっても極端には増加し
ない。

（２）樹脂の浸透は粒径の大なる方が早く、粒径が隙間
幅の２０チ以下では浸透時間が極端に長くなるか、浸透
しきれない場合がある。

次に粒状絶縁体の直径と熱伝導の関係について考察する
。第６図（ａ）　＃′ｉ、粒状径ｄ１＝０．７ｗ（ｗは
隙間幅）の場合の隙間内の粒状絶縁体の配列を２次元的
に図示しだもので、壁１５から壁１６への熱の流れを模
型的に矢印で示した。壁１５に接する粒体１３ａ１壁１
６に接する粒体１３ｂ１そして粒体１３ａと粒体１３ｂ
は相互に接しているとすると、壁１５からの熱は実線の
ようにして粒体を通して流れ、一部は破線の如く充填樹
脂を通じて流れる。粒状体の方が樹脂より熱伝導率が高
いので結局■→［株］→Ｏという実線の径路で熱が流れ
る。

第６図山）は粒状絶縁体の直径ｄ、　＝　０．３５　ｗ
の場合であるが壁１５から例えば粒体１３ａ１粒体１３
ｂ１粒体１３ｃを通じて壁１６へ熱が流れる。第６図（
ａ）に比べて熱が直列に通る粒体数は多くなるが、壁の
単位面積当シの熱の流れる径路が増加する。第６図（ａ
）　ＩＣ比べてその径路数は約４倍となる。

更に粒径が小さくなると熱回路数が増加するか直列粒体
数も増加する。

粒状体による熱伝導の場合の熱抵抗＠ｈ　＝　１１．ａ
　＋１ｌｃ）は粒体内熱抵抗几ｄと、粒体間接触熱抵抗
ＲＩＣによってきまる。Ｒｃは次式で表わされる。

ｒｃ：接触熱抵抗 ｎｓ：直列粒体数　　ｎ、：熱回路数 粒体径が大となるとｒｉｓｔ′ｉ、小さくなり、糠も減
少する。粒体配列にもよるがｎ、α１／ｄ’１　　ｎｐ
α１／ｄ　、とすると（１）式は 粒体内熱抵抗面　け次式で表わされる。

つまシ熱通過長さは直列粒体数ｎ、と粒体径ｄ、の積に
比例・し、熱通過面積は粒体の断面績（、ａｔ）と熱回
路数の積に反比例する。（３）式は口、αｌ／ｄ１ｎｐ
α１／ａ＋　　を代入すると（４）式となる。

Ｒｄ　＝　ｋｎ　Ｘ　１／ノ！　　　・・・・（４）結
局粒状体を充填した時の熱抵抗８人は次式となる。

Ｒ，Ａ＝Ｒｄ＋Ｒｃ：＝ｋｓ−ｒｃＸｄ１＋に４Ｘ’　
　・＝・（４）１ ’Ｃ＋ｋｊは粒状体の形状等によって変化し、実験的に
求めた合成熱抵抗几ムは、略、占積率に反比例すること
が判った。

すなわち 躯：　ｋｓ　×１ｎ−１×”　　　・・・・（５）一方
粒状体間の隙間を埋めるために充填される樹に％導率１
２はガラ・等の粒状体の熱伝導率１１より低い０．２〜
０．３　Ｗ／ｍ’℃程度の値でちる。また壁１５．１６
間の隙間全体積に対して占める割きいはＩｎ２でちる。

したがって樹脂による熱抵抗をＴ？ｌＲとするならば １ 、［（ＩＲ：　ｋ、　ｘ　；、Ｘ　７．　　　・・・・
・・（６）と考えることが出来る。

実際に混合複合体は熱回路的に概ね第７図のム・口ぐ並
列回路と考えられるので、その合成熱抵抗ＩｔＴは（方
式となる。

ニー±十土　・、・・（力 Ｒｔ　　　Ｒ＊　　　１体 合成熱抵抗の逆数が合成の熱伝導率１１ＴとなるのでＣ
般式となる。

ｍｌ＋ｍ２　は概ね１となるが充填が完全でない場合は
ｍｌ　＋　ｍ２　（１となシ、残シは空洞（空気）が占
める割合いとなる。

熱伝導率１ｔを向、上するには１．　＞　１２なのでｍ
ｌを出来る限シ大きくすることが重要であるとともにｍ
４＋ｍ２を１＋１？：近づけるつまシ空気層を残さぬよ
うに充填することが必要となる。

以上述べてきたように複合熱伝導媒体を磁極と界磁コイ
ル間に充填することはその機能上複合熱伝導率／Ｔの高
いことが必要である。

この観点から粒状体を磁極コイル間数鮎の隙間につめる
時、粒状体の径が間隙長の％より小さいと第２図のデー
タよシ比較的占積率を高くすることができる。

しかし粒状体の径が小さすぎると充５）ｖｃｌ脂が充填
されないか、又は非常に長い浸透時間を要する。第３図
の実験では０．４１１Ｉｎ以上の径の粒状体であれば比
較的空洞もできずにレジンが充填できることがわかった
。

