JP2004511882A

JP2004511882A - Super dielectric high voltage insulator for rotating electrical machines

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Publication number: JP2004511882A
Application number: JP2002535140A
Authority: JP
Inventors: スミス，ジェームズ，デイ，ビイ; エメリー，フランクリン，ティー; スコック，カール，エフ，ジュニア
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE60013650T2; KR100433914B1; EP1290701B1; DE60013650D1; EP1290701A1; WO2002031843A1; JP4499353B2; KR20020075205A

Abstract

導電部材（２）は、Ｃｒ、Ｓｎ及びＺｎの少なくとも１つの金属を含むオリゴマーと相互作用し、それに結合される樹脂を含んだ樹脂絶縁組成物の薄い被覆（６）で絶縁され、オリゴマーはケイ酸塩タイプである。The conductive member (2) interacts with an oligomer containing at least one metal of Cr, Sn and Zn, and is insulated by a thin coating (6) of a resin insulating composition containing a resin bonded thereto, wherein the oligomer is silicon. It is an acid salt type.

Description

【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、硬化後のクロム挿入ケイ酸塩材料内のエポキシとクロムのイオン結合を利用して、挿入ケイ酸塩のための耐高電圧エポキシ樹脂母材を提供する、高誘電強度のエポキシ樹脂に関する。これらの樹脂は、発電機のステータ及びロータの広範囲の絶縁材として使用可能である。高誘電強度により、非常に薄い絶縁体としての使用が可能となり、低コストの浸漬被覆またはスプレー法を用いることができる。
【０００３】
【背景情報】
ＫＡｌ_２ＡｌＳｉ_３Ｏ_１０（ＯＨ）_２（白雲母）またはＫＭｇ_３ＡｌＳｉ_３Ｏ_１０（ＯＨ）_２（金雲母）のようなケイ酸塩の群である雲母は、特別高い誘電強度、低誘電損失、高抵抗率、優れた熱安定性及び耐コロナ性のために、７Ｋｖを超える電気機械の耐高電圧絶縁機構の重要な要素として長い間使用されている。現在、雲母はガラス繊維の裏当て上においてフレークの形で使用されるが、この形は、例えば、米国特許第４，１１２，１８３号（Ｓｍｉｔｈ）及び４，２５４，３５１号（Ｓｍｉｔｈ，ｅｔａｌ．）に示されるように、機械によるコイルの外装に必要な機械的健全性を与えるものである。多くの場合、雲母テープはコイルの周りに巻回した後、真空圧含浸プロセス（ＶＰＩ）により低粘性の液体絶縁樹脂を含浸させる。このプロセスは、コイルを収容したチェンバを排気して、雲母テープに捕捉された空気や湿分を除去した後、加圧状態の絶縁樹脂を導入して、雲母テープに樹脂を完全に含浸させ、空所をなくして、雲母母材内の樹脂状絶縁物を形成するものである。実際、空所を完全になくすことは困難であり、これらの空所が電気的及び機械的な問題を起こす元となる。もちろん、雲母テープは厚く、かさばり、コイルへの適用は容易でない。
【０００４】
現在使用している雲母には、２つの領域で問題がある。それは、（１）雲母とポリマー絶縁物との界面における微視的な問題と、（２）雲母テープの層にポリマー絶縁物を完全に充填するに必要なＶＰＩプロセスの問題である。雲母の表面は、絶縁樹脂により「湿潤」でないため、問題となる領域である。従って、雲母の表面の傾向として、絶縁樹脂含浸する前でコイルを排気する間に空所は完全にはなくならない。雲母の表面処理または樹脂への湿潤剤の添加によっても、この問題は解決されていない。これらの空所は、コイルの電気的性能と機械的健全性の両方につき重大な結果を生ぜしめる可能性がある。これらの空所は、電気的には、部分放電の場所を提供するため、放電によりコイルの電気的損失が増加すると共に長期間の使用により周囲の絶縁体が劣化する。機械的には、これらの空所は離層が始まる場所を提供し、コイルを崩壊させる可能性がある。
【０００５】
ＶＰＩプロセスに係わる問題は、主として、（１）コイルの熱処理、（２）排気、（３）含浸、及び（４）硬化のいくつかのステップの結果である。各ステップは時間がかかるものであり、電気的及び機械的条件に合致するコイル完成品を製造するためには正しく実施しなければならない。プロセスの時間及びスクラップとなるコイルは、このコイル製造方法のコストを有意に増加させる。
【０００６】
高電圧絶縁に雲母を用いる必要性が問われている。Ｂｊｏｒｋｌｕｎｄｅｔａｌ．，ｏｆＡ．Ｂ．Ｂ．，ｉｎ ”ＡＮｅｗＭｉｃａ−ＦｒｅｅＴｕｒｎＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＦｏｒＲｏｔａｔｉｎｇＨＶＭａｃｈｉｎｅｓ”，ｔｈｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲｅｃｏｒｄｏｆｔｈｅ１９９４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ，Ｊｕｎｅ５−８，１９９４，ｐｐ−４８２−４８４は、雲母を５０％含むアレームペイパーの代替物として製造が容易な、銅巻回絶縁物の樹脂エナメルに酸化クロム保護層を用いることを教示している。酸化クロムの非線形性は、明らかに、自由電子の電荷の吸収に大きなインパクトを有する。
【０００７】
熱安定性が良好な材料を高い正電荷で帯電させる実験を前に行ったものもあった。Ｄｒｌｊａｃａｅｔａｌ．，ｉｎ ”ＩｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎｏｆＭｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅｗｉｔｈＩｎｄｉｖｉｄｕａｌＣｈｒｏｍｉｕｍ（ＩＩＩ）ＨｙｄｒｏｌｙｔｉｃＯｌｉｇｏｍｅｒｓ”，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２３，１９９２，ｐｐ．４８９４−４８９７は、収着性及び触媒特性を有し、ゼオライトの代替物となり得る、クロム挿入柱状粘土、即ち、イオン交換水の軟化に用いるナトリウムまたはカルシウムアルミケイ酸塩を教示している。Ｄｒｌｊａｃａｅｔａｌ．はさらに、”ＡＮｅｗＭｅｔｈｏｄｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｉｎｇＣｈｒｏｍｉｕｍ（ＩＩＩ）ＩｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄＣｌａｙｓ”，ＩｎｏｒｇａｎｉｃａＣｉｍｉｃａＡｃｔａ，２５６，１９９７，ｐｐ．１５１−１５４において、モンモリロナイト粘土（Ａｌ_２Ｏ_３・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ）へ挿入される平らなシートを形成する他の二量体とのＣｒ（ＩＩＩ）二量体反応を記載している。
【０００８】
Ｍｉｌｌｅｒ，ｉｎ ”ＴｉｎｙＣｌａｙＰａｒｔｉｃｌｅｓＰａｃｋＰａｔｅｎｔＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＰｕｎｃｈ”，ＰｌａｓｔｉｃｓＷｏｒｌｄ，Ｆｉｌｌｅｒｓ，Ｏｃｔｏｂｅｒ１９９７，ｐｐ．３６−３８は、粘土と関係があるが、異なる領域で、優れた機械的強度、耐熱性、耐炎性、ガス障壁特性を有する、鉱物充填プラスチックナノ組成物を記載している。これらの組成物は、幅が約０．５マイクロメートル乃至２マイクロメートル、厚さが１ナノメートル（ｎｍ）、即ち０．００１マイクロメートルの、モンモリロナイトの粘土の小さなプレートレットの束を含むナイロン材料を前に使用していた。最近では、プレートレットを他の樹脂内に取りこむ試みが成されている。Ｍｉｌｌｅｒはさらに、大きな「アスペクト比」を有し、即ち、厚さに比べて幅が大きく、プレートレットとポリマーとの間に分子結合が形成されるプレートレットを記載している。ＮａｎｃｏｒＩｎｃ．及びＡＭＣＯＬＩｎｔｌ．のような粘土製造業者は、プレートレットの間の間隔を、約４オングストローム、即ち、約０．０００４マイクロメートルから、有機樹脂分子がプレートレット表面に直接イオン結合または共有結合により付着できる厚さに、化学的に延伸、即ち、「開いて」、プレートレットが、その後の重合／配合時に、直接反応してポリマー構造となるようにしている。プレートレットの束は、粘土製造業者により個々のプレートレットに剥離され、これにより重合／配合が容易になる。Ｍｉｌｌｅｒが述べるように、分子の「尾部」は、親水性（水に対する親和性）の粘土と、疎水性（水をはじく）の有機ポリマーとの間の不相溶性を克服して、それらが直接、分子結合を形成する、即ち、ポリマーがナノ粘土に挿入されるようにする化学的機能を有する。タイミングベルトとは別の用途として、熱可塑性樹脂のガス障壁包装、マイクロ波を照射できる容器、及びエポキシ樹脂回路盤があるように思える。
【０００９】
これらのプロセスはまた、米国特許第４，８８９，８８５号において、豊田中央研究所のＵｓｕｋｉｅｔａｌ．によっても説明されている。この特許では、アンモニウム塩、サルフォニウム塩及びフォスフォニウム塩のような物質からのオニウムイオンが、モンモリロナイトのような粘土の層間距離を粘土鉱物の無機イオンとのイオン交換により拡張するために使用されている。これにより、粘土鉱物は、ポリマーを層間の空間に挿入して粘土鉱物の層とポリマーとをイオン結合により互いに直接結合することが可能である。オニウム塩は、重合開始剤になる分子の骨組みを有する。オニウム塩が樹脂の基本的構成単位となる分子の骨組みを有する場合、塩は、フェノール基（フェノール樹脂のための）、エポキシ基（エポキシ樹脂のための）、及びポリブタジエン基（アクリロニトリルブタジエンゴムのための）を有する。豊田研究所のＹａｎｏａｎｄＵｓｕｋｉｅｔａｌ．は、”ＳｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｌｙａｍｉｄｅ−ＣｌａｙＨｙｂｒｉｄ”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＰａｒｔＡ，ＰｏｌｙｍｅｒＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．３１，１９９３，ｐｐ．２４９３−２４９８において、ドデシラミンのアンモニウム塩を挿入したモンモリロナイトを、ガス障壁薄膜として用いるポリアミド樹脂ハイブリッドの充填剤として用いることを記載している。この論文では、ナトリウムタイプのモンモリロナイトを高温の水と混合してナトリウムを分散させた後、このナトリウムをドデシラミンのアンモニウム塩で置換し、その後、ジメチルアセタミド（ＤＭＡＣ）を挿入して、モンモリロナイトのプレートレットを開くように思える。挿入された層間モンモリロナイトを、その後、ポリアミド母材内にただ分散し、フィルムに成形するが、モンモリロナイトはフィルム表面と平行に配向して、ガスの浸透を妨げる障壁となっている。
【００１０】
プレートレットの束の剥離及びポリマーの挿入はまた、米国特許第５，６９８，６２４号（Ｂｅａｌｌｅｔａｌ．）に記載されており、この特許では、重合可能なモノマーがプレートレット間に直接挿入されるか、あるいは剥離した材料と混合された後重合される。教示された適当なポリマーには、ポリマイド、ポリエステル、ポリウレタン及びポリエポキシドがある。ここでは、有機アンモニウム分子が、ナトリウムまたはカルシウムのモンモリロナイト粘土のプレートレットを挿入されて、プレートレット内の厚さが増加した、即ち、「開いた」後、高せん断混合によりケイ酸塩の層が剥離し、その後、これらの層が母材ポリマーと直接混合されて、機械的強度及び／または耐高温性が向上する。プレートレットとポリマーとの相互作用のこれら全ての例は、ポリマーと、「開いた」ナノプレートレットとの間の直接の相互作用に見える。この領域の他の特許には、米国特許第５，７２１，３０６（Ｔｓｉｐｕｒｓｋｙｅｔａｌ．）；５，７７６，１２１（Ｂｅａｌｌｅｔａｌ．）及び５，８０４，６１３号（Ｂｅａｌｌｅｔａｌ．）がある。
【００１１】
含浸及び真空圧含浸雲母テープは高電圧電気絶縁の標準材料であり続け、酸化クロムの上部被覆層は耐ＰＤ（部分放電）性を向上させることがわかっているが、１つの用途の高電圧電気導体上へ浸漬被覆、スプレーまたは押出し形成が可能であり、しかもかさばった雲母母材絶縁物の全ての望ましい特性を備えた、極端に薄く、低コストの高電圧電気絶縁物に対する需要が存在する。
【００１２】
【発明の概要】
従って、本発明の主要目的は、含浸雲母フレークまたは雲母テープの代替物となり得、薄く適用しても高電圧保護及び高電圧耐久特性が得られる、低コストの高電圧電気絶縁体を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、驚異的な電圧耐久特性を有し、薄く適用可能であると共にケイ素を含む成分を利用できる低コストの高電圧絶縁体を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、薄く適用しても、Ｓｍｉｔｈの‘８３４特許のような錫とクロムの化合物の利点、及びＳｍｉｔｈｅｔａｌ．の’３５１特許のようなクロムと亜鉛の化合物の利点の一部が得られる低コストの高電圧電気絶縁体を提供することにある。
【００１５】
本発明の上記及び他の目的は、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ及びそれらの混合物より成る群から選択した金属を含有するオリゴマーと相互作用し、オリゴマーに接合された樹脂の被覆で絶縁された導電性部材であって、オリゴマーはＡｌ．Ｓｉ．Ｏを含む構造内に位置し、この構造は樹脂重量の約３重量パーセント乃至３５重量パーセントを占める導電性部材を提供することにより達成される。この被覆は、厚さ０．１ｃｍ乃至０．３ｃｍであるのが好ましく、導体が７ｋｖまたはそれより高い発電機のような回転電機の金属コイルである場合、この導体のような基材に浸漬被覆、スプレーまたは押出し適用することが可能である。
【００１６】
本発明はまた、電気絶縁体としての使用に好適な樹脂状被覆を形成する方法であって、（Ａ）Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ及びこれらの混合物より成る群から選択した金属を含むオリゴマーを用意し、（Ｂ）プレートレットの形状を有し、構成要素としてのプレートレット間の間隔が拡張可能である固体Ａｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料を用意し、（Ｃ）ポリエポキシド樹脂、スチレン化ポリエポキシド樹脂、ポリエステル樹脂及び１，２−ポリブタジエン樹脂より成る群から選択され、Ｃｒ、Ｓｒ及びＺｎの存在下で相互作用して重合可能な液状樹脂を用意し、（Ｄ）金属を含有するオリゴマーを固体Ａｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料の空間に挿入し、（Ｅ）液状樹脂及び固体の金属挿入Ａｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料を互いに接触させて、固体の金属挿入Ａｌ．Ｓｉ．Ｏが液状樹脂内に分散されるように、樹脂状混合物を形成するステップより成る樹脂状被覆形成方法に係わる。本発明は、さらに、（Ｆ）樹脂状混合物を基材に適用し、（Ｇ）金属挿入Ａｌ．Ｓｉ．Ｏ液状樹脂混合物を加熱して、樹脂が金属と相互作用することにより、液状樹脂とオリゴマーとが相互作用し、また固体のＡｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料の周りの樹脂がその材料と重合して、硬化し重合した樹脂の固体母材が得られるようにするステップをさらに含む。
