JP2008228551A - 集成マイカテープと多層集成マイカテープの組み合わせを用いた回転電機用コイル - Google Patents

Abstract

【課題】電動機及び発電機等の回転電機の電気絶縁性及び熱伝導性を向上することができる多層集成マイカテープと集成マイカテープを組み合わせて用いたコイルを提供する。
【解決手段】電動機及び発電機等の回転電機のコイルにテーピングされる集成マイカテープ１において、集成マイカを２層以上（多層）にして、マイカ層の厚さを厚くした多層集成マイカテープ２と集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープを組み合わせて用いることで、コイルの電気絶縁性及び熱伝導性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルの絶縁層に使用するマイカテープおいて集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープと集成マイカを２層以上貼り合せた多層集成マイカテープを組み合わせて用いた回転電機用コイルに関する。

回転電機用コイルに用いられる集成マイカテープは、マイカ原鉱を細かく粉砕して得たマイカ粒子を抄造した集成マイカと補強材及び接着剤により形成される。集成マイカは、硬質無焼成集成マイカ、硬質焼成集成マイカ、軟質集成マイカ、合成集成マイカよりなる。補強材は、ガラスクロス、ポリエステルフィルム、ポリエステル織布、ポリエステル不織布、ポリイミドフィルム、ポリアミド織布、ポリエチレンナフタレートフィルムよりなる。集成マイカと補強材は、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂により接着する。

集成マイカテープは、耐電圧性及び耐コロナ性において優れた特徴を有すため、電動機及び発電機などの回転電機におけるコイルの電気絶縁として用いられる。
集成マイカテープをコイルに巻き付け又は被覆すること（以下、「テーピング」と略す。）により長期的に安定な電気絶縁性を付与することができる。

従来は、要求される電気絶縁性を満たすために集成マイカテープを多数回テーピングする必要があった。

回転電機用コイルに用いられる集成マイカテープにおいて電気絶縁を担う構成要素は、集成マイカと補強材及び接着剤である。電動機及び発電機などの回転電機では、コロナ放電等により補強材及び／又は接着剤の放電劣化が起こり、トリー状に進展し絶縁破壊に到るが、集成マイカは、放電劣化のブロックとなり絶縁破壊の進行を阻止する役目を果たす。従って、集成マイカテープに占める補強材及び接着剤の割合が多いと放電劣化が多数箇所で発生し、逆に集成マイカの割合が多いと耐電圧寿命などの電気絶縁性が向上する。
また、トリーの発生箇所は、一般に集成マイカテープをテーピングしてできる集成マイカ層と補強材の界面及び集成マイカテープ内の集成マイカ層と補強材の界面で発生しやすい。従って、集成マイカを厚くしテーピング回数を減らすことができればトリーの発生が低減できる。しかし、集成マイカは、その製造方法の欠点から、厚さは０．２ｍｍが限界であった。
よって、本発明では複数の集成マイカを貼り合せることで厚くし、電気絶縁性を向上させた多層集成マイカテープと集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープを組み合わせた回転電機用コイルの提供を目的とする。

電動機及び発電機などの回転電機では、運転中に発生した熱は導体部よりも熱伝導性の低い絶縁層で断熱されるために、電気絶縁性は更に熱劣化しやすくなる。絶縁層の中でも接着剤及びポリエステルなどの有機系補強材は、集成マイカよりも熱伝導性が低い。
よって、本発明では絶縁層に占める接着剤及び有機系補強材の比率を少なくすることにより、熱伝導性を向上させた多層集成マイカテープと集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープを組み合わせた回転電機用コイルの提供を目的とする。

しかしながら多層集成マイカテープは、集成マイカが多層のために表２のように柔軟性が硬くなり、小サイズや複雑形状のコイルではテーピング時にシワやコイルの端部への密着が良くない場合がある。シワが入るとマイカ層の絶縁強度が低下する。また、密着性が悪くなると絶縁層内での空隙が生じ易くなり空隙が生じると放電劣化が起こる。
よって、本発明では多層集成マイカテープと集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープを組み合わせたことにより多層集成マイカテープのシワが発生しにくく、コイル端部への密着がよい回転電機用コイルの提供を目的とする。

電動機及び発電機などの回転電機のコイルの電気絶縁を目的としてコイルにテーピングされる集成マイカテープにおいて、集成マイカが２層以上の複数の集成マイカ層より構成されたことを特徴とする多層集成マイカテープと集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープの組み合わせを用いる。

この集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて集成マイカは、硬質無焼成集成マイカ、硬質焼成集成マイカ、軟質集成マイカ、合成集成マイカである。

