JP2013187029A - 気泡入り絶縁電線の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない塗布回数で膜厚の厚い絶縁皮膜を形成し、これによって、高い部分放電開始電圧と耐熱性を有するエナメル線を製造する方法を提供する。
【解決手段】熱硬化性樹脂と、エーテル化合物を含む液体状の気泡形成剤を含有する絶縁塗料を導体１上に塗布し、前記導体上に塗布した絶縁塗料を焼付けする絶縁電線の製造方法であって、前記焼付けにおいて熱硬化性樹脂の硬化反応と同時に気泡形成剤の分解と蒸発を行う絶縁電線の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電気機器に使用される絶縁電線の製造方法に関するものである。

従来から、導体を絶縁皮膜で被覆した絶縁電線は、モーターや変圧器などの各種電気機器用の電気コイルに使用されている。この電気コイルを形成する絶縁電線には、導体への密着性、電気絶縁性及び耐熱性が必要とされている。特に近年は、宇宙用電気機器、航空機用電気機器、原子力用電気機器、エネルギー用電気機器、自動車用電気機器については、小型化や軽量化とともに、高性能化が求められている。例えば、モーター等の回転電機や変圧器には、従来にも増して高出力化が必要とされている。

そのため、回転電機等には稼働時に高電圧が印加されることが予想され、その場合には絶縁電線とスロットとの間や絶縁電線同士の間で部分放電が発生する。印加電圧がさほど高くない場合は、絶縁電線には耐コロナ放電性への要求は高くなかった。しかし、高出力の回転電機では高電圧が印加されるため、部分放電性が発生しにくい絶縁電線が必要となっている。

部分放電の発生しやすさを量る指標として、部分放電開始電圧がある。絶縁電線において、この部分放電開始電圧を向上させる他の方法としては、誘電率の低い樹脂を絶縁皮膜に使用することが考えられる。しかし誘電率の低い樹脂は、通常、表面自由エネルギーが低く、導体との密着性に劣るため使用することは困難である。
さらに、絶縁皮膜に粒子を配合することにより、耐コロナ放電性を向上させた絶縁電線が提案されている。例えば、絶縁皮膜中にアルミナ、シリカ、酸化クロム等の粒子を含有させたもの（特許文献１、２参照）や、絶縁皮膜中に炭化窒素や窒化珪素を含有させたもの（特許文献３参照）が提案されている。これらの絶縁電線は、粒子を含有する絶縁皮膜により、コロナ放電による侵食劣化を低減するものである。しかしこれらの粒子を含有した絶縁皮膜を有する絶縁電線は、皮膜の可撓性が低下し、皮膜表面がざらつくことが多い。この皮膜表面のざらつきにより、絶縁電線はスロットに押し込みにくくなる。このため、場合によっては、絶縁電線は耐磨耗性に劣り、絶縁皮膜に損傷が生じやすい。

部分放電開始電圧を向上させるもうひとつの手法として、膜厚を厚くすることが考えられる。エナメル線の分野において膜厚を厚くするためには、ワニスの濃度を上げるなどが考えられるが、この方法には限界がある。また塗布回数を増やす手法があり、最も簡便ではあるが、焼付け炉に入る回数が増えることとなり下層ほど熱劣化を受けることになってしまう。

特開昭５７−２３６１号公報 特開平２−１０６８１２号公報 特開平１１−１３０９９３号公報

本発明の課題は、絶縁電線の製造時の絶縁樹脂ワニスの塗布回数を減少させることである。少ない塗布回数で膜厚の厚い絶縁皮膜を形成し、これによって、高い部分放電開始電圧と耐熱性を有するエナメル線を製造する方法を提供する。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した。芯線供給手段、多頭芯線手段、およびエナメル塗布焼付け手段をこれらの順に連結した基本構成のエナメル線の製造手段と該エナメル線製造手段から供給されるエナメル線を引き取り、ボビンへの巻取り装置を連続して実施することができる製造方法に関するものである。すなわち、ワニス塗布が熱硬化性樹脂において、液状の発泡剤を添加し、短時間で加熱することによってエナメル絶縁電線の皮膜の製造中の熱劣化をさせることなく、多くの皮膜を一度の焼付けで成型することができることを見出した。さらに、この方法を用いることにより誘電率を低下させ、部分放電開始電圧を増加させる効果が見込める。液状の発泡剤にはエナメル樹脂ワニスの溶剤成分より沸点が高い液体を含有させることで微細な気泡を含有させることができる。本発明はこの気泡を有する絶縁電線の製造方法である。