【００１７】
無溶剤ポリエポキシド（エポキシ）樹脂、スチレン化ポリエポキシド樹脂、ポリエステル樹脂、１，２−ポリブタジエン樹脂が特に有用な樹脂であるが、これら全てはＣｒ、Ｓｒ及びＺｎの触媒存在下で相互作用し且つ重合可能である。好ましいＡｌ．Ｓｉ．Ｏ構造はモンモリロナイトであり、好ましいオリゴマーはＣｒ（ＩＩＩ）オリゴマーである。これらの材料の電圧耐久特性は、７．５Ｋｖ／ｍｍ（１８８ボルト／ミル）で１０００時間以上であり、一般的に１８８ボルト／ミルで２８００乃至３０００時間の非常に大きい範囲内にある。例えば、無充填のエポキシ樹脂の通常範囲は、１８８ボルト／ミルで１０００時間であり、本発明の樹脂は、最高３５Ｋｖの電圧で０．０６３ｃｍ（０．０２５インチ）以下の厚さに適用することができる。
【００１８】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１は、コイル２にような絶縁された電気的部材を示す。この部材には、薄い硬化絶縁ケーシング６に挿入されたリード線４があり、ケーシングはこの部材に適用された本発明の樹脂組成物である。従って、図１は、本発明のある特定の物品、即ち、本発明の組成物に挿入または封入された電気または電子部品を示す。
【００１９】
図２は、モータ２０の一実施例の断面図である。このモータは、金属製のアーマチャー２１のスロット２２内に絶縁されたコイル２３を収容し、その周りを、スロット２５を有する金属製のステータ２４が取り囲み、スロット２５がステータの周面にあるものである。ステータのスロットには、絶縁されたコイル２７がある。コイルの基材２３及び２７に適用された被覆絶縁物は、本発明の樹脂組成物により形成することができる。図３は、発電機３０の一実施例の断面図である。この発電機は、基本的構成要素として、金属製ロータ３１のスロット３２に絶縁コイル３３が収容され、ロータを取り囲む金属製ステータ３４が周面３６にスロット３５を有するものである。ステータのスロットは絶縁コイル３７を収容し、図示はしないが内部冷却チャンネルを含むことがある。コイル３３、３７に適用された全ての被覆絶縁物は、本発明の樹脂組成物により形成することができる。
【００２０】
本発明において使用可能な樹脂組成物の１つのタイプは、二価フェノール１モルにつき１乃至２またはそれ以上のモルのエピクロロヒドリンを用いて、このエピクロロヒドリンを、約５０℃の温度で、アルカリ性媒体内の二価フェノールと反応させることにより得ることができる。反応を起こすために加熱を数時間の間継続し、生成物を塩及び塩基がなくなるように洗浄する。この生成物は、単一の単純化合物でなくて、グリシジルポリエステルの複合混合物である。しかしながら、主要な生成物は、図６の化学構造式で表すことが可能であり、この式において、ｎは、級数０、１、２、３．．．の整数であり、Ｒは、二価フェノールの二価水素ラジカルを表す。通常、二価の炭化水素ラジカルは、図７Ａで示すのと同じ組成を有し、ビスフェノールＡ型エポキシドのジグリシジルエーテルを与える。二価炭化水素ラジカルはまた、図７Ｂに示すものと同じような組成を有し、ビスフェノールＦ型エポキシド樹脂のジグリシジルエーテルを与えることを注意されたい。
【００２１】
本発明に用いるビスフェノールエポキシドは、１よりも多い１，２エポシキ当量を有する。それらは一般的にジエポキシドであろう。エポキシ当量は、グリシジルエーテルの平均の分子に含まれる、図８に示すような１，２エポキシ基の平均の数のことである。
【００２２】
本発明に有用な他のグリシジルエーテル樹脂には、エピハロヒドリンを、例えば、フェノールホルムアルデヒド縮合物と反応させて調製するノボラックのポリグリシジルエーテルが含まれる。脂環式エポキシドは、グリシジルエステルエポキシ樹脂と同様に有用であり、これらは共に非グリシジルエーテルエポキシドであって、当該技術分野において周知であり、Ｓｍｉｔｈｅｔａｌ．の米国特許第４，２５４，３５１号に詳細に記載されており、この特許では、本発明にとっても有用なエポキシ化ポリブタジエンが記載されている。上述したこれら全ての樹脂組成物は、以下において、「ポリエポキシド樹脂」として説明する。
【００２３】
他の有用な樹脂には、ポリエステル及び１−２，ポリブタジエンが含まれるが、これらは全て当該技術分野において周知である。一般的に、ポリエステル樹脂は、ほとんど全てが二塩基酸と二価アルコールとの反応により製造される合成樹脂の大きな群である。少数の例で、グリセロルまたはクエン酸のような三官能化モノマーが用いられる。用語「ポリエステル樹脂」は、特に、マレイン酸ような不飽和二塩基酸から作られる生成物に適用される。不飽和ポリエステル樹脂はさらに、架橋結合により重合することができる。スチレンのような別の不飽和モノマーを、重合のこの第２の段階で添加することが多いが、これは、適当な過酸化物触媒により通常の温度で起こすことができる。無水マレイン酸及びフマル酸は普通の不飽和酸の成分であるが、無水フタル酸またはアジピン酸もしくはアゼライン酸は、それらに対応する飽和物質である。常用するグリコルとして、エチレン、プロピレン、ジエチレン、ジプロピレン及びある特定のブチレングリコルがある。添加される重合可能なモノマーは、スチレン、ビニールトルエン、ジアリルフタレートまたはメチルメタアクリレートである。不飽和ポリエステル樹脂に加えて、他の重要なタイプがある。１つの大きな群は、アルキド樹脂である。これらは、多くのタイプの変種を有し、通常は不飽和脂肪酸を含む飽和酸及びアルコールモノマーから作られる。
【００２４】
一般的に、１，２ポリブタジエンは、ブタジエンＨ_２Ｃ＝ＣＨ＝ＣＨ＝ＣＨ_２から作られる合成ゴムである。１，２−の形では、ブタジエンは１，２−を重合させるため、各ブタジエン分子の第１の炭素は、別の分子の第２の炭素に結合される。これが起こると、その結果得られるポリマーの主鎖は第１と第２の炭素だけを含むが、第３及び第４の炭素は、例えば図９に示すように、ビニル側の鎖に含まれる。これらの１，２−ポリブタジエンは、アイソタクチック、シンジヨウタクチック及びアタクチックの形で存在するが、シス及びトランス形をとることができない。
【００２５】
さらに、これらの樹脂の簡単な説明は、Ｒｏｓｅ，ＴｈｅＣｏｎｄｅｎｓｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＤｉｃｔｉｏｎａｒｙ，６ｔｈＥｄ．，ｐｐ．９０９−９１１（１９６１）にある。
【００２６】
Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ及びそれらの混合物より成る群から選択した金属Ｍを含む有用なオリゴマーは、例えば、図１０に示すような二量体構造を持つことができる。
【００２７】
これらのオリゴマーはまた、Ｄｒｌｊａｃａｅｔａｔ．，ｉｎＩｎｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２３，ｐｐ．４８９４−４８９７（１９９２）に詳説されるように、例えば、三量体、開いた四量体、閉じた四量体のような他のよく知られた構造を持つことができる。
【００２８】
本発明の絶縁された導電部材を提供するための有用な反応手順を、一般的に図４に示す。Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎまたはそれらの混合物より成るオリゴマーを調製する。これは、一般的に、強酸（即ち、過塩素酸）を金属塩（硝酸クロム、塩化錫脱水物、硝酸亜鉛水和物）と水溶液中で反応させることにより得られる。
【００２９】
１つの特に有用なＣｒ（ＩＩＩ）オリゴマーは、図１１の組成を有するクロム（ＩＩＩ）２４ベンタンジオネートである。さらに、このタイプのオリゴマーを参照番号４０で示す図４を参照されたい。
【００３０】
これらのオリゴマーは、最適に、互いに反応させて、厚さが約０．０００４乃至０．０００９マイクロメートル（４乃至９オングストローム）のパネル状シートの形をした二量体の鎖を形成することができる。これを、図１２に示すが、これは、例えば、Ｄｒｌｊａｃａｅｔａｔ．，ｉｎＩｎｏｒｇａｎｉｃａＣｈｉｍｉｃａＡｃｔａ，２５６（１９９７），ｐｐ．１５１−１５４に教示されている。
【００３１】
プレートレットの形状を有し、それらプレートレット間の間隔が拡張可能である、未変性雲母タイプのケイ酸塩のような、固体のＡｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料を、図４において４２で示す。例えば、未変性白雲母、金雲母またはモンモリロナイトのような粘土型ケイ酸塩、もしくはそれらの混合物を処理して、プレートレット間の間隔を拡張またはさらに「開き」（かかる材料を４３で総括的に示す）、オリゴマー及び有機樹脂の分子が雲母または粘土のプレートレット内に挿入できるようにする。その結果を、ステップ（２）に示す。通常の前処理ステップとして、これらの雲母または粘土のプレートレットを、雲母や粘土の層間距離を拡張し、それらの物質の親水性を減少させ、疎水性を増加させて、一般的に疎水性ポリマー材料がより容易に雲母または粘土と相互作用できるようにする量だけ添加された、アミン、アンモニウム塩のようなオニウム塩または他の化学物質と接触させることにより、化学的に処理することができる。
【００３２】
ステップ２において、金属を含むオリゴマー４０は、背景技術で前述したように、開いたＡｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料に挿入するか、または層間介在させることにより、例えば、白雲母ＫＡｌ_２ＡｌＳｉ_３Ｏ_１０（ＯＨ）_２、または金雲母ＫＭｇ_３ＡｌＳｉ_３Ｏ_１０（ＯＨ）_２，若しくはモンモリロナイトＡｌ_２Ｏ_３・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏのような構造４３’を得る。これは、金属を含むオリゴマーを、例えば、ケトンクロム（ＩＩＩ）２．４−ペンタネジオネートのような適当な溶媒中に溶解し、Ａｌ．Ｓｉ．Ｏ系材料を溶液と実質的な時間の間接触させた後、乾燥することにより行なう。
【００３３】
「開いた」Ａｌ．Ｓｉ．Ｏ材料内に位置するようになった金属を含むオリゴマー（全体を４３’で示す）は、その後、それ自身で重合し、またＡｌ．Ｓｉ．Ｏ材料中の金属を含むオリゴマーと重合することができる樹脂組成物と相互作用させる。層間挿入雲母、粘土等４３’を、ステップ（２）において適当な樹脂組成物４４と混合した状態で示す。樹脂に対するＡｌ．Ｓｉ．Ｏ材料内のオリゴマー−金属の範囲は、約３重量パーセント乃至３５重量パーセント、好ましくは５重量パーセント乃至２０重量パーセントである。加熱すると、樹脂組成物４４は架橋結合して、図４のステップ（３）に示すようにＡｌ．Ｓｉ．Ｏ材料４３の周り及びその内部でポリマー４６を形成する。
【００３４】
ポリマー材料を電気的絶縁破壊から保護する機構を以下に説明する。雲母は、部分放電に対する高い耐性を有するため、電圧耐久特性を増加させ、絶縁材料の寿命を長期化させる点で特にユニークな材料である。この保護機構は、性質上電子的機構であり、物理的機構でないと一般的に信じられている。部分放電（「電子雪崩」と呼ばれることもある）により生じる高エネルギーの電子は、ケイ酸塩の格子通路内に保持されたＫ^＋イオンのアレイにより発生される強い正の電界より、速度を減少され、脱勢される。高電圧絶縁系における雲母の保護能力に主として関係があることが明らかなのはこの効果である。
【００３５】
本願で後で明らかになるように、本発明の概念及び技術的手法は、この電子非活性化機構に基づいている。遷移金属塩の選択は、電荷／サイズ比を考慮して行なうことができる。雲母が自由電子を掃去する機構は、格子通路にあるＫ＋電子によるものである。これらのイオンは通常、非常に強固に保持されており、自由電子の非常に効果的な掃去手段である。
【００３６】
一般的に、遷移金属イオンは、電荷が大きく、サイズが小さいため、電荷／サイズ比が非常に大きい。図１３の表は、いくつかの例を示したものである。これらの格子通路にあるＫ^＋イオンを金属イオンで置換すると、雲母よりもさらに効率的に部分放電を保護できる（従って、長い電圧耐久特性が得られる）というのがこの概念である。これは、これらの金属イオンの電荷／半径比が大きいため、絶縁材料を劣化させる高速電子の脱勢がより効果的に行われるためである。
【００３７】
その結果得られる組成物は、電気的部材、例えば、ワイヤー、コイル、電子部品などに適用することができる。この組成物の絶縁効果は驚異的であり、断面が０．０６ｃｍの薄さに適用可能である。開発が完全段階になれば、これらの新しい誘電材料は、高性能の成型樹脂に使用するか、あるいは真空圧含浸樹脂製造のための新型雲母テープの代替物として使用することが可能である。最終的なペイオフは、厚さを現在のレベルをはるかに超えたものに急激に減少させる機会が得られることである。最終的には、厚さ０．００５ｃｍ（０．００２インチ）の、発電機コイル用絶縁システムを、この開発の結果として得ることができる。これらの材料の非常に高い誘電性が、この極めて薄い絶縁層の使用を可能にする。
【００３８】
他の種々の高電圧の用途では、ロータ用の改良型絶縁材料、損傷を受けたステータコイル用の高誘電率のパッチ、相リード線用の固体絶縁材料及び高温空冷式発電機の直列コネクタを開発することにより、これらの材料から恩恵を得ることができる。
【００３９】
本発明を、以下の例を参照してさらに説明する。
【００４０】
例　１
この実施例に用いた雲母タイプのケイ酸塩は、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．のモンモリロナイトのケイ酸塩粘土（商標「Ｋ−１０」）であった。この材料は、以下の特性を有していた。即ち、自由流動性の白い粉末の粒子表面積が２２０−２７０ｍ２／ｇ、かさ密度が３００−３７０ｇ／ｌであった。１５０ミリリットルのエタノール／水（５０／５０ｖ／ｖ）内の１グラムのオクタデシラミン（「ＯＤＡ」）、第１アミンの溶液を、４５℃に加熱した。別個に１グラムのケイ酸塩粘土を１００ミリリットルの水に懸濁して、オクタデシラミン溶液に添加することにより、プレートレット距離を「開いた」。７０℃で１０時間加熱した後、混合物をフィルターに通し、新鮮なエタノール／水（５０／５０ｖ／ｖ）で洗浄した。その生成物を空気中で乾燥させた後、真空炉で５０℃の温度で１０時間乾燥させると、その時間の終期で、ケイ酸塩粘土が挿入に適する開いた構造を有するようになった。その後、ケイ酸塩を、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．から市販されている化学式［Ｃ_５Ｈ_７Ｏ_２］_３Ｃｒのクロム（ＩＩＩ）２，４−ペンタネディオネートで処理した。この反応は、クロム化合物をメチルエチルケトンで溶解し、室温でケイ酸塩と２時間攪拌することにより行った。その結果得られた生成物を空気乾燥した後、真空炉に５０℃で１２時間おくことにより、Ｃｒ（３^＋）挿入粘土を得た。
【００４１】
