JP2013187045A - 絶縁電線及びそれを用いて形成されたコイル - Google Patents

Abstract

【課題】高温の環境下で使用された場合において絶縁皮膜が劣化、損傷しにくく、高い部分放電開始電圧を有する絶縁電線及びそれを用いて形成されたコイルを提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、導体１０と、導体１０の周囲に設けられた絶縁皮膜１１と、を有する絶縁電線１を提供する。絶縁皮膜１１は、導体１０の周囲に形成された脂肪族を含有するポリイミドからなる第１絶縁皮膜１１ａと、第１絶縁皮膜１１ａの周囲に形成された脂肪族を含有しないポリイミドからなる第２絶縁皮膜１１ｂとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁電線及びそれを用いて形成されたコイルに関し、特に、モータや変圧器等の電気機器のコイル用として好適な絶縁電線及びそれを用いて形成されたコイルに関する。

一般に、回転電機や変圧器などの電気機器のコイルには、コイルの用途・形状に合致した断面形状（例えば、丸形状や矩形状）を有する金属導体（導体）の周囲に、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等の樹脂を有機溶剤に溶解させた絶縁塗料を塗布・焼付けして得られる絶縁皮膜を１層又は２層以上形成してなる絶縁被覆層を備えた絶縁電線（エナメル線）が、広く用いられている。

回転電機や変圧器などの電気機器は、近年、インバータ制御にて駆動されるようになってきている。このようなインバータ制御を用いた電気機器では、インバータ制御により発生するインバータサージ（サージ電圧）が高い場合、電気機器のコイルを構成する絶縁電線に、このインバータサージ電圧に起因して部分放電が発生し、絶縁皮膜が劣化することや損傷することがある。

インバータサージ電圧による絶縁皮膜の劣化や損傷を防ぐための方法として、例えば、３つ以上の芳香環を有する芳香族ジアミン成分と、酸成分とを含有する芳香族イミドプレポリマーに、２つ以下の芳香環を有する芳香族ジイソシアネート成分を混合してなるポリアミドイミド樹脂絶縁塗料を導体上に塗布し、焼付けして絶縁皮膜を形成した絶縁電線が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、このようなポリアミドイミド樹脂絶縁塗料を用いることで、比誘電率の低い絶縁皮膜が得られ、部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ：Partial Discharge Inception Voltage）の高い絶縁電線が得られるとされている。

特開２００９−１６１６８３号公報

近年では、モータの小型化、高出力化等が望まれているため、インバータ制御により発生するインバータサージ電圧の値が上昇する傾向にあり、従来よりも部分放電が発生しやすい環境下で絶縁電線が使用されることになる。このため、最近の絶縁電線には、従来よりも部分放電開始電圧を高くすることでインバータサージ電圧の値が上昇しても部分放電自体が発生しないことが望まれている。

一方、モータの小型化、高電圧駆動等のために、コイルを構成する絶縁電線の高占積率化が検討されている。このため、コイルの放熱性の低下や、コイルに流す電流の大電流化などの環境因子の変化によって、コイルを構成する絶縁電線が高温（例えば１８０℃以上）の環境下で使用されることになるが、このような高温の環境下において絶縁皮膜が劣化・損傷しにくい絶縁電線が望まれている。絶縁皮膜が劣化・損傷した場合では、高温の環境下において十分な部分放電開始電圧が得られないことがあった。

従って、本発明の目的は、上記の課題を解決し、高温の環境下で使用された場合において絶縁皮膜が劣化、損傷しにくく、高い部分放電開始電圧を有する絶縁電線及びそれを用いて形成されたコイルを提供することにある。

（１）本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、導体と、前記導体の周囲に設けられた絶縁皮膜と、を有する絶縁電線が提供される。前記絶縁皮膜は、前記導体の周囲に形成された脂肪族を含有するポリイミドからなる第１絶縁皮膜と、前記第１絶縁皮膜の周囲に形成された脂肪族を含有しないポリイミドからなる第２絶縁皮膜とを含む。

（２）上記絶縁電線において、前記第２絶縁皮膜は、酸素透過率が１．０×１０^−１４（ｍｏｌ／ｍ^２・ｓ・Ｐａ）未満であってもよい。

（３）上記絶縁電線において、前記第２絶縁皮膜の皮膜厚さは、前記絶縁被覆の全体の厚さに対して５％以上、２０％以下であってもよい。

（４）また、本発明の他の態様によれば、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の絶縁電線を用いて形成されたコイルが提供される。

本発明によれば、高温の環境下で使用された場合において絶縁皮膜が劣化、損傷しにくく、高い部分放電開始電圧を有する絶縁電線及びそれを用いて形成されたコイルを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る絶縁電線の断面図