補強材は、ガラスクロス、ポリエステルフィルム、ポリエステル織布、ポリエステル不織布、ポリイミドフィルム、ポリアミド織布、ポリエチレンナフタレートフィルムである。

そして、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂で集成マイカと補強材を接着する。

このとき、補強材は片面、両面のどちらでもよい。

この集成マイカテープ又は多層集成マイカテープの接着剤量は、全質量に対して１ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることを特徴とする。

この集成マイカテープ又は多層集成マイカテープの集成マイカ層の厚さは、０．０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、集成マイカテープ又は多層集成マイカテープの集成マイカは、マイカと有機繊維又は無機繊維を混抄したものでもよい。

図４は、厚さ０．５ｍｍの絶縁板をポリイミドフイルム（商品名：カプトンフィルム）又は硬質無焼成集成マイカで作製し、大気中で電圧を印加し絶縁破壊するまでの時間を測定した耐電圧寿命特性いわゆるＶ−ｔ特性の例である。９ｋＶの電圧では、硬質無焼成集成マイカの耐電圧寿命は、ポリイミドフイルム（商品名：カプトンフィルム）より５０倍以上長いことがわかる。即ち、集成マイカは、ポリイミドフイルム（商品名：カプトンフィルム）よりも電圧劣化が少なく絶縁破壊するまでの耐電圧寿命が長いことが判る。

集成マイカは、マイカ原鉱を細かく粉砕したマイカ粒子の水溶液を連続的にろ過、乾燥することにより製造する。よって、集成マイカの厚さは、装置のろ過能力に影響を受けることから厚さ０．２ｍｍ程度が製造限界である。そこで、集成マイカを複数層貼り合せる事により、従来ではできなかった０．２ｍｍ以上の集成マイカ層を持つ多層集成マイカテープの製造が可能となった。

電動機又は発電機の導体部の絶縁で集成マイカ１層の集成マイカテープを例えば１０層テーピングする必要がある場合、集成マイカ２層の多層集成マイカテープを用いて５層テーピングすれば要求される導体部の電気絶縁を確保することができる。

この場合、絶縁層の補強材の比率が半分に減少したことになる。

このことにより、テーピングにより発生する界面が半分になるとともに、集成マイカよりも長期的な電気絶縁性及び熱伝導率が低い樹脂及びポリエステルなどの有機系の補強材層が減少することになる。

これらのことより、多層集成マイカテープは、電気絶縁性能が向上することを示唆している。

また、表１は、代表的なマイカ、補強材、接着剤の熱伝導率であるが、接着剤及びポリエステルなどの有機系補強材の熱伝導率がマイカの熱伝導率よりも低いことが判る。つまり、絶縁層中の接着剤及びポリエステルなどの有機系補強材の比率が少なくなれば、熱伝導性が向上することを示唆している。

更に、絶縁層の補強材が減少し絶縁層全体の厚さが薄くなることで、熱伝導性が向上する。

しかしながら多層集成マイカテープは、集成マイカが多層のために表２のように柔軟性が硬くなりテーピング時にシワが入る場合や回転電機のコイルの端部に密着が良くない場合がある。シワが入るとマイカ層の絶縁強度が低下する。また、密着性が悪くなると絶縁層内での空隙が生じ易くなり空隙が生じると放電劣化が起こる。
そこで、柔軟性が柔かく、密着性の良い集成マイカが１層の集成マイカテープを回転電機のコイルの初めにテーピングすることにより、コイルの端部が丸くなり、柔軟性の硬い多層集成マイカテープをテーピングしてもシワが入らず、コイルの端部への密着も良くなる。

以下、本発明の一実施形態である集成マイカテープと多層集成マイカテープを組み合わせたことを特徴とする回転電機用コイルの製造方法について説明する。

本発明の回転電機用コイルの断面は図１に示ように、まずは導体部に集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープをテーピングし、その外側に集成マイカを２層以上貼り合せた多層集成マイカテープをテーピングする。

多層集成マイカテープの構成を図２に示す。集成マイカ層４は、複数の集成マイカを重ねて構成されており、補強材５と接着剤により貼り合わされてテープを形成している。集成マイカは、硬質無焼成集成マイカ、硬質焼成集成マイカ、軟質集成マイカ、合成集成マイカよりなる。補強材は、ガラスクロス、ポリエステルフィルム、ポリエステル織布、ポリエステル不織布、ポリイミドフィルム、ポリアミド織布、ポリエチレンナフタレートフィルムよりなる。接着剤は、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂の熱硬化性樹脂よりなる。