クロム挿入粘土を、その後、米国特許第４，２５４，３５１号に従って調製した液状ポリエポキシド真空圧含浸樹脂内に懸濁させ、直径１０．２ｃｍのケーキ試料に成型した。これらの試料を１３５℃で２時間ゲル化した後、完全に硬化するまで１５０℃の温度で１６時間加熱した。普通通り、クロム挿入ケイ酸塩を、エポキシ樹脂に対して重量で１０％のレベルに添加した。ポリエポキシド樹脂だけの対照試料も、直径１０．２ｃｍのケーキに成型して、上述したように硬化させた。
【００４２】
その後、硬化済みＣｒ（３^＋）挿入試料を、エポキシの対照試料と共に、長期間電圧耐久試験した。普通通り、印加電圧応力が約７．５Ｋｖ／ｍｍ（１８８ボルト／ミル）の油の中で２４Ｋｖの電圧をかけて試料をテストし、故障するまでの寿命を観察した。結果を図５に示すが、この図の平均寿命は時間で示す。このデータは、各群の４またはそれ以上のテスト試料の平均寿命である。これらの結果から、クロム挿入ケイ酸塩の添加剤試料Ｂを含むエポキシ樹脂は、対照試料Ａと比べて３倍以上の電圧耐久寿命を有し、このためクロム挿入ケイ酸塩の添加により誘電強度が増加したことが明らかである。
【００４３】
これら最初の実験を、通常粒径の粘土（ナノサイズの粘土プレートレットではない）で行い、また挿入用のクロム化合物が標準のクロム（ＩＩＩ）種であることを考えると、本明細書の最初に述べた理由により、即ち、クロムにより効果的な挿入が得られ、樹脂母材において誘電率増加添加剤がよく分散されるため、クロムオリゴマー及びナノサイズの粘土プレートレットを用いると、電圧耐久性能が更に劇的に改善されることが予想される。Ｃｒの代わりにＳｎまたはＺｎを用いても同様に良好な結果が得られ、また、スチレン化ポリエポキシド、ポリエステル及び１，２−ポリブタジエン樹脂も、上の例で用いたポリエポキシド（エポキシ）の代わりに用いることができる。
【００４４】
例　２
例１に示す長期間の電圧耐久テストの他に、高電圧電気絶縁物の評価に用いる他の重要なテストがある。かかるテストの１つは、硬化した樹脂試料を油中の２つの電極間に配置する短期間誘電強度測定（ＡＳＴＭ　Ｄ−１４９）である。印加電圧を０から絶縁破壊が生じるまで、毎秒０．５乃至１．０Ｋｖの特定の一様な割合で増加する。上述したような厚さの電気絶縁体にとって典型的であるように、電圧は、絶縁破壊が起こる前に３５Ｋｖを超える。誘電強度絶縁破壊値を、絶縁破壊時の電圧を試料の厚さで割算することにより（ボルト／ミル）計算する。
【００４５】
種々の挿入粘土の試料を、例１で説明したように調製し、硬化させて、ＡＳＴＭ　Ｄ−１４９のテスト手順に従ってテストした。この一連の実験では、クロムのオリゴマーを挿入した小さな粒径のナノ粘土も含むようにした。実験結果を、図１４の表に要約して示す。
【００４６】
その結果によると、粘土材料がＣｒ及びＳｎのような金属を挿入され、１％乃至９％のレベルでエポキシ樹脂に添加されると、短期間電圧絶縁破壊値が、かなりの程度向上する。これは、特に、無挿入のナノ粘土試料に比べてエポキシの誘電強度が約２３％増加する、クロム・オリゴマーを挿入したナノ粘土試料においてそうである。また、挿入済みナノ粘土材料は、それ以外の挿入済み粘土試料と比べて混合及びエポキシ樹脂内での分散が容易であり、このため硬化時に試料全体に亘りより均一な分布が得られることが観察された。
【００４７】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者は、本願の教示全体に鑑みて種々の変形例及び設計変更が可能であることがわかるであろう。従って、図示説明した特定の構成は例示の目的のみであって本発明の範囲を限定するものでなく、この範囲は頭書の特許請求の範囲及び任意全ての均等物の全幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の絶縁物のスプレー被覆を備えた封入電気物品の断面図である。
【図２】
図２は、コイルが本発明による絶縁物の薄い浸漬被覆または押出し層で絶縁されたモータの断面図である。
【図３】
図３は、コイルが本発明による絶縁物の薄い浸漬被覆または押出し層で絶縁された発電機の断面図である。
【図４】
図４は、本発明の反応手順の理想的な状態を示す図である。
【図５】
図５は、対照試料（Ａ）と、本発明の挿入材料（Ｂ）との平均寿命を示す比較図である。
【図６】
図６は、本発明に使用可能な１つの樹脂組成物の化学構造式である。
【図７Ａ】
図７Ａは、図６のＲに対応する１つの化学構造式である。
【図７Ｂ】
図７Ｂは、図６のＲに対応する別の化学構造式である。
【図８】
図８は、本発明に用いるビスフェノールエポキシドの化学構造式である。
【図９】
図９は、本発明のポリマーの化学構造式である。
【図１０】
図１０は、本発明のオリゴマーの１つの化学構造式である。
【図１１】
図１１は、本発明のオリゴマーの別の化学構造式である。
【図１２】
図１２は、本発明のオリゴマー間の反応により形成される二量体の鎖の化学構造式を示す。
【図１３】
図１３は、本発明による種々の被覆の電荷／半径比の比較して示す表である。
【図１４】
図１４は、本発明による種々の挿入済み粘土の短期間電圧絶縁破壊データを示す表である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]
FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a high dielectric strength epoxy resin utilizing the ionic bonding of epoxy and chromium in a cured chromium intercalated silicate material to provide a high voltage resistant epoxy resin matrix for the intercalated silicate. About. These resins can be used as a wide range of insulators for generator stators and rotors. The high dielectric strength allows for use as a very thin insulator, and low cost dip coating or spraying methods can be used.
[0003]
[Background information]
KAl ₂ AlSi ₃ O ₁₀ (OH) ₂ (Muscovite) or KMg ₃ AlSi ₃ O ₁₀ (OH) ₂ Mica, a group of silicates such as (phlogopite), have a high electrical strength of more than 7 Kv due to their exceptionally high dielectric strength, low dielectric loss, high resistivity, excellent thermal stability and corona resistance. It has long been used as an important element of high voltage insulation. Currently, mica is used in the form of flakes on a glass fiber backing, which is described, for example, in US Pat. Nos. 4,112,183 (Smith) and 4,254,351 (Smith, et al.). ), To provide the mechanical integrity required for the coil sheathing by the machine. In many cases, the mica tape is wound around a coil and then impregnated with a low viscosity liquid insulating resin by a vacuum impregnation process (VPI). In this process, the chamber containing the coil is evacuated, air and moisture trapped in the mica tape are removed, and then an insulating resin under pressure is introduced to completely impregnate the mica tape with the resin. The void is eliminated to form a resinous insulator in the mica base material. In fact, it is difficult to completely eliminate cavities, and these cavities cause electrical and mechanical problems. Of course, mica tape is thick, bulky, and not easily applied to coils.
[0004]
Currently used mica has problems in two areas. There are (1) microscopic problems at the interface between mica and polymer insulation, and (2) problems with the VPI process required to completely fill the layer of mica tape with polymer insulation. The surface of the mica is a problematic area because it is not "wet" by the insulating resin. Therefore, as a tendency of the mica surface, voids do not completely disappear during evacuation of the coil before impregnation with the insulating resin. This problem has not been solved by surface treatment of mica or addition of wetting agents to the resin. These voids can have serious consequences for both the electrical performance and the mechanical integrity of the coil. These cavities electrically provide a place for partial discharge, so that the discharge increases the electrical loss of the coil and degrades the surrounding insulation over long periods of use. Mechanically, these cavities provide a place where delamination begins and can disrupt the coil.
[0005]
The problems with the VPI process are primarily the result of several steps: (1) heat treatment of the coil, (2) evacuation, (3) impregnation, and (4) curing. Each step is time consuming and must be performed correctly to produce a finished coil that meets electrical and mechanical requirements. The time and scrap of the process coil adds significantly to the cost of this coil manufacturing method.
[0006]
The necessity of using mica for high voltage insulation has been questioned. Bjorklund et al. , Of A .; B. B. , In "A New Mica-Free Turn Insulation For Rotating HV Machines", the Conference Record of the 1994 IEEE International, 84-National-84, International Symposium, Inc. It teaches the use of a chromium oxide protective layer in a resin wound enamel of copper wound insulation that is easy to manufacture as an alternative to paper. Clearly, the nonlinearity of chromium oxide has a large impact on the absorption of free electron charges.
[0007]
Some experiments have been conducted before to charge materials having good thermal stability with high positive charges. Drljaca et al. , In "Intercalation of Montmorillonite with Individual Chromium (III) Hydrolytic Oligomers", Vol. 31, No. 23,1992, pp. No. 4894-4897 teaches chromium-inserted columnar clays, which have sorbent and catalytic properties and can be an alternative to zeolites, i.e. sodium or calcium aluminosilicates for use in the softening of ion-exchanged water. Drljaca et al. Further described in "A New Method for Generating Chromium (III) Intercalated Clays", Inorganica Cymica Acta, 256, 1997, pp. In 151-154, montmorillonite clay (Al ₂ O ₃ ・ 4SiO ₂ ・ H ₂ Cr (III) dimer reaction with other dimers forming flat sheets inserted into O) is described.
[0008]