［実施の形態］
（絶縁電線）
図１は、本実施の形態に係る絶縁電線１の断面の一例を表す。本実施の形態に係る絶縁電線１は、導体１０と、導体１０の周囲に設けられた絶縁皮膜１１とを有する。

導体１０は、銅等の導電材料からなる導体線である。銅としては、無酸素銅や低酸素銅などが主に用いられる。また、導体１０は、多層構造を有してもよく、例えば、銅線の表面にニッケル等の金属めっきを施したものであってもよい。導体１０の断面形状は、例えば、丸形状、又は四角形状である。なお、ここでいう四角形状とは、四角形の角部が丸みを有する四角形状も含むものとする。

絶縁皮膜１１は、導体１０の周囲に形成された第１絶縁皮膜１１ａと、第１絶縁皮膜の周囲に形成された第２絶縁皮膜１１ｂを含む。

絶縁電線１は、導体１０と絶縁皮膜１１との間に、密着層等として機能する他の皮膜を有してもよい。密着層は、例えば、芳香族ポリイミドと密着向上剤からなる。

また、絶縁電線１は、絶縁皮膜１１上に、潤滑性を付与するための潤滑性付与絶縁皮膜や、耐傷性を付与する耐傷性付与絶縁皮膜等を有してもよい。これらの潤滑性付与絶縁皮膜、および耐傷性付与絶縁皮膜は、絶縁塗料を塗布、焼付けすることによって形成することが好ましい。

また、絶縁電線１を用いて、例えばモータや発電機等の電気機器を構成するコイルを形成することができる。

（第１絶縁皮膜）
第１絶縁皮膜１１ａは、脂肪族を含有するポリイミドを主成分とする。製法は特に限定されないが、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとのイミド化反応により合成することが好ましい。脂肪族成分は酸二無水物由来でも、ジアミン由来でもいずれでも良い。第１絶縁皮膜１１ａの原料として、脂肪族を含有する原料を１つ又は複数用いることができる。

脂肪族を含有する原料としては、第１絶縁皮膜１１ａに特に高い部分放電開始電圧付与することができるため、脂肪族を含有するジアミンである２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン（ＢＡＰＰ）や、脂肪族を含有するテトラカルボン酸二無水物である２，２−ビス［４−（３，４ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン酸二無水物（ＢＰＡＤＡ）を用いることが好ましい。

脂肪族を含有するジアミンと併せて使用される、脂肪族を含有しない芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、ピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ）、オキシジフタル酸無水物（ＯＤＰＡ）、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）、３,３',４,４'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）、３,３',４,４'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物（ＤＳＤＡ）等が挙げられ、これらのテトラカルボン酸二無水物を１つ又は複数用いることができる。なお、これらのテトラカルボン酸二無水物は、上記の脂肪族を含有するテトラカルボン酸二無水物と併せて使用することもできる。

また、脂肪族を含有するテトラカルボン酸二無水物と併せて使用される、脂肪族を含有しない芳香族ジアミンとしては、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル（３，４’−ＤＰＥ）、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル（ＢＡＰＢ）、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＴＰＥ−Ｑ）、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＴＰＥ−Ｒ）、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン（ＢＡＰＳ）、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン（ＢＡＰＳ−Ｍ）、２，５−ビス（４−アミノフェノキシ）−ビフェニル（Ｐ−ＴＰＥ−Ｑ）、９，９−ビス（４−アミノフェニル）フルオレン（ＦＤＡ）等が挙げられ、これらの芳香族ジアミンを１つ又は複数用いることができる。なお、これらの脂肪族を含有しない芳香族ジアミンは、上記の脂肪族を含有するジアミンと併せて使用することもできる。

また、第１絶縁皮膜１１ａは、導体との密着性を向上させるための密着向上剤を含んでもよい。

（第２絶縁皮膜）
第２絶縁皮膜１１ｂは、脂肪族を含有しないポリイミドを主成分とする。製法は特に限定されないが、脂肪族を含有しないテトラカルボン酸二無水物と脂肪族を含有しないジアミンとのイミド化反応により合成することが好ましい。

脂肪族を含有しない芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、ピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ）、オキシジフタル酸無水物（ＯＤＰＡ）、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）、３,３',４,４'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）、３,３',４,４'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物（ＤＳＤＡ）等が挙げられ、これらのテトラカルボン酸二無水物を１つ又は複数用いることができる。

脂肪族を含有しない芳香族ジアミンとしては、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル（３，４’−ＤＰＥ）、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル（ＢＡＰＢ）、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＴＰＥ−Ｑ）、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＴＰＥ−Ｒ）、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン（ＢＡＰＳ）、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン（ＢＡＰＳ−Ｍ）、２，５−ビス（４−アミノフェノキシ）−ビフェニル（Ｐ−ＴＰＥ−Ｑ）、９，９−ビス（４−アミノフェニル）フルオレン（ＦＤＡ）等が挙げられ、これらの芳香族ジアミンを１つ又は複数用いることができる。