更に実験では全体の温度を上げレジンの粘度を下げると
樹脂浸透速度が上昇するという結果が得られているので
粒状径０．５ｎ以上では現実上工作作業能率の点からも
樹脂充填が多大の時間を要せずに可能である。

鉄心とコイルの間を充填することは、これまで述べて来
た熱伝導向上とともに、絶縁上も有利である。すなわち
コイルと鉄心の間に隙間がるると湿気、水分等の侵入を
許し、界磁コイｌしのＰ！縁縁下下もたらす。この点か
らも粒状体の隙間をレジンで完全に充填することｔま重
要な点であり、粒状体の径の小さい場合レジンの浸透が
悪いことは絶縁の面で好ましくない条件を作や出すこと
になる。

第８図は粒状体および樹脂の充填の方法の他の実施例を
示すもので制動巻線７をもつ磁極片３を下側として絶縁
板６、コイル２間、および磁極間をシールした後コイル
と磁極間の隙間にガラスピーズ等の粒状体１３を入れ、
その後樹脂１４を充填する。その状態で乾燥し、樹脂１
４を固化させたのち磁極コイル一体となったものをシャ
フト又はロータスパイダーに組込む◇ 第２図および第８図に示した製作方法の場合、粒状体を
一部入れたのち樹脂を一部充填し、更に粒状体を追加充
填することが望ましい場合もある。

更に比較的樹脂６が浸透しにくい下部となる部分に比較
的粒度の粗い粒状体を入れ、上部となる部外に粒度の細
かいものを入れたのち樹脂を充填する等の手段を構する
ことにょシ充填時間の短縮が期待できる等の充填技術面
での効果もラシ、間隙長の％よシ小さく、０．４龍以□
上の直径をもち粒状体を適宜組合せることの効果はある
。

〔発明の効果〕

本発明の突極回転電機の界磁極は、上述のようＶＣ構成
したので、界磁コイルの温度上昇が低下し界磁コイルに
よるジュール損が減少し、ひいては電動機効率を上げる
ことになる。また界磁コイル付近、特に大地と接する磁
極骨との藺の絶縁物の温度が常に低い温度に保持される
ので絶縁構成の寿命が長くなシ、ひいては信頼性高い同
期機を実現する。・イ・と磁極間の温度差蓄゛°低くな
るので温度差−に伴う絶縁構成に加わる熱応力が緩和で
きる。このようにコイルの温度上昇が低くできるので回
転子径の小さい同期機の設計が可能となシ、これに伴う
風損の低下、ひいては高効率同期機が可能となる。さら
にコイルと磁極間の隙間が皆無となるので、界磁コイル
の対地絶縁抵抗を高く維持することができ信頼性高いＳ
縁構成を実現できる。また、本発明の界磁極においては
、ガラス粒、シリカ粒等の剛性が高く、・高い温度まで
機械的強度の高い素材の相互接触によってコイルが支持
されるので、機械的応力にたいして（ｆｉｒ頼性の高い
回転電機が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１（２）は従来の突極回転電機の界ｔｅａ極の１例の
ｗｒ面図、第２図は本発明の突極回転電機の界磁極の１
実施例の断面図、第３図は本発明の界磁極の製作法を例
示する図、第４図は充填材の熱伝導率とコイルの温度上
昇の関係を示す関係図、第５図はガラス粒の直径と占積
率および樹脂浸透時間との関係を示す関係図、第６図は
粒状絶縁体における熱の伝導を示す模式図、第７図は伝
熱経路の等価回路図、第８図は本発明の池の実施例を示
す界磁極の断面図である。 １・・・鉄心、　　２・・コイ〜、　　３・・・磁極片
、１３・・粒状絶縁体、　１４・・・樹脂。 （７３１７）代理人弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名
）第１図 第２図 第３１！Ｉ（α） 第３図ＣＬ） 」す（イ云　４　年　　）　〔−一一一一’ｃＪ力゛ラ
スＧＭ　Ｉｌａ　（ｍｍ） 第６図（αす 第６　図（ｂ） （ｔＬｔ＝ρ、３ｊＣＬＬ／の壜台つ 第７図　　　第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁極鉄心とこの磁極鉄心のまゎシに巻回した線輪とを備
   えた突極回転電機の界磁極において、前記磁極鉄心と前
   記線輪とのあいだに形成される空隙には、この空隙の長
   さの７以下、かつ０．５　ｍｘ以上の平均直径を有する
   無機質の粒状絶縁体および液状樹脂を充填し、この液状
   樹脂を硬化したことを特徴とする突極回転電機の界磁極
   。