Miller, in "Tiny Clay Particles Pack Patent Properties Punch", Plastics World, Fillers, October 1997, pp. 139-287. 36-38 describe mineral-filled plastic nanocomposites that are related to clay but have excellent mechanical strength, heat resistance, flame resistance, and gas barrier properties in different areas. These compositions comprise a nylon material comprising a bundle of small platelets of montmorillonite clay about 0.5 to 2 micrometers wide and 1 nanometer (nm) thick, ie, 0.001 micrometers. Was used before. Recently, attempts have been made to incorporate platelets into other resins. Miller further describes platelets that have a large "aspect ratio", i.e., that are large in width relative to thickness, where molecular bonds are formed between the platelet and the polymer. Nancor Inc. And AMCOL Intl. Clay manufacturers, such as, have suggested that the spacing between platelets be from about 4 angstroms, or about 0.0004 micrometers, to a thickness that allows organic resin molecules to be directly ionic or covalently attached to the platelet surface. Chemically stretched, ie, "open", so that the platelets react directly to a polymer structure during subsequent polymerization / blending. Platelet bundles are peeled into individual platelets by the clay manufacturer, which facilitates polymerization / formulation. As Miller states, the "tails" of the molecule overcome the incompatibility between hydrophilic (affinity for water) clays and hydrophobic (water-repellent) organic polymers, making them directly Has the chemical function of forming molecular bonds, ie allowing the polymer to be inserted into the nanoclay. Applications other than timing belts seem to include thermoplastic gas barrier packaging, microwaveable containers, and epoxy resin circuit boards.
[0009]
These processes are also described in U.S. Pat. No. 4,889,885, to Uki et al. Has also been described. In this patent, onium ions from materials such as ammonium, sulfonium and phosphonium salts are used to extend the interlayer distance of clays such as montmorillonite by ion exchange with clay mineral inorganic ions. I have. This allows the clay mineral to insert the polymer into the space between the layers and directly bond the clay mineral layer and the polymer to each other by ionic bonding. Onium salts have a molecular framework that becomes a polymerization initiator. If the onium salt has a molecular skeleton that is the basic building block of the resin, the salt may be a phenolic group (for phenolic resin), an epoxy group (for epoxy resin), and a polybutadiene group (for acrylonitrile butadiene rubber). ). Yano and Uki et al. Are described in "Synthesis and Properties of Polyamide-Clay Hybrid", Journal of Polymer Science, Part A, Polymer Chemistry, Vol. 31, 1993, pp. 2494-2498 describes that montmorillonite into which an ammonium salt of dodecylamine is inserted is used as a filler for a polyamide resin hybrid used as a gas barrier thin film. In this paper, sodium-type montmorillonite was mixed with high-temperature water to disperse sodium, and then the sodium was replaced with an ammonium salt of dodecylamine. It seems to open the platelet. The intercalated montmorillonite is then simply dispersed in the polyamide matrix and formed into a film, which is oriented parallel to the film surface and is a barrier to gas penetration.
[0010]
Peeling of bundles of platelets and insertion of polymers is also described in US Pat. No. 5,698,624 (Bearl et al.), In which polymerizable monomers are inserted directly between platelets. Or polymerized after being mixed with the exfoliated material. Suitable polymers taught include polyamides, polyesters, polyurethanes and polyepoxides. Here, an organoammonium molecule is inserted into a platelet of sodium or calcium montmorillonite clay to increase the thickness within the platelet, i.e., after "opening", a layer of silicate is formed by high shear mixing. After peeling, these layers are directly mixed with the matrix polymer to improve mechanical strength and / or high temperature resistance. All these examples of platelet-polymer interaction appear to be a direct interaction between the polymer and the "open" nanoplatelet. Other patents in this area include U.S. Patent Nos. 5,721,306 (Tsipsky et al.); 5,776,121 (Beall et al.) And 5,804,613 (Beall et al.). .
[0011]
Impregnated and vacuum-impregnated mica tapes continue to be the standard material for high-voltage electrical insulation, and chromium oxide topcoats have been found to improve PD (partial discharge) resistance, while high-voltage electrical There is a need for an extremely thin, low cost, high voltage electrical insulation that can be dip coated, sprayed or extruded onto a conductor, and that has all the desirable properties of a bulky mica matrix insulation.
[0012]
Summary of the Invention
Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a low cost, high voltage electrical insulator that can be an alternative to impregnated mica flakes or mica tape, yet still provide high voltage protection and high voltage endurance properties even when applied thinly. It is.
[0013]
It is another object of the present invention to provide a low cost, high voltage insulator that has surprising voltage endurance characteristics, is thinly applicable, and can utilize components containing silicon.
[0014]
It is a further object of the present invention to provide the advantages of tin and chromium compounds, such as the '834 patent of Smith, even when applied thinly, and to the method of Smith et al. It is an object of the present invention to provide a low cost, high voltage electrical insulator that provides some of the advantages of chromium and zinc compounds, such as the '351 patent.
[0015]
The above and other objects of the present invention are directed to a conductive member that interacts with an oligomer containing a metal selected from the group consisting of Cr, Sn, Zn and mixtures thereof and is insulated by a coating of a resin bonded to the oligomer. Wherein the oligomer is Al. Si. Located in a structure containing O, this structure is achieved by providing a conductive member that accounts for about 3% to 35% by weight of the resin weight. The coating is preferably 0.1 cm to 0.3 cm thick and, if the conductor is a metal coil of a rotating electrical machine such as a generator of 7 kv or higher, dip coating the substrate such as the conductor It is possible to apply, spray or extrude.
[0016]
