JP2011159578A - 絶縁電線及びそれを用いた電機コイル、モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コロナ放電開始電圧を高くできるとともに、耐熱性、機械的強度等の要求特性を満たすことのできる絶縁電線を提供する。
【解決手段】 導体及び該導体を被覆する単層又は多層の絶縁層を有する絶縁電線であって、前記絶縁層は、ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）と、ポリフェニレンエーテル（Ｂ）とをＡ：Ｂ＝６０：４０〜９５：５の割合（質量比）で混合した樹脂を塗布、焼付けして形成された第１の樹脂層を有する、絶縁電線。
【選択図】 なし

Description

本発明はコイル等に使用する絶縁電線に関し、より詳しくは、部分放電（コロナ放電）開始電圧の高い絶縁皮膜を有する絶縁電線に関する。

適用電圧が高い電気機器、例えば高電圧で使用されるモータ等では、電気機器を構成する絶縁電線に高電圧が印加され、その絶縁皮膜表面で部分放電（コロナ放電）が発生しやすくなる。コロナ放電の発生により局部的な温度上昇やオゾンやイオンの発生が引き起こされやすくなり、その結果絶縁電線の絶縁被膜に劣化が生じることで早期に絶縁破壊を起こし、電気機器の寿命が短くなるという問題があった。

モータ等のコイル用巻線として用いられる絶縁電線において、導体を被覆する絶縁層（絶縁皮膜）には、優れた絶縁性、導体に対する密着性、耐熱性、機械的強度等が求められているが、高電圧で使用される絶縁電線には上記の理由によりコロナ放電開始電圧の向上も求められている。

絶縁層中やコイルの線間に微小な空隙があると、その部分に電界集中しコロナ放電が発生しやすくなる。コロナ放電を防ぐため、特許文献１には、導体上に形成された絶縁層の外側に熱融着樹脂を塗布、焼付けした絶縁電線を捲線してコイルを形成した後、加熱して熱融着樹脂を溶解して線間の空気層を埋める、コイルの形成方法が開示されている。

コロナ放電の発生を防ぐための別の手法としては、導体上に形成された絶縁層の外側に、１ｋΩ〜１ＭΩの表面抵抗を有する導電層や半導電層を形成させた絶縁電線がある（特許文献２等）。絶縁層の外側にある導電層や半導電層によって、絶縁層表面に生じる静電位勾配が緩やかになりコロナ放電開始電圧を向上することができる。

また絶縁層を低誘電率化することでコロナ放電開始電圧を向上できる。ポリイミド樹脂やフッ素樹脂は低誘電率であり、これらの材料を絶縁層とすることでコロナ放電開始電圧が向上する。また特許文献３には、ポリエステルイミドとポリエーテルスルホンとの混合樹脂を絶縁層として使用した絶縁電線が開示されている。

特開平１０−２６１３２１号公報 特開２００４−２５４４５７号公報 特開２００９−２７７３６９号公報

特許文献１のような熱融着樹脂を使用する方法では、コイル形成後に熱融着工程が必要で、製造コストが高くなる。また導電層や半導電層を使用する方法では、コロナ放電開始電圧は向上するものの、導電層、半導電層により絶縁電線の表面抵抗が小さくなることで交流通電時に電線の表面に流れる漏れ電流が大きくなり、絶縁電線の表面が発熱して劣化しやすくなる。また絶縁電線末端の導体露出部と導電層、半導電層とが短絡するおそれがあるため、絶縁電線末端では導電層、半導電層を剥離する工程が必要となる。

絶縁層の低誘電率化による方法はコロナ放電開始電圧の向上に有効であるが、絶縁層には低誘電率であるだけではなく、絶縁性、導体に対する密着性、耐熱性、機械的強度等が求められており、また使用用途によって求められる特性が変わってくる。また材料のコストも材料選定において重要な要素である。ポリイミド樹脂は低誘電率であり耐熱性、機械的強度等に優れているが、コストが高くポリイミドを絶縁層として使用した場合には絶縁電線が高価格となる。またフッ素樹脂は低誘電率ではあるが、柔らかく耐熱性や機械的強度に劣り絶縁層として使用する場合には用途が限られてしまう。特許文献３に記載の絶縁材料は誘電率、耐熱性、機械的特性のバランスが取れたものであるが、用途によっては特性が不十分な場合もある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、コロナ放電開始電圧を高くできるとともに、耐熱性、機械的強度等の要求特性を満たすことのできる絶縁電線を提供することを課題とする。