すなわち本発明は以下の手段を提供する。
（１）熱硬化性樹脂と、エーテル化合物を含む液体状の気泡形成剤を含有する絶縁塗料を導体上に塗布し、前記導体上に塗布した絶縁塗料を焼付けする絶縁電線の製造方法であって、前記焼付けにおいて熱硬化性樹脂の硬化反応と同時に気泡形成剤の分解と蒸発を行うことを特徴とする絶縁電線の製造方法。
（２）前記塗布、焼き付けを２回以上連続して実施することを特徴とする（１）記載の絶縁電線の製造方法。
（３）前記気泡形成剤に少なくともトリグライムが含まれていることを特徴とする（１）または（２）に記載の絶縁電線の製造方法。
（４）（１）〜（３）のいずれか１項に記載された方法で製造された絶縁電線。
（５）（４）記載の絶縁電線が組み込まれた電気機器。

導体に対して絶縁皮膜を構成するための熱硬化性樹脂を塗布し、しかも使用されるワニスには液体状の気泡形成剤を含有させて、加熱炉で一気に気泡形成剤の分解温度もしくは沸点にすることで気泡を含有するエナメル皮膜を焼き付けることができる。気泡が含まれることで皮膜が厚くなるため、塗布回数を減少させることができる。このため、焼き付け時の熱劣化を受けにくい条件で導体上にエナメル皮膜を成型することができる。作製されたエナメル線が高い部分放電開始電圧と耐熱性を有する絶縁電線の製造方法を提供することができる。

絶縁電線の形状を示す断面図である。 本発明の絶縁電線の製造工程の一実施態様を示す説明図である。

図面を参照して本発明の好ましい絶縁電線の製造方法について説明する。
図１は本発明で製造する絶縁電線の形状を示す概略断面図である。図１（ａ）及び（ｂ）からわかるように、導体１の外周に絶縁皮膜２が被覆されている。絶縁皮膜２は焼付けによって気泡を含む熱硬化性樹脂皮膜となる樹脂ワニスを直接又は間接に導体外周に塗布し、その後焼き付けて形成した絶縁層を少なくとも１層有している。さらにその絶縁皮膜２の外側に絶縁層を有していても良い。絶縁皮膜２は、該絶縁層中に微細な気孔（気泡）３を有している。導体の形状は図１（ａ）に示されるように、断面丸形状でよく、図１（ｂ）に示されるように、断面が矩形で角が丸くなったものでもよい。

図２に本発明の好ましい絶縁電線の製造方法の工程の説明図を示した。
導体供給工程１１で導体１を供給する。これを導体伸線工程１２で伸線用のダイスを通して希望の形状に導体を成型する。さらに導体焼鈍工程１３で焼鈍する。加工された金属は硬くなるので再度加工しやすくするためである。このように処理された導体１に、ワニス塗布装置４で気泡形成剤を含有する絶縁塗料５を塗布し、皮膜焼付工程１４で焼き付けたのち、電線巻取工程１５で巻き取る。皮膜焼付工程が終わったあと、絶縁塗料塗布及び焼付工程を所望の皮膜厚さになるまで繰り返すのが好ましい。

＜導体＞
導体には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金又はそれらの組み合わせなど、従来からで絶縁電線の導体として使用されているものを使用することができる。

＜絶縁塗料（樹脂ワニス）＞
・熱硬化性樹脂
本発明で使用される樹脂ワニス中の熱硬化性樹脂としては、特に制限はなく、例えば、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリエステルイミド樹脂、フェノキシ樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリエステルイミド樹脂、メラミン樹脂、ポリベンゾイミダゾールなどが使用できる。上記の熱硬化性樹脂は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

・溶剤
本発明で使用される樹脂ワニス中の溶剤としては、特に制限はなく、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等のアミド系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルエチレンウレア、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチル尿素等の尿素系溶媒、γ−ブチロラクトン、γ−カプロラクトン等のラクトン系溶媒、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ｎ−ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチルセロソルブアセテート、エチルカルビトールアセテート等のエステル系溶媒、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム系溶媒、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒、スルホラン等のスルホン系溶媒などが挙げられる。これらのうちでは高溶解性、高反応促進性等の点でアミド系溶媒、尿素系溶媒が好ましく、加熱による架橋反応を阻害しやすい水素原子をもたない等の点で、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルエチレンウレア、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチル尿素がより好ましく、Ｎ−メチル−２−ピロリドンが特に好ましい。