The present invention also provides a method of forming a resinous coating suitable for use as an electrical insulator, comprising: (A) providing an oligomer comprising a metal selected from the group consisting of Cr, Sn, Zn and mixtures thereof. , (B) solid Al. Having the shape of a platelet and having an expandable spacing between platelets as components. Si. An O-based material is prepared and is selected from the group consisting of (C) polyepoxide resin, styrenated polyepoxide resin, polyester resin, and 1,2-polybutadiene resin, and is capable of interacting and polymerizing in the presence of Cr, Sr, and Zn. A liquid resin is prepared, and (D) a metal-containing oligomer is added to solid Al. Si. (E) liquid resin and solid metal insertion Al. Si. O-based materials are brought into contact with each other to obtain solid metal-inserted Al. Si. The present invention relates to a resinous coating forming method including a step of forming a resinous mixture such that O is dispersed in a liquid resin. The present invention further provides (F) a resinous mixture applied to a substrate, and (G) a metal-inserted Al. Si. When the liquid resin mixture is heated and the resin interacts with the metal, the liquid resin and the oligomer interact with each other. Si. The method further includes the step of allowing the resin around the O-based material to polymerize with the material to provide a solid matrix of cured and polymerized resin.
[0017]
Solvent-free polyepoxide (epoxy) resins, styrenated polyepoxide resins, polyester resins, 1,2-polybutadiene resins are particularly useful resins, all of which can interact and polymerize in the presence of Cr, Sr and Zn catalysts It is. Preferred Al. Si. The O structure is montmorillonite, and the preferred oligomer is a Cr (III) oligomer. The voltage endurance properties of these materials are over 1000 hours at 7.5 Kv / mm (188 volts / mil) and are generally in the very large range of 2800-3000 hours at 188 volts / mil. For example, the typical range of unfilled epoxy resin is 1000 hours at 188 volts / mil, and the resin of the present invention can be applied to thicknesses of 0.025 cm or less at voltages up to 35 Kv. Can be.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
FIG. 1 shows an insulated electrical member such as a coil 2. This member has a lead wire 4 inserted into a thin cured insulating casing 6, and the casing is the resin composition of the present invention applied to this member. Thus, FIG. 1 shows certain articles of the invention, namely, electrical or electronic components inserted or encapsulated in the compositions of the invention.
[0019]
FIG. 2 is a sectional view of one embodiment of the motor 20. This motor accommodates an insulated coil 23 in a slot 22 of a metal armature 21, and a metal stator 24 having a slot 25 surrounds the coil 23, and the slot 25 is provided on a peripheral surface of the stator. is there. In the slot of the stator there is an insulated coil 27. The covering insulator applied to the base materials 23 and 27 of the coil can be formed by the resin composition of the present invention. FIG. 3 is a sectional view of one embodiment of the generator 30. In this generator, as a basic component, an insulating coil 33 is accommodated in a slot 32 of a metal rotor 31, and a metal stator 34 surrounding the rotor has a slot 35 on a peripheral surface 36. The slots in the stator house the insulated coils 37 and may include internal cooling channels (not shown). All the coating insulators applied to the coils 33 and 37 can be formed by the resin composition of the present invention.
[0020]
One type of resin composition that can be used in the present invention is to use one to two or more moles of epichlorohydrin per mole of dihydric phenol to produce the epichlorohydrin at a temperature of about 50 ° C. By reacting with a dihydric phenol in an alkaline medium. Heating is continued for several hours to allow the reaction to take place, and the product is washed free of salts and bases. The product is not a single simple compound, but a complex mixture of glycidyl polyesters. However, the major products can be represented by the chemical formula of FIG. 6, where n is the series 0, 1, 2, 3,. . . And R represents a divalent hydrogen radical of a dihydric phenol. Normally, the divalent hydrocarbon radical has the same composition as shown in FIG. 7A and gives the diglycidyl ether of a bisphenol A type epoxide. Note that the divalent hydrocarbon radical also has a composition similar to that shown in FIG. 7B, giving the diglycidyl ether of a bisphenol F type epoxide resin.
[0021]
The bisphenol epoxide used in the present invention has a 1,2 epoxy equivalent greater than 1. They will generally be diepoxides. The epoxy equivalent is the average number of 1,2 epoxy groups contained in the average molecule of glycidyl ether as shown in FIG.
[0022]
Other glycidyl ether resins useful in the present invention include novolak polyglycidyl ethers prepared by reacting epihalohydrin with, for example, a phenol formaldehyde condensate. Cycloaliphatic epoxides are useful, as are glycidyl ester epoxy resins, both of which are non-glycidyl ether epoxides, are well known in the art, and are described in Smith et al. No. 4,254,351, which describes epoxidized polybutadienes that are also useful for the present invention. All of these resin compositions described above are described below as "polyepoxide resins."
[0023]
Other useful resins include polyesters and 1-2, polybutadienes, all of which are well known in the art. In general, polyester resins are a large group of synthetic resins, almost all of which are produced by the reaction of dibasic acids with dihydric alcohols. In a few examples, trifunctionalized monomers such as glycerol or citric acid are used. The term "polyester resin" particularly applies to products made from unsaturated dibasic acids such as maleic acid. Unsaturated polyester resins can further be polymerized by cross-linking. Another unsaturated monomer, such as styrene, is often added in this second stage of the polymerization, but this can occur at normal temperatures with a suitable peroxide catalyst. Maleic anhydride and fumaric acid are common components of unsaturated acids, while phthalic anhydride or adipic acid or azelaic acid are their corresponding saturated substances. Commonly used glycols include ethylene, propylene, diethylene, dipropylene and certain butylene glycols. The polymerizable monomers added are styrene, vinyl toluene, diallyl phthalate or methyl methacrylate. In addition to unsaturated polyester resins, there are other important types. One large group is alkyd resins. They have many types of variants and are usually made from saturated acid and alcohol monomers, including unsaturated fatty acids.
[0024]
Generally, 1,2 polybutadiene is a butadiene H ₂ C = CH = CH = CH ₂ Synthetic rubber made from In the 1,2-form, butadiene polymerizes 1,2- so that the first carbon of each butadiene molecule is bonded to the second carbon of another molecule. When this occurs, the resulting polymer backbone contains only the first and second carbons, while the third and fourth carbons are included in the vinyl side chain, for example, as shown in FIG. These 1,2-polybutadienes exist in isotactic, syndiotactic and atactic forms, but cannot take the cis and trans forms.
[0025]
In addition, a brief description of these resins can be found in Rose, The Condensed Chemical Dictionary, 6th Ed. Pp. 909-911 (1961).