導体部は銅材質のような電気抵抗が極めて低い金属素材が使用される。この導体部に集成マイカテープ又は多層集成マイカテープをテーピングする形態として図３に示すような巻き付け方式（ａ）と被服方式（ｂ）がある。巻き付け方式は、導体部に対して多層集成マイカテープをテープ幅に対して約１／２重なるようにしてテーピングするものである。被服方式は導体部を多層集成マイカテープの幅方向で覆い被せるようにテーピングするものである。両者とも要求される電気絶縁性を満たすようになるまで、テーピングした外層にさらに集成マイカテープ又は多層集成マイカテープを巻き付けることで電気絶縁層が形成される。

この後、樹脂含浸・加熱硬化の工程を経て、本発明の集成マイカテープと多層集成マイカテープを組み合わせた回転電機用コイルが製造される。

厚さ０．１０ｍｍの硬質無焼成集成マイカ１層の片面に、エポキシ樹脂で厚さ０．０３ｍｍのガラスクロスを貼り付けて、厚さ０．１３ｍｍの集成マイカテープを作製した。このときのエポキシ樹脂の量は集成マイカテープ全体の質量に対して８ｗｔ％とした。この集成マイカテープを銅製導体に１／２ラップで１回テーピングした。

次に、厚さ０．１０ｍｍの硬質無焼成集成マイカ２層の片面に、エポキシ樹脂で厚さ０．０３ｍｍのガラスクロスを貼り付けて、厚さ０．２３ｍｍの多層集成マイカテープを作製した。このときのエポキシ樹脂の量は多層集成マイカテープ全体の質量に対して８ｗｔ％とした。この多層集成マイカテープを前述の集成マイカテープを１回テーピングした銅製導体の上に１／２ラップで４回テーピングしコイル状とし、更にエポキシ樹脂を含浸した後１５０℃で５時間加熱硬化したものを実施例１とした。

比較例１

比較例１として上記の集成マイカ１層の集成マイカテープのみを銅製導体に１／２ラップで９回テーピングしてコイル状とし、更にエポキシ樹脂を含浸した後１５０℃で５時間加熱硬化したものを比較例１とした。

表３のように実施例１と比較例１の外形寸法を比較すると１０％減少しているが、逆に図５で示すＶ−ｔ特性は、６．６ｋＶでの耐久時間において実施例１の方が２５倍長くなった。

更に、実施例１及び比較例１の絶縁層を切り出して、熱伝導率を測定したところ、図６のように実施例１の絶縁層は０．３７Ｗ／ｍ・Ｋであったが、比較例１の絶縁層は０．２８Ｗ／ｍ・Ｋで３０％向上していることを確認した。

厚さ０．０７ｍｍの硬質無焼成集成マイカ１層の両面に、エポキシ樹脂で厚さ０．０１２ｍｍのポリエステルフィルムを貼り付けて、厚さ０．１ｍｍの集成マイカテープを作製した。このときのエポキシ樹脂の量は、集成マイカテープ全体の質量に対して１０ｗｔ％とした。この集成マイカテープを銅製導体に１／２ラップで１回テーピングした。

次に、厚さ０．０７ｍｍの硬質無焼成集成マイカ２層の両面に、エポキシ樹脂で厚さ０．０１２ｍｍのポリエステルフィルムを貼り付けて、厚さ０．１７ｍｍの多層集成マイカテープを作製した。このときのエポキシ樹脂の量は、多層集成マイカテープ全体の質量に対して１０ｗｔ％とした。この多層集成マイカテープを前述の集成マイカテープを１回テーピングした銅製導体の上に１／２ラップで４回テーピングしコイル状とし、更にエポキシ樹脂を含浸した後１５０℃で５時間加熱硬化したものを実施例２とした。

比較例２

比較例２として上記の集成マイカ１層の集成マイカテープのみを銅製導体に１／２ラップで９回テーピングしてコイル状とし、更にエポキシ樹脂を含浸した後１５０℃で５時間加熱硬化したものを比較例２とした。

表３のように実施例２と比較例２の外形寸法を比較すると１５％減少しているが、逆に図５で示すＶ−ｔ特性は、６．６ｋＶでの耐久時間において実施例２の方が４倍長くなった。

更に、実施例２及び比較例２の絶縁層を切り出して、熱伝導率を測定したところ、図６のように実施例２の絶縁層は０．３０Ｗ／ｍ・Ｋであったが、比較例２の絶縁層は０．２１Ｗ／ｍ・Ｋで４０％向上していることを確認した。