本発明者らは、絶縁皮膜を構成する樹脂に脂肪族が含有される場合に、その脂肪族の部分で熱による劣化が起きやすく、長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下につながることを見出すとともに、熱劣化を抑制する層として脂肪族を含有しないポリイミドからなる層が好適であることを見出した。

本実施の形態によれば、脂肪族を含有しない第２絶縁皮膜１１ｂを脂肪族を含有する第１絶縁皮膜１１ａの外周に形成することにより、脂肪族を含有しない第２絶縁皮膜１１ｂが脂肪族を含有する第１絶縁皮膜１１ａの脂肪族の部分の熱による劣化を起こし難くするため、絶縁電線１の長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下を抑えることができる。第２絶縁皮膜１１ｂを形成しない場合、常態（２５℃の温度条件下）での部分放電開始電圧は高いが、長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下が発生するおそれがある。

絶縁被覆１１において、長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下をより効果的に抑えるためには、第２絶縁皮膜１１ｂの皮膜厚さが絶縁被覆１１の全体の厚さに対して５％以上、２０％以下であることが好ましい。

また、第２絶縁皮膜１１ｂは、酸素透過率が１．０×１０^−１４（ｍｏｌ／ｍ^２・ｓ・Ｐａ）未満であることが好ましい。酸素透過率が１．０×１０^−１４（ｍｏｌ／ｍ^２・ｓ・Ｐａ）以上である場合、酸素が第２絶縁皮膜を透過しやすくなるため、第１絶縁皮膜１１ａ側へ透過した酸素が第１絶縁皮膜１１ａの脂肪族の部分を劣化させる度合いを高める要因となり、これにより長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下を招くおそれがある。

また、第２絶縁皮膜に、長期の熱劣化を発生させない範囲内で潤滑性付与可能な微粒子を分散させることも可能である。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る絶縁電線１は、上述した構成の絶縁被覆１１を有することにより、高温条件下（例えば、１８０℃以上）での高い部分放電開始電圧を有し、また、絶縁電線長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下が抑制される。

さらに、絶縁電線１は、高温の環境下においても高い部分放電開始電圧を有するため、小型化、高出力化したモータを構成するコイルを形成するのに好適である。

以下の実施例１〜３及び比較例に示す条件で絶縁塗料を作製し、それぞれの絶縁塗料を用いて絶縁電線の絶縁皮膜を作製した。その後、それぞれの絶縁電線に対して、部分放電開始電圧の測定及び絶縁破壊電圧の測定を、それぞれ常態及び長期熱劣化後の状態で行った。

（脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ａの合成）
攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、脂肪族を含有しない芳香族テトラカルボン酸二無水物であるピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ、分子量：２１８）と、脂肪族を含有するジアミンである２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン（ＢＡＰＰ、分子量：４１０）とを等しいモル量となるよう配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドンを配合した後、室温で１２時間反応し、脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ａを得た。

（脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ｂの合成）
攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、脂肪族を含有するテトラカルボン酸二無水物である２，２−ビス［４−（３，４ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン酸二無水物（ＢＰＡＤＡ、分子量：５２０）と、脂肪族を含有しない芳香族ジアミンである４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ、分子量：２００）とを等しいモル量となるよう配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドンを配合した後、室温で１２時間反応し、脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ｂを得た。

（脂肪族を含有しないポリイミド樹脂塗料Ｃの合成）
攪拌機、還流冷却管、窒素流入管、および温度計を備えたフラスコに、脂肪族を含有しない芳香族テトラカルボン酸二無水物であるピロメリット酸無水物（ＰＭＤＡ、分子量：２１８）と、脂肪族を含有しない芳香族ジアミンである４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ、分子量：２００）とを等しいモル量となるように配合し、固形分濃度が１５ｍａｓｓ％となるようにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を配合した後、室温で１２時間反応し、脂肪族を含有しないポリイミド樹脂塗料Ｃを得た。

（絶縁電線の作製）
〔実施例１〕
銅導体（実施の形態の導体１０に対応）上に脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ａを塗布、焼付けし、皮膜厚０．０３８ｍｍの第１絶縁皮膜（実施の形態の第１絶縁皮膜１１ａに対応）を形成した後、更に脂肪族を含有しないポリイミド樹脂塗料Ｃを塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．００２ｍｍの第２絶縁皮膜（実施の形態の第２絶縁皮膜１１ｂに対応）を形成することで、合計膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する実施例１の絶縁電線（実施の形態の絶縁電線１に対応）を得た。