[0026]
Useful oligomers comprising a metal M selected from the group consisting of Cr, Sn, Zn and mixtures thereof can have, for example, a dimeric structure as shown in FIG.
[0027]
These oligomers are also described by Drljaca et at. , In Inorganic Chemistry, Vol. 31, No. 23 pp. 4894-4897 (1992) can have other well-known structures such as, for example, trimers, open tetramers, closed tetramers.
[0028]
A useful reaction procedure for providing the insulated conductive member of the present invention is shown generally in FIG. An oligomer comprising Cr, Sn, Zn or a mixture thereof is prepared. This is generally obtained by reacting a strong acid (ie, perchloric acid) with a metal salt (chromium nitrate, dehydrated tin chloride, hydrated zinc nitrate) in an aqueous solution.
[0029]
One particularly useful Cr (III) oligomer is chromium (III) 24 bentantionate having the composition of FIG. See also FIG. 4, which shows this type of oligomer at reference numeral 40.
[0030]
These oligomers can optimally react with each other to form dimeric chains in the form of panel-like sheets about 0.0004 to 0.0009 micrometers (4 to 9 Angstroms) thick. it can. This is shown in FIG. 12, which is described, for example, by Drljaca et at. , In Inorganica Chimica Acta, 256 (1997) pp. 151-154.
[0031]
Solid Al., Such as native mica-type silicate, having the shape of platelets and the spacing between the platelets is expandable. Si. The O-based material is indicated by 42 in FIG. For example, clay-type silicates such as native muscovite, phlogopite or montmorillonite, or mixtures thereof, may be treated to extend or even "open" the spacing between platelets (such materials are collectively referred to as 43). Shown), molecules of oligomers and organic resins can be inserted into mica or clay platelets. The result is shown in step (2). As a normal pre-treatment step, these mica or clay platelets can be used to extend the interlayer distance of mica or clay, reduce the hydrophilicity of those materials, increase the hydrophobicity of the It can be chemically treated by contacting it with onium salts, such as amines, ammonium salts or other chemicals, added in an amount that allows the material to more easily interact with mica or clay.
[0032]
In step 2, the metal-containing oligomer 40 is opened Al.4 as described above in the background. Si. By being inserted into an O-based material or being interposed between layers, for example, muscovite KAl ₂ AlSi ₃ O ₁₀ (OH) ₂ Or phlogopite KMg ₃ AlSi ₃ O ₁₀ (OH) ₂ Or montmorillonite Al ₂ O ₃ ・ 4SiO ₂ ・ H ₂ A structure 43 'like O is obtained. This involves dissolving a metal-containing oligomer in a suitable solvent, such as, for example, ketone chromium (III) 2.4-pentanethionate, and dissolving Al. Si. This is performed by bringing the O-based material into contact with the solution for a substantial period of time, followed by drying.
[0033]
"Open" Al. Si. The oligomer containing the metal (indicated generally at 43 '), which is now located within the O material, then polymerizes on its own, and Si. It interacts with a resin composition capable of polymerizing with the oligomer containing the metal in the O material. The intercalated mica, clay 43 ', etc., are shown mixed with a suitable resin composition 44 in step (2). Al. Si. The range of oligomer-metal in the O material is from about 3% to 35% by weight, preferably 5% to 20% by weight. Upon heating, the resin composition 44 cross-links and forms Al.sub.3 as shown in step (3) of FIG. Si. A polymer 46 is formed around and inside the O material 43.
[0034]
The mechanism for protecting the polymer material from electrical breakdown is described below. Since mica has high resistance to partial discharge, it is a unique material in terms of increasing voltage durability and extending the life of an insulating material. It is generally believed that this protection mechanism is an electronic mechanism and not a physical mechanism. The high-energy electrons generated by the partial discharge (sometimes referred to as "electron avalanches") cause K electrons held in silicate lattice channels ⁺ The velocity is reduced and de-energized by the strong positive electric field generated by the array of ions. It is this effect that is apparently primarily related to the protective ability of the mica in high voltage insulation systems.
[0035]
As will become apparent later in this application, the concepts and technical approaches of the present invention are based on this electron deactivation mechanism. The selection of the transition metal salt can be made in consideration of the charge / size ratio. The mechanism by which mica scavenges free electrons is due to K + electrons in the lattice path. These ions are usually held very tightly and are a very effective means of scavenging free electrons.
[0036]
Generally, transition metal ions have a large charge and a small size, so that the charge / size ratio is very large. The table in FIG. 13 shows some examples. K in these lattice passages ⁺ The idea is that substituting ions with metal ions can protect the partial discharge more efficiently than mica (thus obtaining long voltage endurance characteristics). This is because the charge / radius ratio of these metal ions is large, so that high-speed electrons that degrade the insulating material are more effectively de-energized.
[0037]
The resulting composition can be applied to electrical components, such as wires, coils, electronic components, and the like. The insulating effect of this composition is surprising and is applicable to a cross section as thin as 0.06 cm. When development is complete, these new dielectric materials can be used in high-performance molding resins or as an alternative to new mica tapes for the production of vacuum impregnated resins. The ultimate payoff is the opportunity to sharply reduce the thickness far beyond the current level. Ultimately, a 0.005 cm (0.002 inch) thick insulation system for the generator coil can be obtained as a result of this development. The very high dielectric properties of these materials allow the use of this very thin insulating layer.
[0038]
Various other high voltage applications include improved insulation materials for rotors, high dielectric constant patches for damaged stator coils, solid insulation materials for phase leads and series connectors for high temperature air-cooled generators. Development can benefit from these materials.
[0039]
The invention will be further described with reference to the following examples.
[0040]
Example 1