本発明は、導体及び該導体を被覆する単層又は多層の絶縁層を有する絶縁電線であって、前記絶縁層は、ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）と、ポリフェニレンエーテル（Ｂ）とをＡ：Ｂ＝６０：４０〜９５：５の割合（質量比）で混合した樹脂を塗布、焼付けして形成された第１の樹脂層を有する、絶縁電線である（請求項１）。

本発明者らは低誘電率材料であるポリフェニレンエーテルに着目した。ポリフェニレンエーテルは可撓性が低く脆い材料であり、また導体との密着性も悪いため、絶縁性樹脂の塗布、焼付けによって絶縁層を形成する、いわゆるエナメル線の絶縁皮膜には一般に使用されていなかった。しかしポリフェニレンエーテルを、ポリアミドイミド又はポリエステルイミドと組み合わせることによって可撓性等の機械特性、導体との密着性を向上でき、絶縁電線の絶縁層として使用可能であることを見出した。なおポリフェニレンエーテルはポリフェニレンオキサイドと呼ばれることもあるが、本明細書では統一してポリフェニレンエーテルと記載する。

ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）とポリフェニレンエーテル（Ｃ）との混合比率はＡ：Ｂ＝６０：４０〜９５：５の範囲とする。ポリフェニレンエーテルの含有量が５％よりも少ない場合には絶縁層の誘電率を低くすることができず、十分高いコロナ放電開始電圧を得られない。またポリアミドイミド又はポリエステルイミドの含有量が６０％よりも少ない場合には、絶縁層が脆くなり、導体との密着性が低下する。さらに好ましいポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）とポリフェニレンエーテル（Ｃ）との混合比率はＡ：Ｂ＝８０：２０〜９０：１０である。混合比率をこの範囲とすることで、さらに特性のバランスが取れた絶縁電線が得られる。

ポリフェニレンエーテルと組み合わせる樹脂としてポリアミドイミドを選択すると、ポリエステルイミドを選択した場合よりも耐熱性を向上できる。またポリエステルイミドを選択した場合は、ポリアミドイミドを選択した場合に比べると耐熱性が若干低下するが、ポリエステルイミドは安価な材料であるためコストを低減できるという利点がある。

絶縁層は単層であっても多層であっても良い。絶縁層が単層である場合は、上記のポリアミドイミド又はポリエステルイミドとポリフェニレンエーテルとを混合した樹脂を塗布、焼き付けして形成された第１の樹脂層のみが絶縁層となる。絶縁層が多層である場合は、前記第１の樹脂層以外に他の樹脂層を設ける。第２の樹脂層としてポリアミドイミドを主体とする樹脂を更に有すると耐熱性が向上して好ましい（請求項２）。第２の樹脂層は第１の樹脂層の下層にあっても上層にあっても良いが、密着性に優れたポリアミドイミドを用い、この高密着性ポリアミドイミド樹脂からなる層を導体と密着させた構成とすると、絶縁皮膜の導体との密着性が向上して好ましい。

また、絶縁層を構成する他の樹脂層として、最外層に表面潤滑層を有すると好ましい（請求項３）。表面潤滑層は潤滑性を有する樹脂からなる層であり、カルナバワックス、ミツロウ、モンタンワックス、マイクロクリスタンワックス等の各種ワックス、ポリエチレン、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等の潤滑剤をバインダー樹脂と混合した樹脂を塗布、焼き付けして形成できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の絶縁電線を捲線してなる電機コイルである。また請求項５に記載の発明は、請求項５に記載の電機コイルを有するモータである。これらの電機コイル、モータは高いコロナ放電開始電圧を有し、高電圧が印加された場合でも絶縁皮膜の劣化が起こりにくい。

本発明の絶縁電線は、コロナ放電開始電圧を向上できるとともに、耐熱性、機械的強度等の要求特性を満たすことができる。

誘電率の測定方法を説明する模式図である。 コロナ放電開始電圧測定用の試験サンプルを説明する模式図である。

第１の樹脂層の構成材料であるポリフェニレンエーテルとしては、下記一般式（１）で示されるものが好ましく使用できる。具体的にはＳＡＢＩＣイノベーティブプラスチックス製のＰＰＯ（登録商標）樹脂等を使用できる。ポリフェニレンエーテルの分子量が約１０００〜２万程度のものを選択すると好ましい。ポリフェニレンエーテルはＮ−メチルピロリドン、クレゾール等の溶媒に溶解した後ポリアミドイミド又はポリエステルイミドと混合して使用する。