ポリアミドイミドとしては、例えば、バイロマックス（東洋紡社製商品名）、トーロン（ソルベイアドバンストポリマーズ社製商品名）、ＨＩ−４００，ＨＩ−４０５，ＨＩ−４０６シリーズ（日立化成工業社製商品名）などを使用することができる。ポリイミドとしては、例えば、Ｕイミド（ユニチカ社製商品名）、Ｕ−ワニス(宇部興産社製商品名)、ＨＣＩシリーズ（日立化成社商品名）、オーラム（三井化学社製商品名）などを使用することができる。

・気泡形成剤
気泡形成剤として使用可能なエーテルとしては具体的には、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、フラン、ジベンゾフラン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジヒドロフラン、トリグライム、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテルなどを用いることができる。焼き付け後の１回焼き付け当たりの膜厚が最も厚くなる点において、トリグライムがより好ましい。
気泡形成剤の使用量は樹脂固形分１００質量部に対し３０〜１５０質量部が好ましく、５０〜１１０質量部がより好ましい。少なすぎると十分な気泡が形成されず、塗布回数を減らすことができないが、多すぎると溶解度が低下するためにワニス中の固形分が析出してしまい、焼付けが不可能になることがある。
気泡形成剤は以下に説明する絶縁皮膜の焼き付けにおいて、熱硬化性樹脂の硬化と同時に分解、蒸発する。

・その他
本発明においては、本発明の趣旨を損なわない範囲内で、結晶化核剤、結晶化促進剤、気泡化核剤、消泡剤、界面活性剤、酸化防止剤、帯電防止剤、紫外線防止剤、光安定剤、蛍光増白剤、顔料、染料、相溶化剤、滑剤、強化剤、難燃剤、架橋剤、架橋助剤、可塑剤、増粘剤、減粘剤、およびエラストマーなどの各種添加剤を配合してもよい。上記の添加剤は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

＜絶縁皮膜の形成＞
本発明の絶縁電線は、例えば、以下のように製造することができる。すなわち、導体外周に前述の樹脂ワニスを塗布し焼き付けたものを、熱風炉に通すことで連続的に皮膜に気孔を形成し、絶縁電線を製造することができる。

ワニスの塗布の後、熱風炉もしくは電気炉で５００〜６００℃中に入り、エナメルワニスの溶剤の蒸発および架橋反応させる。加熱環境で液体の気泡形成剤が蒸発および／もしくは分解することで気泡がエナメル皮膜中に入る構造を取らせることができる。すなわち本発明の製造方法によれば、１回の熱風炉でワニスの予備乾燥・気泡形成・重合反応を進ませることが可能である。

さらに、ワニス塗布と焼き付けを２回以上連続して行うことで膜の厚さを増やしていくことができ好ましい。連続して焼付けを行うことで、例えば下層のエナメル皮膜の発泡度合いに不均一が発生し、それによって膜厚も不均一になった場合にも、それを補うように膜厚を周方向で一定にすることが可能になる。５〜２０回行うことがより好ましい。

気孔の平均直径は１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、絶縁破壊電圧を高い値に維持することができる。気孔の平均直径は、さらに好ましくは、５μｍ以下である。通常、気孔の平均直径は、３〜５μｍである。気孔径が大きすぎると、絶縁破壊電圧が低下する。気孔径の平均直径はＳＥＭ観察により、測定することができる。
気泡の量は皮膜の密度で０．６〜１．１であることが好ましい。

ワニス塗布装置は温度調節機能がついていても良い。ワニス塗布装置の温度調節は２０〜７０℃の範囲が好ましく、熱硬化性樹脂の重合反応の副反応を抑えるために３０〜５０℃がより好ましい。

ワニス塗布装置において焼き付け後の膜厚は導体とダイス間の空隙距離で制御するが、この、このクリアランスと呼ばれるワニス塗布厚さの長さは２０〜１５０μｍが好ましい。偏肉などが発生しにくくする点において４０〜１００μｍがより好ましい。

ワニス塗布装置にはワニスの液量を調節できるようになっていることが好ましい。偏肉が起こりにくいため筒型のダイスを通すことにより線形を整える方法がさらに好ましい。

以下、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１
気泡入りエナメル線の作製方法は以下のように実施した。
（作製条件）
使用ワニス：ＨＩ４０６（日立化成工業社製）
気泡形成剤：トリグライム（東京化成社製）（樹脂固形分１００質量部に対して８０質量部）
クリアランス：５０〜７０μｍ
炉温：５００℃