The mica-type silicate used in this example was manufactured by Aldrich Chemical Co. Montmorillonite silicate clay (trademark "K-10"). This material had the following properties: That is, the particle surface area of the free-flowing white powder was 220 to 270 m2 / g, and the bulk density was 300 to 370 g / l. A solution of 1 gram of octadecylamine ("ODA"), a primary amine, in 150 milliliters of ethanol / water (50/50 v / v) was heated to 45C. The platelet distance was "open" by separately suspending 1 gram of silicate clay in 100 milliliters of water and adding to the octadecylamine solution. After heating at 70 ° C. for 10 hours, the mixture was filtered and washed with fresh ethanol / water (50/50 v / v). The product was dried in air and then dried in a vacuum oven at a temperature of 50 ° C. for 10 hours, at the end of which time the silicate clay had an open structure suitable for insertion. Thereafter, the silicate was purchased from Aldrich Chemical Co. Chemical formula [C ₅ H ₇ O ₂ ] ₃ Cr was treated with chromium (III) 2,4-pentanedionate. This reaction was carried out by dissolving the chromium compound with methyl ethyl ketone and stirring with the silicate at room temperature for 2 hours. The resulting product was air-dried and then placed in a vacuum oven at 50 ° C. for 12 hours to obtain Cr (3 ⁺ ) I got the inserted clay.
[0041]
The chromium-inserted clay was then suspended in a liquid polyepoxide vacuum pressure impregnated resin prepared according to US Pat. No. 4,254,351 and formed into a 10.2 cm diameter cake sample. These samples were gelled at 135 ° C for 2 hours and then heated at 150 ° C for 16 hours until completely cured. As usual, the chromium intercalated silicate was added at a level of 10% by weight relative to the epoxy resin. A control sample of polyepoxide resin alone was also molded into a 10.2 cm diameter cake and cured as described above.
[0042]
Then, the hardened Cr (3 ⁺ ) Insert samples were subjected to long term voltage endurance testing with epoxy control samples. As usual, the samples were tested by applying a voltage of 24 Kv in oil with an applied voltage stress of about 7.5 Kv / mm (188 volts / mil) and observing the life to failure. The results are shown in FIG. 5, where the average life is shown in hours. This data is the average life of four or more test samples in each group. From these results, it can be seen that the epoxy resin containing chromium-inserted silicate additive sample B has more than three times the voltage durability life as compared to control sample A, and therefore, the addition of the chromium-inserted silicate results in a dielectric strength. It is clear that has increased.
[0043]
These first experiments were performed on clay of normal size (not nano-sized clay platelets) and given that the chromium compound for insertion is a standard chromium (III) species, the first of this specification For chromium oligomers and nano-sized clay platelets, the voltage endurance performance is improved because chromium provides more effective insertion and better dispersion of the permittivity increasing additive in the resin matrix. Is expected to be dramatically improved. Similarly good results are obtained using Sn or Zn instead of Cr, and styrenated polyepoxides, polyesters and 1,2-polybutadiene resins are also used in place of the polyepoxide (epoxy) used in the above example. be able to.
[0044]
Example 2
In addition to the long term voltage endurance test shown in Example 1, there are other important tests used to evaluate high voltage electrical insulation. One such test is a short-term dielectric strength measurement (ASTM D-149) in which a cured resin sample is placed between two electrodes in oil. The applied voltage is increased from 0 to a specific uniform rate of 0.5 to 1.0 Kv per second until breakdown occurs. As is typical for electrical insulators of a thickness as described above, the voltage exceeds 35 Kv before breakdown occurs. The dielectric strength breakdown value is calculated by dividing the voltage at breakdown by the thickness of the sample (volts / mil).
[0045]
Samples of various intercalated clays were prepared as described in Example 1, cured, and tested according to the test procedure of ASTM D-149. This series of experiments also included small particle size nanoclays intercalated with chromium oligomers. The experimental results are summarized in the table of FIG.
[0046]
The results show that when the clay material is intercalated with metals such as Cr and Sn and added to the epoxy resin at a level of 1% to 9%, the short term voltage breakdown value is significantly improved. This is especially true for chromium oligomer-loaded nanoclay samples, where the dielectric strength of the epoxy is increased by about 23% compared to the non-inserted nanoclay sample. It is also observed that the inserted nanoclay material is easier to mix and disperse in the epoxy resin than other inserted clay samples, resulting in a more uniform distribution throughout the sample when cured. Was done.
[0047]
While particular embodiments of the present invention have been described in detail, those skilled in the art will recognize that various modifications and changes may be made in light of the overall teachings of the present application. Therefore, the specific configurations shown and described are for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention, which should be given the full scope of the appended claims and any equivalents. .
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an encapsulated electrical article with a spray coating of an insulator of the present invention.
FIG. 2
FIG. 2 is a cross-sectional view of a motor in which the coils are insulated with a thin dip coating or extruded layer of insulation according to the present invention.
FIG. 3
FIG. 3 is a cross-sectional view of a generator where the coil is insulated with a thin dip coating or extruded layer of insulation according to the present invention.
FIG. 4
FIG. 4 is a diagram showing an ideal state of the reaction procedure of the present invention.
FIG. 5
FIG. 5 is a comparison diagram showing the average life of the control sample (A) and the insertion material (B) of the present invention.
FIG. 6
FIG. 6 is a chemical structural formula of one resin composition usable in the present invention.
FIG. 7A
FIG. 7A is one chemical structural formula corresponding to R in FIG.
FIG. 7B
FIG. 7B is another chemical formula corresponding to R in FIG.
FIG. 8
FIG. 8 is a chemical structural formula of bisphenol epoxide used in the present invention.
FIG. 9
FIG. 9 is a chemical structural formula of the polymer of the present invention.
FIG. 10
FIG. 10 is one chemical structural formula of the oligomer of the present invention.
FIG. 11
FIG. 11 is another chemical formula of the oligomer of the present invention.
FIG.
FIG. 12 shows the chemical formula of the dimer chain formed by the reaction between the oligomers of the present invention.
FIG. 13
FIG. 13 is a table comparing charge / radius ratios of various coatings according to the present invention.
FIG. 14
FIG. 14 is a table showing short term voltage breakdown data for various inserted clays according to the present invention.