ポリエステルイミドとしては、下記一般式（２）で示されるものが好ましく使用できる。

式中、Ｒ^１はトリカルボン酸無水物の残基等の３価の有機基、Ｒ^２はジオールの残基等の２価の有機期、Ｒ^３はジアミンの残基等の２価の有機基である。

ポリエステルイミドは、トリカルボン酸無水物、ジオール、及びジアミンを公知の方法で反応させて得られる。トリカルボン酸無水物としては、トリメリット酸無水物、３，４，４’−ベンゾフェノントリカルボン酸無水物、３，４，４’−ビフェニルトリカルボン酸無水物等を使用できる。これらの中ではトリメリット酸無水物が最も好ましい。

ジオールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、ジエチレングリコール等が使用できる。またジアミンとしては４，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、１，４−ジアミノナフタレン、ヘキサメチレンジアミン、ジアミノジフェニルスルホン等が使用できる。

ポリエステルイミドの具体的な製品としては、日立化成（株）製の商品名ＩＳＯＭＩＤ ４０ＳＭ−４５、４０ＨＡ−４５、東特塗料（株）製の商品名Ｎｅｏｈｅａｔ８６２５Ｈ２、８６２５ＡＹ等を使用することもできる。

ポリアミドイミドは、ジイソシアネート化合物を含むイソシアネート成分と酸成分とを反応させて得られる。イソシアネート成分としてはジフェニルメタン−４，４’−ジイソシアネート（ＭＤＩ）、ジフェニルメタン−３、３’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−３，４’−ジイソシアネート、ジフェニルエーテル−４，４’−ジイソシアネート、ベンゾフェノン−４、４’−ジイソシアネート、ジフェニルスルホン−４，４’−ジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネートが使用できる。

酸成分としては、トリメリット酸無水物（ＴＭＡ）、１，２，５−トリメリット酸（１，２，５−ＥＴＭ）、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、オキシジフタル酸二無水物（ＯＰＤＡ）、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）、４，４’−（２，２’−ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸二無水物等が使用できる。イソシアネート成分、酸成分は１種類ずつ用いても良いし複数の種類を組み合わせても良い。

ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）とポリフェニレンエーテル（Ｂ）とは、その固形分比率がＡ：Ｂ＝６０：４０〜９５：５の割合（質量比）となるように混合する。ポリフェニレンエーテル（Ｂ）の混合比率を上げると誘電率が下がり、耐コロナ放電特性を向上できるが、可撓性等の機械特性は低下するため、必要な特性を考慮し、ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）とポリフェニレンエーテル（Ｂ）との混合比率を決めると良い。Ａ：Ｂ＝８０：２０〜９０：１０とすると特性のバランスが良く、好ましい。なお混合した樹脂ワニス中に、顔料、染料、無機又は有機のフィラー、潤滑剤等の各種添加剤や反応性低分子、相溶化剤等を添加しても良い。さらに、本発明の趣旨を損ねない範囲で、ポリエステルイミドとポリエーテルイミド以外の樹脂を混合して使用することもできる。

ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）とポリフェニレンエーテル（Ｂ）とを混合した樹脂ワニスを導体上に直接又は他の層を介して塗布、焼き付けして絶縁層を形成する。塗布、焼付けは、通常の絶縁電線の製造と同様に行うことができる。例えば、導体に樹脂ワニスを塗布した後、設定温度を３５０〜５００℃とした炉内を１パス当たり５〜１０秒間通過させて焼付ける作業を数回繰り返して絶縁層を形成する。絶縁層の厚みは１０μｍ〜１００μｍとする。

導体としては、銅や銅合金、アルミ等を使用できる。導体の径やその断面形状は特に限定されないが、導体径が１００μｍ〜５ｍｍのものが一般に使用される。

絶縁層を多層にする場合は、ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）とポリフェニレンエーテル（Ｂ）とを混合した樹脂ワニスからなる第１の樹脂層の形成前又は形成後に他の樹脂層を形成する。ポリアミドイミドを主体とする第２の樹脂層をさらに有すると好ましい。このポリアミドイミドとしては、前記のポリアミドイミドが使用できる。また前記のポリアミドイミドに密着性向上剤を添加した高密着性ポリアミドイミドからなる層を第２の樹脂層とし、導体上に直接形成すると、絶縁層全体の導体への密着力が向上して好ましい。