以下、図２を参照して説明する。導体供給部１と導体伸線部２を直結し、Φ1.0ｍｍの径の裸芯線を得た。この裸芯線はそのまま導体焼鈍部１３に入れることで、芯線の加工による硬さを焼きなました。さらに直結するワニス塗布装置４に入れてそこで気泡形成剤としてトリグライムの入ったＰＡＩワニス（日立化成社製：ＨＩ４０６）を任意の厚さに塗布した。その後皮膜焼付工程１４で焼き付け炉に通し、エナメル線を得た。得られたエナメル線をその他の加工をすることなく再度ワニス塗布装置４に入れて気泡形成剤の入ったＰＡＩワニスを任意の厚さに塗布、焼き付けを行った。これを焼き付け後の皮膜の厚さが３０μｍになるまで７回繰り返した。すべての装置は連動して動いており、電線巻取工程１５での巻取りの速度は５０ｍ／ｍｉｎであった。
ＳＥＭ観察で測定した絶縁皮膜の気泡の平均直径は５μｍであった。また、皮膜の密度は０．７２であった。

実施例２
気泡形成剤としてトリグライム（樹脂固形分１００質量部に対して１００質量部）の入ったＰＩワニス（ユニチカ社製：ＵイミドワニスタイプＢＨ）を使用した以外は、実施例１と同様にエナメル線を作製した結果、塗布、焼き付けの回数は８回であった。
ＳＥＭ観察で測定した絶縁皮膜の気泡の平均直径は８μｍであった。また、皮膜の密度は０．７１であった。

比較例１
実施例１の気泡形成剤としてトリグライムの入ったＰＡＩワニスを気泡形成剤の入っていないＰＡＩワニス（日立化成社製：ＨＩ４０６）とした以外は、実施例１と同様にエナメル線を作製した結果、塗布、焼き付けの回数は１０回であった。

比較例２
実施例１の気泡形成剤としてトリグライムの入ったＰＡＩワニスを気泡形成剤の入っていないＰＩワニス（ユニチカ社製：ＵイミドワニスタイプＢＨ）とした以外は、実施例１と同様にエナメル線を作製した結果、塗布、焼き付けの回数は１２回であった。

（試験例）
作製した電線について以下の項目を試験した。結果を表１に示した。
［部分放電発生電圧］
２本の電線をツイストツイストペア状に撚り合わせた試験片を作製し、各々の導体間に正弦波５０Ｈｚの交流電圧を印加して、連続的に昇圧させながら放電電荷量が１０ｐＣのときの電圧（実効値）を測定した。測定温度は常温とする。部分放電発生電圧の測定には部分放電試験機（菊水電子工業製、ＫＰＤ２０５０）を用いた。表１中７００Ｖｐ以上を合格とし○と示し、９００Ｖｐ以上を◎とした。
［耐軟化試験］
耐熱性は耐軟化試験によって評価した。耐軟化性試験は ＪＩＳ Ｃ３００３ １１．２ に準じて実施した。導体径によって規定された荷重を、エナメル線２本を上下に交差させた交点上に乗せ、２℃／ｍｉｎにて昇温する。皮膜が熱によって劣化もしくは軟化した場合に温度を検知し、この温度を耐熱性の指標とした。５００℃以上を○、５００℃未満を×とした。

実施例の電線は比較例のものより塗布回数が少なくてすむにもかかわらず、比較例のものと同等の耐熱性を有し、部分放電開始電圧が高いという優れた性質を示した。

１ 導体
２ 絶縁皮膜
３ 気孔
４ ワニス塗布装置
５ 絶縁塗料
１１ 導体供給工程
１２ 導体伸線工程
１３ 導体焼鈍工程
１４ 皮膜焼付工程
１５ 電線巻取工程

Claims (5)

1. 熱硬化性樹脂と、エーテル化合物を含む液体状の気泡形成剤を含有する絶縁塗料を導体上に塗布し、前記導体上に塗布した絶縁塗料を焼付けする絶縁電線の製造方法であって、前記焼付けにおいて熱硬化性樹脂の硬化反応と同時に気泡形成剤の分解と蒸発を行うことを特徴とする絶縁電線の製造方法。
2. 前記塗布、焼き付けを２回以上連続して実施することを特徴とする請求項１記載の絶縁電線の製造方法。
3. 前記気泡形成剤に少なくともトリグライムが含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁電線の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された方法で製造された絶縁電線。
5. 請求項４記載の絶縁電線が組み込まれた電気機器。

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