Claims

A conductive member that interacts with an oligomer containing a metal selected from the group consisting of Cr, Sn, Zn, and mixtures thereof, and is insulated with a coating of a resin bonded to the oligomer, wherein the oligomer is Al. Si. An electrically conductive member that is located within a structure containing O, the structure comprising about 3% to 35% by weight of the resin.

The insulated member of claim 1, wherein the member is a metal coil.

The insulated member of claim 1, wherein the member is a wire.

The insulated member according to claim 1, which is an electronic component.

Al. Si. The insulated member of claim 1, wherein the O-containing structure is selected from mica-type silicates, clay-type silicates, and mixtures thereof.

The insulated member of claim 1, wherein the oligomer comprises Cr.

2. The insulated member of claim 1, wherein the oligomer comprises Sn.

The insulated member of claim 1, wherein the oligomer comprises Zn.

The insulated member of claim 1, wherein the resin is selected from the group consisting of polyepoxide resin, styrenated polyepoxide resin, polyester resin, and 1,2-polybutadiene resin.

The insulated member of claim 1 wherein the resin-coated insulator has a voltage endurance of greater than about 1000 hours at 7.5 Kv / mm (188 volts / mil).

The insulated member of claim 1 which is a copper coil of a generator.

A resin that interacts with and is bonded to an oligomer containing a metal selected from the group consisting of Cr, Sn, Zn and mixtures thereof, wherein the oligomer is Al. Si. A resinous coating composition suitable for use as an electrical insulator comprising a resin that is located within a structure containing O, the structure comprising from about 3% to 35% by weight of the resin.

Al. Si. 13. The composition of claim 12, wherein the O-containing structure is selected from mica-type silicates, clay-type silicates, and mixtures thereof.

13. The composition of claim 12, wherein the oligomer contains Cr.

13. The composition of claim 12, wherein the oligomer comprises Sn.

13. The composition of claim 12, wherein the oligomer comprises Zn.

13. The composition of claim 12, wherein the resin is selected from the group consisting of polyepoxide resins, styrenated polyepoxide resins, polyester resins, and 1,2-polybutadiene resins.

A method for forming a resinous coating suitable for use as an electrical insulator,
(A) providing an oligomer containing a metal selected from the group consisting of Cr, Sn, Zn and mixtures thereof;
(B) Solid Al. Having the shape of a platelet and capable of expanding the interval between platelets as constituent elements. Si. Prepare O-based material,
(C) preparing a liquid resin that is selected from the group consisting of polyepoxide resin, styrenated polyepoxide resin, polyester resin, and 1,2-polybutadiene resin, and is capable of interacting and polymerizing in the presence of Cr, Sr, and Zn;
(D) The metal-containing oligomer is a solid Al. Si. Insert into the space of O-based material,
(E) Liquid resin and solid metal insert Al. Si. O-based materials are brought into contact with each other to obtain solid metal-inserted Al. Si. Forming a resinous mixture such that O is dispersed in the liquid resin.

(F) applying the resinous mixture to the substrate,
(G) Metal insertion Al. Si. When the liquid resin mixture is heated and the resin interacts with the metal, the liquid resin and the oligomer interact with each other. Si. 19. The method of claim 18, further comprising the step of polymerizing the resin around the O-based material with the material to provide a solid matrix of the cured polymerized resin.

Solid Al. Si. The O platelet material is treated in step (B) by contact with a material that extends the spacing between the platelets as components, and the Al. Si. 19. The method of claim 18, wherein the O-containing structure is selected from mica-type silicates, clay-type silicates, and mixtures thereof.

Resin hardened base material and solid Al. Si. 19. The method of claim 18, wherein O has a voltage endurance of greater than about 1000 hours at 7.5 Kv / mm.