第２の樹脂層としては、ポリアミドイミドの他に、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリウレタン等を使用することができる。

さらに、絶縁層として、最外層に表面潤滑層を有すると加工性が向上して好ましい。また絶縁電線の外側に表面潤滑油を塗布しても良い。この場合はさらにインサート性や加工性が向上する。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。なお本発明の範囲はこの実施例のみに限定されるものではない。

（ポリフェニレンエーテルワニスの調整）
ポリフェニレンエーテルとして、ＳＡＢＩＣイノベーティブプラスチックス製のＰＰＯ（登録商標）６３０を使用した。温度計、冷却管、塩化カルシウム充填管、攪拌器を取り付けたフラスコ中にクレゾール（住友化学（株）製スミクレゾールＭ−３０１）と、エクソン化学（株）製ソルベッソ＃１００を、ＰＰＯ：クレゾール：ソルベッソの質量比が２０：５６：２４となるように投入し、１３０℃で１時間攪拌して溶解し、固形分濃度２０％のポリフェニレンエーテルワニスを得た。

（ポリエステルイミドワニスの調整）
ポリエーテルイミドワニスとして、日立化成（株）製の商品名ＥＬ５−４５Ｈを使用した。

（絶縁電線の作製）
固形分比率が表１に示す割合となるように、ポリフェニレンエーテルワニス（ＰＰＯ）とポリエステルイミドワニス（ＰＥｓＩ）又はポリアミドイミドワニスと（ＰＡＩ）を混合した混合樹脂ワニスを作製した。導体径（直径）約１ｍｍの導線の表面に混合樹脂ワニスを常法によって塗布、焼付けして絶縁層を形成し、実施例１〜５の絶縁電線を作製した。また比較例１としてポリアミドイミドワニスのみを用いた絶縁電線、比較例２としてポリエステルイミドのみを用いた絶縁電線を作製した。導体径、仕上径、皮膜厚みを表１に示す。

（誘電率の測定）
得られた各絶縁電線について、絶縁層の誘電率を測定した。測定は図１に示すように、絶縁電線の表面３カ所に銀ペーストを塗布した（塗布幅は両端２カ所が１０ｍｍ、中央部分が１００ｍｍである）。導体と銀ペースト間の静電容量をＬＣＲメータで測定し、測定した静電容量の値と被膜の厚みから誘電率を算出した。測定結果を表１に併せて示す。

（コロナ放電開始電圧の測定）
得られた各絶縁電線について、以下に示す方法でコロナ放電開始電圧を測定した。図２に示すように２本の絶縁電線を撚り合わせて２本の絶縁電線の両端に交流電圧を印加する。電圧を７０Ｖ／ｓｅｃの早さで上昇し、放電量が１００ｐＣに達した時の電圧を測定し、交流電圧の最大値（ピーク値）を求めた。測定結果を表１に併せて示す。

表１に示すように、ポリエステルイミドとポリフェニレンエーテルとを所定の範囲内で混合した実施例１〜３の絶縁電線は、ポリエステルイミドを単独で用いた比較例２よりも誘電率が低く、またコロナ放電開始電圧も高くなっている。またポリエステルイミドとポリフェニレンエーテルとの混合比率を５０：５０とした比較例２で同様に絶縁電線を作製したが、絶縁層が脆く、導体から部分的に剥がれて表面状態が悪く、絶縁電線としての評価はできなかった。

Claims (5)

1. 導体及び該導体を被覆する単層又は多層の絶縁層を有する絶縁電線であって、前記絶縁層は、ポリアミドイミド又はポリエステルイミド（Ａ）と、ポリフェニレンエーテル（Ｂ）とをＡ：Ｂ＝６０：４０〜９５：５の割合（質量比）で混合した樹脂を塗布、焼付けして形成された第１の樹脂層を有する、絶縁電線。
2. 前記絶縁層が多層であり、ポリアミドイミドを主体とする第２の樹脂層をさらに有する、請求項１に記載の絶縁電線。
3. 前記絶縁層が多層であり、最外層に表面潤滑層を有する、請求項１又は２に記載の絶縁電線。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁電線を捲線してなる電機コイル。
5. 請求項４に記載の電機コイルを有するモータ。

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