〔実施例２〕
銅導体（実施の形態の導体１０に対応）上に脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ｂを塗布、焼付けし、皮膜厚０．０３２ｍｍの第１絶縁皮膜（実施の形態の第１絶縁皮膜１１ａに対応）を形成した後、更に脂肪族を含有しないポリイミド樹脂塗料Ｃを塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．００８ｍｍの第２絶縁皮膜（実施の形態の第２絶縁皮膜１１ｂに対応）を形成することで、合計膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する実施例２の絶縁電線（実施の形態の絶縁電線１に対応）を得た。

〔実施例３〕
銅導体（実施の形態の導体１０に対応）上に脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ａを塗布、焼付けし、皮膜厚０．０３２ｍｍの第１絶縁皮膜（実施の形態の第１絶縁皮膜１１ａに対応）を形成した後、更に脂肪族を含有しないポリイミド樹脂塗料Ｃを塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．００８ｍｍの第２絶縁皮膜（実施の形態の第２絶縁皮膜１１ｂに対応）を形成することで、合計膜厚０．０４０ｍｍの絶縁皮膜を有する実施例３の絶縁電線（実施の形態の絶縁電線１に対応）を得た。

〔比較例〕
銅導体（実施の形態の導体１０に対応）上に脂肪族含有ポリイミド樹脂塗料Ａを塗布、焼付けを繰り返して、膜厚０．０４０ｍｍの第１絶縁皮膜（実施の形態の第１絶縁皮膜１１ａに対応）を有する比較例の絶縁電線を得た。

（部分放電開始電圧の測定）
部分放電開始電圧測定は、次の手順で行った。得られた絶縁電線を５００ｍｍに切り出し、ツイストペアの絶縁電線の試料を１０個作製し、端部から１０ｍｍの位置まで絶縁皮膜を削って端末処理部を形成した。そして、端末処理部に電極を接続し、２５℃−湿度５０％の雰囲気で、５０Ｈｚの電圧を１０〜３０Ｖ／ｓで昇圧させた。ツイストペアの絶縁電線に１０ｐＣの放電が毎秒５０回発生するまで昇圧し、そのときの電圧の値を記録した。これを３回繰り返し、それぞれの値の平均値を部分放電開始電圧とした。

（絶縁破壊電圧の測定）
ツイストペアとし端末処理した絶縁電線を交流絶縁破壊電圧試験装置に接続し、空気中、５０Ｈｚにて電圧を０Ｖから２０ｋＶまで昇圧し、絶縁被覆樹脂が破壊された時点の電圧を絶縁破壊電圧とした。

（長期耐熱性の評価）
作製した絶縁電線を２２０℃の温度に設定した恒温槽中に１０００時間放置した後、恒温槽から取り出し、上述した試験方法と同様の方法によって部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧を測定し、変化を調べた。

（酸素透過率の測定）
２３℃の温度下において、ＪＩＳ Ｋ ７１２６に準拠した方法により酸素透過率を測定した。

実施例、および比較例に係る絶縁電線についての各種測定および評価の結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３に係る絶縁電線は、常態および長期熱劣化後の状態において、高い部分放電開始電圧および絶縁破壊電圧を有する。すなわち、実施例１〜３に係る絶縁電線においては、長期の熱劣化に伴う部分放電開始電圧、絶縁破壊電圧の低下が抑えられている。

他方、比較例に係る絶縁電線は、常態においては高い部分放電開始電圧および絶縁破壊電圧を有するものの、長期熱劣化後は絶縁皮膜が著しく劣化してしまったため、部分放電開始電圧を測定することができず、また、絶縁破壊電圧も常態と比べて大きく低下する。

上記の実施例１〜３と比較例の結果の違いは、脂肪族を含有しないポリイミドからなる第２絶縁皮膜の有無に起因するものと考えられる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 絶縁電線
１０ 導体
１１ 絶縁皮膜
１１ａ 第１絶縁皮膜
１１ｂ 第２絶縁皮膜

Claims (4)

1. 導体と、
   前記導体の周囲に設けられた絶縁皮膜と、
   を有し、
   前記絶縁皮膜は、前記導体の周囲に形成された脂肪族を含有するポリイミドからなる第１絶縁皮膜と、前記第１絶縁皮膜の周囲に形成された脂肪族を含有しないポリイミドからなる第２絶縁皮膜とを含む、絶縁電線。
2. 前記第２絶縁皮膜は、酸素透過率が１．０×１０^−１４（ｍｏｌ／ｍ^２・ｓ・Ｐａ）未満である、請求項１に記載の絶縁電線。
3. 前記第２絶縁皮膜の皮膜厚さは、前記絶縁被覆の全体の厚さに対して５％以上、２０％以下である、請求項１に記載の絶縁電線。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁電線を用いて形成されたコイル。

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