硬質焼成集成マイカの粒子とメタフェニレンイソフタルアミドの繊維を質量比で９０／１０となるように調整した水溶液を連続抄造して厚さ０．１ｍｍの混抄マイカ箔を作製した。この混抄マイカ箔１層の片面に、エポキシ樹脂で厚さ０．０３ｍｍのガラスクロスを貼り付けて、厚さ０．１３ｍｍの集成マイカテープを作製した。このときのエポキシ樹脂の量は、集成マイカテープ全体の質量に対して５ｗｔ％とした。この集成マイカテープを銅製導体に１／２ラップで１回テーピングした。

次に、前述の混抄マイカ箔２層の片面に、エポキシ樹脂で厚さ０．０３ｍｍのガラスクロスを貼り付けて、厚さ０．２３ｍｍの多層集成マイカテープを作製した。このときのエポキシ樹脂の量は、多層集成マイカテープ全体の質量に対して５ｗｔ％とした。この多層集成マイカテープを先ほどの集成マイカテープを１回テーピングした銅製導体の上に１／２ラップで４回テーピングしコイル状とし、更にエポキシ樹脂を含浸した後１５０℃で５時間加熱硬化したものを実施例３とした

比較例３

比較例３として上記の集成マイカ１層の集成マイカテープのみを銅製導体に１／２ラップで９回テーピングしてコイル状とし、更にエポキシ樹脂を含浸した後１５０℃で５時間加熱硬化したものを比較例３とした。

表３のように実施例３と比較例３の外形寸法を比較すると１３％減少しているが、逆に図５で示すＶ−ｔ特性は、６．６ｋＶでの耐久時間において実施例３の方が１０倍長くなった。

更に、実施例３及び比較例３の絶縁層を切り出して、熱伝導率を測定したところ、図６のように実施例３の絶縁層は０．３３Ｗ／ｍ・Ｋであったが、比較例３の絶縁層は０．２４Ｗ／ｍ・Ｋで４０％向上していることを確認した。

本発明実施形態の回転電機用コイルの断面図である。 多層集成マイカテープを示し、集成マイカを２層貼り合わせた場合である。 コイルの導体部への集成マイカテープ又は多層集成マイカテープのテーピング形式を示し、（ａ）は巻き付け方式、（ｂ）は被服方式である。 カプトンフィルムと硬質無焼成集成マイカで作製した絶縁層のＶ−ｔ特性についてのグラフである。 本発明の回転電機用コイルを用いた実施例と従来の集成マイカテープを用いた回転電機用コイルの比較例のＶ−ｔ特性についてのグラフである。 本発明の回転電機用コイルを用いた実施例と従来の集成マイカテープを用いた回転電機用コイルの熱伝導率のグラフである。 コイルの寸法測定位置を示した図である。〔表１〕マイカ、補強材、接着剤の熱伝導率の比較表である。〔表２〕実施例と比較例で使用した集成マイカテープ及び多層集成マイカテープの構成及び特性の比較表である。〔表３〕実施例と比較例で作製したテストピースの構成及びコイルの外形寸法の比較表である。

符号の説明

１集成マイカテープ
２多層集成マイカテープ
３導体部
４集成マイカ
５補強材
６絶縁層

Claims (8)

1. 電動機及び発電機等の回転電機に用いられるコイルの絶縁層に使用されるマイカテープにおいて、コイルの初めに集成マイカを１層貼り合わせた集成マイカテープをテーピングし、その外側に集成マイカを２層以上貼り合せた多層集成マイカテープをテーピングして組み合わせたことを特徴とする回転電機用コイル。
2. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて集成マイカが、硬質無焼成集成マイカ、硬質焼成集成マイカ、軟質集成マイカ、合成集成マイカのいずれかであることを特徴とする回転電機用コイル。
3. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて補強材が、ガラスクロス、ポリエステルフィルム、ポリエステル織布、ポリエステル不織布、ポリイミドフィルム、ポリアミド織布、ポリエチレンナフタレートフィルムのいずれかであることを特徴とする回転電機用コイル。
4. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて接着剤が、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂のいずれかであることを特徴とする回転電機用コイル。
5. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて補強材が、片面又は両面のどちらかであることを特徴とする回転電機用コイル。
6. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて接着剤量が、全質量に対して１ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることを特徴とする回転電機用コイル。
7. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて集成マイカ層の厚さが、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする回転電機用コイル。
8. 請求項１記載の回転電機用コイルに使用される集成マイカテープ又は多層集成マイカテープにおいて集成マイカが、マイカと有機繊維又は無機繊維を混抄であることを特徴とする回転電機用コイル。

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